失效模式-国家燃气用具质量监督检验中心课件.ppt

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1、汇 报 人：严荣松汇报单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司 国家燃气用具质量监督检验中心,输配设施中橡胶可靠性预测时测试介质研究,01|可靠性的检测02|燃气用橡胶的加速寿命试验03|结论与建议,可靠性检测,在寿命期各阶段的应用,可靠性检测,可靠性检测,产品失效盆浴曲线,可靠性测试目的：淘汰有缺陷的器件：材料缺陷、工艺缺陷、设备状况等因素引入；根据使用要求，筛去不符合的器件：寿命、使用环境，如温度、辐射、振动等,可靠性检测,可靠性检测,原材料物理可靠性测试,可靠性检测,半成品/成品的可靠性测试,可靠性检测,调压器及其部件工作环境,可靠性检测,半成品/成品的可靠性测试,燃气用橡胶的加速寿命

2、试验,1.加速寿命试验概要2.加速寿命试验原理3.失效模式和失效机制4.加速寿命试验 5.加速模型6.寿命预测与加速系数,以缩短实验时间为目的,比基准条件加严的条件下进行的实验种类:加速寿命测试,加速应力测试 加速寿命测试(ALT:Accelerated Life Test)比正常使用条件加严的应力水准下进行试验,促进产品的故障,从尽快时间内收集的故障信息中,推定寿命-应力的关系,从而推定使用条件下的寿命的一种测试 加速应力测试(AST:Accelerated Stress Test)PBA,Units 等 Assembly作为对象,适用温度和任意振动的阶梯形的应力,找出设计裕量的过程中,发现

3、并改善设计中的弱点,从而提高可靠性的一种测试,1.1 加速试验的定义,加速寿命试验概要,加速寿命试验和加速应力试验的比较,1.2 加速寿命试验的必要性及效果,必要性在产品开发方面,为了调查潜在的故障模式、比较设计和制造方法或评价可靠性,并进行寿命试验；在品质和性能测试方面，确保市场的竞争力要求在极短的时间内开发并评价出产品。因此在尽快的时间内，需要得到有关产品的可靠性的信息,为此使用加速寿命实验。,加速寿命试验概要,效果 通过缩短试验周期和开发周期，最终可以降低开发费用；尽快可以收集到为了评价设计的产品的性能信息和潜在的故障模式,设计上的弱点,重要器件的确认等有关可靠性的信息；尽快地推定使用条

4、件下的可靠性尺度(故障率,寿命等)，可以保证可靠性。,1.3 加速方法,时间加速 增加连续或间歇动作的次数来进行加速的方法(进行30000次的行程大于50%全行程和频率大于5次/min的启闭动作),加速寿命试验概要,利用退化特性的加速 对于使用时间,具有退化特性的项目 严密的意义上讲不能说是加速,但是缩短时间的这点上,可以认为是加速的一种形式应力(温度,湿度,振动,电压,压力等)加速 把应力设计加严后做试验并促进故障的 所谓的加速试验一般表示为对应力的加速 Strength Stress:故障,1.4 应力施加的方法,恒定应力加速试验(constant-stress accelerated t

5、est)应力施加方法中的最代表性的方法 将一定水准的应力维持到试验结束时间为止的方法步进应力加速试验(step-stress accelerated test)将应力水准变为阶梯形的(主要是增加)实验方法,加速寿命试验概要,序进应力加速试验(progressive-stress accelerated test)随着时间的推移,连续地增加应力的加速实验方法 应力的增加率很难维持为一定的比例循环应力加速试验(cyclic-stress accelerated test)对试验产品上所加的应力水准像正弦曲线一样，发生周期变化的实验方法,应力,时间,1.4 应力施加的方法,加速寿命试验概要,应力施加

6、方法的优缺点,1.4 应力施加的方法,加速寿命试验概要,加速试验就是提高使用项目时所受的外部和内部应力并促进故障现象进行的反应速度和退化 将市场上由应力所发生的全部故障机制或反应过程，能如实的加速是很困难的 加速的应力范围当中，使加速可能的条件应满足下列条件 1)失效机制的不变性 2)退化或失效模式的统一性(规则性),加速寿命试验的原理,即使施加了同样的应力，根据条件，产生不同的失效机制；组件或材料的失效机制是多样的，但是即使施加了加严的应力，失效机制也不会发生变化，而在实际使用条件下，模拟出同样的失效机制就是加速寿命试验的基本原则；当失效机制不发生变化时，应力和各种试验条件下的寿命分布具有规

7、则性。,2.1 失效机制的不变性,S1 S2 S3,应力,时间,f(t),加速寿命试验的原理,在退化过程中，有各种失效机制的存在，因此有时无法决定加速参数，也存在很难实证和确认故障机制的情况，这时如下图调查退化（或故障）模式并推定退化过程；退化(或失效)模式表现为定量模型。,2.2 退化或失效模式的同一性及规则性,时间,参数退化量,S1S2S3,加速寿命试验的原理,加速寿命试验的原理,50组测试 退化模式的统一性,定义:不能完成或满足项目所要求的功能或性能的事件 在故障力学观点上是负载比材料强或材料比负载弱的问题发生不能完成或满足项目所要求的功能或性能事件为止的时间称为失效时间或寿命,3.1

8、失效的定义,失效模式和失效机制,3.2 失效模式和机制,作用于项目的负载可诱发应力，这个应力又引起多种故障机制并使项目发生故障 失效机制:引起项目故障的物理性,化学性,机械性,电气性,材料性的过程只有理解了失效机制，才可以预防故障，并且可以设计出可靠性的产品 失效模式:表现为失效机制结果的现象或症状,偶发失效(overstress failure)由外部过度的应力所引起的故障 可承受外部应力的强度（strength)不充分而导致的 设计者来不及收集到全部可能的应力信息或也有顾客没有按照设计规格使用产品而导致的情况耗损失效(wearout failure)如器件或材料的耗损,变形,疲劳,裂纹,龟

9、裂,脱离等物理现象或腐蚀或污染等化学反应而发生 由项目使用的时间过长，性能 降低到无法使用的情况，主要是应力的影响累积超过了耐久的限度而发生,3.3 失效机制的分类,失效模式和失效机制,决定有效的加速应力 联系失效机制选择有效的加速应力 加速应力与失效机制的关系,3.4 失效机制和加速应力,失效模式和失效机制,恒定应力加速试验,失效机制和加速应力,介质：空气 AIR 丙烷 n-PENTANE,失效模式和失效机制,4.1 加速寿命试验(Accelerated Life Test)比使用环境加严的条件下，以缩短试验时间为目的而做的试验，促进故障机制并测出寿命的一种试验方法 应力的加速:在高应力水准

10、下施加应力 间隔动作时:增加反复的次数 连续动作时:加速延长持续时间的使用率从加速条件的试验结果中推定使用条件的寿命(外推)利用加速条件之间存在的规则(加速系数)故障机制的统一性必要性 克服时间与试验单位数的制约 极短的时间内，可以掌握产品的可靠度和性能,加速寿命试验,4.2 加速寿命试验的步骤,加速寿命试验,5.1 阿累尼乌斯(Arrhenius)模型,模拟由化学反应引起的退化故障的寿命与应力的关系式反应速度与温度具有密切的关系时，可适用的加速模型。适用项目 电绝缘体或电介质,润滑油或grease,半导体仪器,塑料,蓄电池,白炽灯泡，灯丝等体现出由温度应力的物理,化学性反应速度的依赖性化学反

11、应率和温度(绝对温度)T的关系式 化学反应率=Aexp-Ea/(kT),A:常数 Ea:活化能(eV)K:Boltzmann 常数,8.61738510-5 eV/K T:绝对温度(K),+273.15,加速模型,假设为化学反应达到临界量时，发生故障 临界量=(反应率)(故障时间)故障时间=(临界量)/(反应率)因此，阿累尼乌斯的关系式如下公式表现为反应时间()与反应率成反比的形态(T)=AexpEa/(kT)当取 Log 时，可表现为以下的线形式 ln(T)=ln(A)+(Ea/k)(1/T),AIR,n-PENTANE,加速模型,阿累尼乌斯(Arrhenius)模型,反应时间()与反应率成

12、反比的形态(T)=AexpEa/(kT),加速模型,寿命预测的概念 寿命是由磨损故障(wearout failure)引起的，当产品的损伤程度超过材料所具有的 耐久限度时，发生故障 对材料的损伤储蓄到其产品耐久的界限为止，储蓄的损伤不能使项目能性退化的，其前提条件就是随着时间的流逝，材料会发生退化的,6.1 寿命预测的概念,寿命预测与加速系数,寿命加速系数 在使用条件 S1中做的试验和在加速条件 S2(S2S1)中做的试验的加速系数就是 达到同样的累积故障概率 Fs为止的时间的比例关系 即基准条件下的时间(L1)/加速条件下的时间(L2)右侧图的寿命加速系数 AL=L1/L2 又 AL可以表现

13、为特性寿命的比例关系 AL=1/2,F,t,S2,S1,L2,L1,Fs,80,2,1,6.2 寿命加速系数,寿命预测与加速系数,寿命预测与加速系数,A0.8(GAS/AIR)=1.1,A0.8(GAS/AIR)=1.1,A0.8(GAS/AIR)=1.6,A0.8(GAS/AIR)=1.25,结论与建议,橡胶测试与结果,1)试验研究结果表明，空气气氛方法进行加速老化试验的预测使用时间结果是采用燃气气氛方法的加速系数在1-2之间。2)可靠性预测对关键决策有重大影响，如产品的开发、免维护周期、成本以及最佳维护和更换计划的确定。因此，为有效地确定产品的维修，检查和更换策略，准确预测产品可靠性随时间的变化十分重要。3)进行加速寿命测试(ALT)需要确定可靠性推理模型，将应力条件下的失效数据与设计或操作条件相关联。此外，需要开发加速测试计划，以获得适当和充分的信息，以便在运行条件下准确估计可靠性性能。在设计加速寿命时，需要解决以下问题：(a)选择实验中使用的应力类型；(b)确定所选择的每种应力类型的应力水平；(c)确定每个压力水平下器件的分配比例。,敬请批评指正！,