一、背景
通/斷電循環(huán)以及連續(xù)工作，是影響電子、機(jī)電產(chǎn)品可靠性的重要因素。通過案例，分析機(jī)電產(chǎn)品在多應(yīng)力條件下，開關(guān)循環(huán)條件下的壽命情況。
二、開關(guān)循環(huán)及多應(yīng)力條件下的機(jī)電產(chǎn)品可靠性模型研究情況
APPLO Guidance computer Data中，給出了相應(yīng)的開關(guān)條件下的機(jī)電產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)情況，給出的數(shù)據(jù)包括電子器件和組件的貯存、電源開/關(guān)狀態(tài)、通電3類狀態(tài)的數(shù)據(jù)。他們收集了697百萬次的開/關(guān)循環(huán)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)20次故障，故障率為28.7/10E9。
在該指南中，還給出了如下結(jié)論：
（1）單次電源開/關(guān)循環(huán)到熱平衡并返回到室溫大約是165到375倍之間，或者說發(fā)生故障時(shí)的壓力平均是休眠時(shí)間的270倍。
（2）另一種說法是，預(yù)計(jì)33次通電/斷電（開/關(guān)）循環(huán)等于一年以上的待機(jī)（休眠）時(shí)間導(dǎo)致故障。
（3）發(fā)生故障時(shí)，通電/斷電循環(huán)的壓力約是通電穩(wěn)態(tài)情況下的5倍。
Kujawski和rypka分析了通電/斷電循環(huán)對慣性導(dǎo)航設(shè)備和船舶動(dòng)力控制系統(tǒng)的可靠性影響，他們給出了一種從總故障率中識(shí)別和量化設(shè)備故障循環(huán)次數(shù)占比的方法。該方法是找出觀測的故障率與運(yùn)行周期長度之間的比率。
電產(chǎn)品-直流電機(jī)01.png)
λt——設(shè)備總的失效率
λe——通電工作狀態(tài)的失效率
λc——開/關(guān)循環(huán)導(dǎo)致的失效率
t——工作時(shí)間
N——循環(huán)周期
Kujawski和rypka提出，運(yùn)行周期的時(shí)間長短是影響電子設(shè)備故障率的一個(gè)重要因素，在預(yù)測設(shè)備可靠性時(shí)應(yīng)考慮到這一點(diǎn)，通過謹(jǐn)慎選擇運(yùn)行周期和減少“開/關(guān)”循環(huán)，可以提高設(shè)備的可靠性。
Demko提出了一個(gè)描述設(shè)備MTBF與使用因素（工作時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間和開關(guān)循環(huán)次數(shù)）的函數(shù)。工作、關(guān)機(jī)和循環(huán)次數(shù)故障率假設(shè)是常數(shù)。
電產(chǎn)品-直流電機(jī)02.png)
λobs——是觀測到的故障率
λop——工作/運(yùn)行故障率
λd——非工作狀態(tài)的故障率
λC——循環(huán)故障率
OFF——平均斷電的時(shí)間
ON——平均工作的時(shí)間
國內(nèi)外較多人員開展了通斷電循環(huán)下的機(jī)電產(chǎn)品可靠性模型研究，具體實(shí)際情況下的機(jī)電產(chǎn)品通斷電循環(huán)對于機(jī)電類產(chǎn)品的可靠性有什么影響呢？
三、直流電機(jī)可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析通斷電及多應(yīng)力條件下的可靠性
為了分析機(jī)電產(chǎn)品的可靠性，需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)。使用直流電機(jī)為例，研究故障特征與通/斷電循環(huán)、多應(yīng)力下連續(xù)工作的關(guān)系。使用的電機(jī)是小型直流永磁電機(jī)。
小型直流電動(dòng)機(jī)使用永磁體來提供磁場通量以產(chǎn)生功率。他們可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如電動(dòng)打印機(jī)，玩具，剃須刀，和其他電池供電的電器的商業(yè)重要性。
通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)（可使用PosWeibull的DOE設(shè)計(jì)），設(shè)計(jì)了幾個(gè)試驗(yàn)方案。每個(gè)試驗(yàn)方案至少需要6個(gè)樣本，試驗(yàn)以失效為截止。
首先說一下負(fù)載情況。負(fù)載定義為電阻型負(fù)載。連接在一個(gè)直流電機(jī)軸上的齒輪與另一個(gè)（相同）直流電機(jī)的齒輪并聯(lián)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在額定電壓下運(yùn)行時(shí)，它產(chǎn)生的功率使另一臺(tái)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。該負(fù)載定義為正常荷載。研究人員用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流系數(shù)來表示不同的工作負(fù)載變化。
共設(shè)計(jì)了7個(gè)試驗(yàn)方案。
方案1： 電壓=3V dc
載荷=0.2 amps
工作條件=開/關(guān)
方案2： 電壓=3V dc
載荷=0.48 amps
工作條件=開/關(guān)
方案3： 電壓=6V dc
載荷=0.3 amps
工作條件=開/關(guān)
方案4： 電壓=6V dc
載荷=0.65 amps
工作條件=開/關(guān)
方案5： 電壓=3V dc
載荷=0.48 amps
工作條件=連續(xù)工作
方案6： 電壓=6V dc
載荷=0.65 amps
工作條件=連續(xù)工作
方案7： 電壓=3V dc
載荷=0.08 amps
工作條件=連續(xù)工作
四、試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集
分別收集了7個(gè)試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
五、數(shù)據(jù)分析
（1）打開PosWeibull軟件，新建數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表模板選擇【空】模板。
（2）新建四列，分別命名為組別、電壓、工作類型（1/0，表示通斷電或連續(xù)工作）、載荷、故障時(shí)間。
（3）錄入或者拷貝粘貼方式，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)表。
（4）選擇【加速壽命試驗(yàn)】模塊，彈出的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析設(shè)置界面，將故障時(shí)間列添加到*時(shí)間，電壓、工作類型、載荷3列添加到應(yīng)力。
電產(chǎn)品-直流電機(jī)03.png)
電產(chǎn)品-直流電機(jī)04.png)
電產(chǎn)品-直流電機(jī)05.png)
默認(rèn)情況下，PosWeibull會(huì)推薦一個(gè)加速模型用于分析上述數(shù)據(jù)，此時(shí)，點(diǎn)擊【加速參數(shù)計(jì)算】切換到加速參數(shù)計(jì)算頁面，加速模型選擇【多應(yīng)力廣義阿倫尼烏斯模型】，在應(yīng)力選擇列表，分別點(diǎn)擊電壓、工作類型、載荷應(yīng)力對應(yīng)的變量表達(dá)式，定義加速模型。其中，壓力選擇ln，載荷也選擇ln（可根據(jù)實(shí)際情況選擇），工作類型直接點(diǎn)擊確定。至此，定義好了加速模型。然后選擇【威布爾分布】之后，點(diǎn)擊計(jì)算，即可計(jì)算加速參數(shù)。結(jié)果如下圖所示。
電產(chǎn)品-直流電機(jī)06.png)
點(diǎn)擊【壽命計(jì)算】，即可得到該直流電機(jī)的可靠性分析結(jié)果。如下圖所示。
電產(chǎn)品-直流電機(jī)07.png)
如果需要分析通斷電的壽命與連續(xù)工作的壽命關(guān)系，可在數(shù)據(jù)表選擇忽略某些行，將通斷電循環(huán)工作類型的數(shù)據(jù)和連續(xù)工作類型的數(shù)據(jù)分別計(jì)算，即可得到相應(yīng)結(jié)果。更多關(guān)于PosWeibull的信息可聯(lián)系我們。
六、結(jié)論
通過該直流電機(jī)的壽命試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，該直流電機(jī)的失效率為30.43/10E9,計(jì)算結(jié)果基本與APPLO Guidance computer Data的實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近。