一种电器产品的绿色可靠性设计方法与流程

本发明属于电器产品设计技术领域，尤其是一种电器产品的绿色可靠性设计方法。

背景技术：

可靠性是产品在规定的时间内完成规定任务的能力，一般使用可靠度(记为r)来表示产品可靠性的高低。可靠性的度量即可靠度通过可靠性试验进行定量计算，可靠度高的产品可靠性能优越，反之可靠性低劣。可靠性试验一般按照抽样方案选择n个选择产品进行试验，试验过程中产品随试验次数或时间的增加逐次损坏(或者称为发生失效)退出试验，没有损坏(或者称为未发生失效)的产品继续进行试验，当试验进行到某次数或某时刻，统计未发生失效的产品数量m，此时可靠度可以表示为r＝m/n。用可靠度r衡量不同产品的可靠性能优劣，可进行定量比较。基于可靠性试验数据，可以将失效分布类型分为正态分布、指数分布、威布尔分布等，通过基于失效分布类型可以建立可靠度函数，并用可靠度函数来定量表示产品的可靠性。上述方法是现有可靠性方法的基础，是基于经典概率的思想，用统计学的方法进行定量计算。以此为基础，相关专家学者结合模糊理论、灰色理论、神经网络理论、小波理论等理论从不同角度对可靠性进行了深入研究。

经检索发现的专利文献均是对可靠性评估、可靠性试验、可靠性监测设备等方面进行了研究，但是缺少对可靠性设计方法的研究，尤其是从理论上深入研究，具有普遍适用性的研究。

为促进清洁生产，提高资源利用效率，减少和避免污染物的产生，保护和改善环境，保障人体健康，促进经济与社会可持续发展，我国制定了《中华人民共和国清洁生产促进法》。其中总则第二条规定“清洁生产是指不断采取改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管理、综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害”。清洁生产广义理解为绿色生产，实现节能降耗，减少污染，避免资源浪费。可靠性是衡量产品质量的一项重要技术指标，为了保证产品的质量，生产企业在产品设计时普遍的做法是提高产品的可靠性。高可靠性的优点在于产品的质量得到了保证，缺点在于过高的可靠性设计是资源的一种浪费，不符合清洁生产或绿色生产的理念。

在资源短缺、提倡资源循环利用的当今社会，如何充分利用资源、提高资源利用率是一个普遍重视的问题。随着技术更新换代加速，产品在未发生失效就已经被新技术新产品替代，产品的生命周期被动地缩短。产品本身的属性是资源，产品由于被新技术新产品替代，被淘汰造成了被动的资源浪费。从资源使用效率角度来看待这个问题，属于资源被低效率使用。以电器产品的电接触触头为例，在同样的电气寿命条件下，触头分断可靠性越高也就意味着在制造时投入的资源越多，当新材料新技术出现时被替代造成的资源浪费的可能性越大。随着新技术的快速进步，产品升级换代的周期在缩短，虽然触头未发生失效但是电器产品已经被淘汰替换。假设电接触触头设计制造时的资源投入为ω，淘汰时残留的资源为υ，资源利用率为η，则上述三者的关系可以描述为η＝1-υ/ω。目前现有的可靠性方法未充分考虑技术进步、生命周期、资源利用率三者之间的关系，如何将可靠性与上述三个方面结合达到最优的可靠性设计，这是一个需要面对和解决的难题，这个难题可称为绿色可靠性。按照传统可靠性的理论架构包括可靠性设计、可靠性试验、可靠性分析、可靠性评估等，绿色可靠性可以建立与传统可靠性相应的理论架构。实现绿色可靠性的根本保证是在产品的设计阶段即绿色化可靠性设计。

通过文献检索尚未发现与绿色可靠性理念相关的专利和文献。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、可靠性高且能够提高资源利用率的电器产品的绿色可靠性设计方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种电器产品的绿色可靠性设计方法，包括以下步骤：

步骤1、将电器产品的失效特征分为早期失效期、安全期、偶然失效期、耗损失效期和退役期，并规定参数α、t0、tx、ty、rx、r1、ux、u1、ry、r2、uy、u2作为可靠性增长试验需要实现的质量目标；其中，α为安全期的安全系数，t0为安全期试验规定的次数，tx为偶然失效期试验规定的次数，rx为偶然失效期的可靠度，r1为偶然失效期的贝叶斯可靠度，ux和u1为偶然失效期的可靠度区间和贝叶斯可靠度区间，满足rx∈ux和r1∈u1，ty为耗损失效期试验规定的次数，ry为耗损失效期的可靠度，r2为耗损失效期的贝叶斯可靠度，uy和u2为耗损失效期的可靠度区间和贝叶斯可靠度区间，满足ry∈uy和r2∈u2；

步骤2、进行可靠性增长试验，直至产品可靠性满足规定的质量目标。

所述步骤2的具体实现方法包括以下步骤：

步骤⑴抽样选择n个电器产品进行电气寿命可靠性增长试验，按照失效数据从小到大的顺序统计试验数据，统计试验数据如下：

t＝{t1,t2,l,tn-1,tn}

步骤⑵判断是否满足下式：

t1≥αt0

如果不满足，则改进设计，进行可靠性增长试验，直至满足上式要求并进入步骤⑶；

步骤⑶试验进行到规定的次数tx，统计未发生失效的产品数目x，按下式计算可靠度r′x：

r′x＝x/n

步骤⑷判断是否满足下式：

r′x≥rx

如果不满足，则改进设计，进行可靠性增长试验，直至满足上式要求并进入步骤⑸；

步骤⑸依据如下贝叶斯概率公式计算贝叶斯可靠度r1

r1＝f(rx)

步骤⑹综合判断rx和r1是否满足如下公式要求

rx∈ux、r1∈u1

是则进入步骤⑺；

步骤⑺试验进行到规定的次数ty，统计未发生失效的产品数目y，按下式计算可靠度r′y：

r′y＝y/n

步骤⑻判断是否下式：

r′y‘≥ry

如果不满足，则改进设计，进行可靠性增长试验，直至满足上式要求并进入步骤⑼；

步骤⑼按如下贝叶斯概率公式计算贝叶斯可靠度r2：

r2＝f(ry)

步骤⑽判断ry和r2是否满足如下公式：

ry∈uy、r2∈u2

如果不满足，则改进设计，进行可靠性增长试验，直至满足上式要求，从而完成电器产品的绿色可靠性设计。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明将可靠性与技术进步、生命周期、资源利用率相结合，根据技术进步设计产品的生命周期，设计产品的可靠性，提高资源利用率，以实现清洁生产与可靠性相结合的设计理念，并可以推广应用到其他产品的绿色可靠性设计，具有指导意义；该方法对国家推动清洁生产与可靠性相结合，在保证产品可靠性的基础上合理利用资源具有重要的战略意义。

2、本发明方法从使用者角度考虑产品可靠性，基于可靠性增长试验和贝叶斯概率进行产品可靠性设计，对产品发生失效的概率进行了限定；产品在安全期内不发生失效，使用者在安全期内放心使用；在偶然失效期内，使用者开始面临产品失效的问题，使用者开始进入产品失效的“博弈”，此时使用者可以选择替换产品退出“博弈”，也可以选择“博弈”；按照现有可靠性设计理念，产品从开始使用就进入早期失效期，也就意味着使用者从开始使用产品就需要面临产品失效的“博弈”。

3、本发明定义了失效率的概念，对产品在单位时间发生失效的概率进行了规定，即产品在规定时间范围内发生失效的次数进行了规定，对于产品而言，失效发生在初始时刻或者结尾时刻对失效率的数值不产生影响，对使用者而言产品发生在初始时刻或者结尾时刻对其有重大影响，也是其最关心的可靠性能；以失效率作为评判产品可靠性的指标对于使用者的指导性较差；本发明方法对产品在不同时期内发生失效的次数和时刻进行了规定，方便使用者根据使用次数或者时间有针对性地开展维护、维修和替换工作，具有实际的指导性。

4、本发明能够实现绿色可靠性设计功能，重点在于绿色可靠性设计，并以电器产品的电气寿命可靠性试验为例(其中，电气寿命以试验次数为衡量单位)，验证本发明的正确性和实用性。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2a是采用现有方法的失效率曲线图；

图2b是采用本发明的失效率曲线图；

图3a是采用现有方法的几何概率模型；

图3b是采用本发明的几何概率模型；

图4a是采用现有方法的可靠度曲线图；

图4b是采用本发明的可靠度曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

本实施例以电器产品的电气寿命为例，以古典概率理论为基础，通过进行可靠性试验，统计试验数据，计算得到可靠度函数，依据可靠度函数可以计算出在不同试验次数相应的可靠度；以失效率即单位时间内产品失效的概率作为评判产品可靠性优劣的标准，将产品分为三级、亚三级、四级、亚四级等不同级别。

本发明的设计思想是：以可靠性增长试验为基础，对试验数据进行序列统计，首先满足试验进行到规定的次数t0内未发生失效；然后试验进行到规定的次数tx，要求满足产品的可靠度为rx，将每一次可靠性试验的信息作为先验信息，进行贝叶斯概率计算，要求满足规定的贝叶斯可靠度r1；继续进行试验到规定的次数ty，要求满足产品的可靠度为ry，将每一次可靠性试验的信息作为先验信息，进行贝叶斯概率计算，要求满足规定的贝叶斯可靠度r2。与现有的可靠性方法相比，本发明将产品的可靠性由全寿命随机性分布转变为在规定的寿命范围内随机分布，将产品的可靠性评判标准由失效率转变为可靠度，本发明从使用者角度考虑产品的可靠性更具有实用性和指导意义，使用者可以根据产品的绿色可靠性参数信息进行维修、替换和停止使用。

一种电器产品的绿色可靠性设计方法是基于可靠性增长试验和贝叶斯概率的电器产品的绿色可靠性设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、将电器产品的失效特征分为早期失效期、安全期、偶然失效期、耗损失效期、退役期并规定参数α、t0、tx、ty、rx、r1、ux、u1、ry、r2、uy、u2作为可靠性增长试验需要实现的质量目标。

现有电器产品的失效特征一般用浴盆曲线表示，分为早期失效期、偶然失效期、耗损失效期。本发明不采用上述表示方式，将电器产品的失效特征分为早期失效期、安全期、偶然失效期、耗损失效期、退役期，下面对本发明的失效特征及参数分别进行说明：

1、早期失效期发生在可靠性增长试验阶段，是一个失效率逐渐降低为0的过程，产品发生早期失效是由于设计缺陷或者产品性能不一致等原因造成的，为了避免产品发生早期失效的可能性，需要采用可靠性增长试验技术进行设计改进；可靠性增长试验不同于可靠性试验，可靠性增长试验是一个“试验——发现问题——改进——再试验”的循环过程，是一项提高可靠性的技术；随着产品设计的改进，产品在可靠性试验的早期发生失效的概率逐渐降低为0，此阶段绿色可靠性定义为早期失效期，区别于现有的方法中已经设计定型的产品在开始使用阶段发生失效的早期失效期。

2、安全期是产品在可靠性试验中，试验进行到规定的次数t0内不发生失效的时期；从使用者角度考虑产品的可靠性，现有的可靠性方法不能避免早期失效期，通过提高检测技术实现提出早期失效产品，理论上产品发生早期失效的概率是存在的；使用者从产品开始使用就需要考虑发生失效的概率，进入失效的“博弈”阶段；绿色可靠性设计将早期失效期限定在设计阶段，通过利用可靠性增长试验技术，理论上将产品发生早期失效的可能性降低为零，这样使用者从产品开始使用至规定的次数t0就不需要担心发生早期失效，放心安全使用。考虑到可靠性试验的局限性，需要定义避免安全期的安全系数为α。

3、偶然失效期是产品在经过安全期以后，产品开始逐渐发生失效的时期；产品发生失效的数量不是任意地增长，而是控制在一定范围内；以产品试验到规定的次数tx时相应规定的可靠度rx为下限，如果此时实际的可靠度r′x不低于rx则表示可以接收，反之则需要改进设计，重新进行可靠性增长试验；将每一次可靠性试验的信息作为先验信息，运用贝叶斯概率计算方法得到贝叶斯可靠度r1；比较rx和r1的不同，贝叶斯可靠度r1利用古典概率rx为先验信息进行进一步的推理计算，具有更高的可信度，更适合作为整批产品可靠度的衡量指标；同时rx和r1一定是小于1的，例如是产品绿色可靠性设计规定的0.90至0.93之间的一个范围，即可靠度区间ux和贝叶斯可靠度区间u1，需要满足rx∈ux和r1∈u1。

4、耗损失效期是产品在经过偶然失效期以后，产品开始快速发生失效，多数产品发生失效集中在这个时期；产品发生失效的数量不是任意地增长，而是控制在一定范围内；以产品试验到规定的次数ty时相应规定的可靠度ry为下限，如果此时实际的可靠度r′y‘不低于ry则表示可以接收，反之则需要改进设计，重新进行可靠性增长试验；将每一次可靠性试验的信息作为先验信息，运用贝叶斯概率计算方法得到贝叶斯可靠度r2；比较ry和r2的不同，贝叶斯可靠度r2利用古典概率ry为先验信息进行进一步的推理计算，具有更高的可信度，更适合作为整批产品可靠度的衡量指标；例如是产品绿色可靠性设计规定的0.50至0.60之间的一个范围，即可靠度区间uy和贝叶斯可靠度区间u2，需要满足ry∈uy和r2∈u2。

5、退役期是产品在经过耗损失效期以后的时期，在退役期内产品根据使用环境、使用状态等不同因素，发生失效的偶然因素增大，在实际工程上从产品个体看待可靠性已经不具有实际的意义，本方法不再做出具体规定；此时可靠性试验可以停止。

步骤2、进行可靠性增长试验，直至产品可靠性满足规定的质量目标。具体方法包括以下步骤：

步骤⑴抽样选择n个电器产品进行电气寿命可靠性增长试验，按照失效数据从小到大的顺序统计试验数据，序贯统计试验数据如下公式：

在该步骤进行

t＝{t1,t2,l,tn-1,tn}(1)

步骤⑵判断是否满足公式(2)：

t1≥αt0(2)

如果不满足，则改进设计，进行可靠性增长试验，直至满足公式(2)的要求，进入步骤⑶。

步骤⑶试验进行到规定的次数tx，统计未发生失效的产品数目x，则可靠度r′x计算如公式(3)所示：

r′x＝x/n(3)

步骤⑷判断是否满足公式(4)：

r′x≥rx(4)

如果不满足，则改进设计，进行可靠性增长试验，直至满足公式(4)的要求并进入步骤⑸。

步骤⑸依据贝叶斯概率公式(5)计算贝叶斯可靠度r1

r1＝f(rx)(5)

步骤⑹综合判断rx和r1是否满足公式(6)和公式(7)的要求

rx∈ux(6)

r1∈u1(7)

是则进入步骤⑺。

步骤⑺试验进行到规定的次数ty，统计未发生失效的产品数目y，则可靠度r′y计算如公式(8)所示：

r′y＝y/n(8)

步骤⑻判断是否满足公式(9)：

r′y‘≥ry(9)

如果不满足，则改进设计，进行可靠性增长试验，直至满足公式(9)的要求并进入步骤⑼。

步骤⑼依据贝叶斯概率公式(10)计算贝叶斯可靠度r2

r2＝f(ry)(10)

步骤⑽判断ry和r2是否满足公式(11)和公式(12)的要求

ry∈uy(11)

r2∈u2(12)

如果不满足，则改进设计，进行可靠性增长试验，直至满足公式(4)、(6)、(7)、(9)、(11)、(12)的要求，即满足上述所有要求后，绿色可靠性设计结束；反之如果上述判断中，出现任何一个判断结果为“否”，则需要重新回到“可靠性增长试验并序贯统计试验数据”这个流程，按照流程图依次进行，直至全部判断结果为“是”，则绿色可靠性设计结束。

综上所述，上述步骤是相互关联的，最终满足要求的产品必须满足上述每一个步骤的公式要求。

下面将本发明方法与现有方法进行对比试验，以电器产品的电气寿命可靠性试验为例(其中，电气寿命以试验次数为衡量单位)，从而验证该方法的正确性和实用性：

从图2a和图2b给出了现有方法与本发明的失效率曲线图对比，可以看出本发明的绿色可靠性设计方法与现有方法的区别；图2a依据现有可靠性设计方法，产品失效的几个阶段是以失效率λ(t)作为评价的参数，产品的失效率λ(t)在早期失效期是逐渐下降的，降低至可靠性设计值λ0(t)；然后进入偶然失效期，失效率λ(t)保持在可靠性设计值λ0(t)以下；偶然失效期结束进入耗损失效期，失效率λ(t)逐渐上升；图2b绿色可靠性设计方法对失效率λ(t)提出了新的要求，允许产品在设计初期存在较高的失效率λ(t)，随着产品设计的成熟，失效率λ(t)降低至0，将这个时期称为早期失效期；从t＝0至t0属于安全期，要求设计定型的产品从开始试验至t0没有产品发生失效，即λ(t)＝0，处于此时期的产品可以放心使用；从t0至tx属于偶然失效期，失效率λ(t)开始缓慢增加，处于此时期的产品应该考虑维修维护；从tx至ty属于耗损失效期，失效率λ(t)开始快速增加，处于此时期的产品应该考虑替换或者加强维修维护监管；从ty以后属于退役期，失效率λ(t)较耗损失效期急剧增加，处于此时期的产品应该考虑主动停止使用；绿色可靠性设计评价的参数是α、t0、tx、ty、rx、r1、ux、u1、ry、r2、uy、u2，上述参数是通过可靠性增长试验验证和贝叶斯概率计算得到的。

图3a和图3b给出了现有方法与本发明的几何概率模型对比，图中黑点代表进行可靠性试验的电器产品个体，s代表进行可靠性试验的电器产品总体；图3a现有方法几何概率模型中矩形，假设失效均匀分布，椭圆型s1区域代表发生失效的产品；随着试验的进行，产品随机发生是不变的，最终s1的外延扩展至与s重合，即全部失效；图3b绿色可靠性设计方法几何概率模型中矩形s代表进行可靠性试验的总体，椭圆型s2区域代表可靠性试验进行到t0未发生失效的产品，椭圆型s2与s3之间的区域代表可靠性试验由t0进行至tx发生失效的产品，椭圆型s3与s4之间的区域代表可靠性试验由tx进行至ty发生失效的产品，椭圆型s4与矩形s之间的区域代表可靠性试验由ty进行至全部发生失效的产品；对比现有方法几何概率模型和绿色可靠性设计方法几何概率模型可以发现，绿色可靠性设计改变了可靠性设计理念，不同于现有方法的失效均匀分布，是在均匀分布的基础上改变可靠性设计理念进一步设计，实现了在s2区域内不允许产品失效发生，在s2和s3之间区域内少数产品发生失效，在s3和s4之间区域产品集中失效，在s4和s之间区域产品少数失效；s2、s3、s4的外延是固定不变的，随着试验的进行，只是失效的产品数目在变化，但同时要满足规定的要求；将图3b与图2b相对应，s2以内区域对应安全期，s2与s3之间区域对应偶然失效期，s3与s4之间区域对应耗损失效期，s4与s之间区域对应退役期；对比图3a和3b，最大的区别在于图3a是失效产品不变，评判准则s1在变，s1去适应失效产品，图3b是评判准则s2、s3、s4不变，失效产品在变，失效产品去适应评判准则。

图4a和图4b给出了现有方法与本发明的可靠度曲线图对比，图中黑点代表进行可靠性试验的统计数据，图4a的现有方法是将试验数据进行失效分布类型判断，得到可靠度函数，然后用函数曲线来描述产品的可靠度，试验数据在曲线上或者曲线附近波动；图4b的绿色可靠性设计方法是直接利用可靠性增长试验数据得到的曲线，其中平滑曲线的首端是试验数据t1，平滑曲线的尾端是试验数据tn；关于r(t)＝1是否存在？现有方法和绿色可靠性设计方法是有区别的，现有方法在该区间内应用的是统计学的趋势预测技术得到的，并且在t>0时可靠度函数r(t)<1，这是存在“误判”的，因为客观试验数据证明在0-t1区间内没有产品发生失效，基本可以判定r(t)＝1；如果从测量技术角度来分析存在一个小于t1的某个试验数据“真值”(记为t0)，可以实现r(t0)＝1；绿色可靠性设计方法，以客观试验数据t1为基础，结合测量技术的特点，考虑风险因素，设定安全系数α，定义“真值”t0＝t1/α，以实现在0-t0区间内r(t)＝1，基本解决了现有方法的“误判”；t1-tn区间的曲线绿色可靠性设计方法是采用连点成线的方法或者采用数据拟合方法得到的；t1-tn区间现有方法和绿色可靠性设计方法对可靠性的理念方法不同，对比图4a和图4b表现在曲线形状的陡度不同；对于tn以后的可靠度在工程上是不关注的，失去了实际的工程价值，现有方法是利用可靠度函数曲线的方式表达，绿色可靠性设计方法没有将其表达，原因是没有客观数据作为依据。

上述所有实施例中，所述电器产品的电气寿命试验和可靠性增长技术是为本技术领域技术人员所熟知的；所述绿色可靠性设计方法是本发明所创新的设计方法，其应用不仅限于电器产品，可以推广应用到其他产品；所述序贯统计数据是基于试验数据来说明本方法，同样适用于将数据进行曲线拟合得到函数分布，以函数及其曲线的方法来适用于本发明方法。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。