可靠性指标MTBF的背后

可靠性指标MTBF，相信大家并不陌生，平均无故障工作时间，英文全称是“Mean Time Between Failure”，平常大家工作中经常会争论某系统的MTBF是“10e5小时”还是“10e4小时”，提供一份可靠性分析报告来证明这个指标是正确的，除了这份报告没有其它工作跟这个指标关联了，它的背后还隐藏着什么呢？

先要了解MTBF是可靠性指标的一种量化描述，可靠性指标除了MTBF，还有失效率（Failure rate），平均可用时间（Mean up time），可靠度（Reliability)等，比较常用的是MTBF。MTBF中，根据系统失效特性的不同，其中T（time）也可以换成其它量度。比如车辆的失效与行驶里程（distance）相关，可以用MDBF表示；继电器的失效与开关次数（cycle）相关，可以用MCBF表示。

规定系统的可靠性指标时，应定义出指标的一些前提条件，如：

• 系统定义；

• 系统的工作条件：环境条件、应用条件、后勤保障条件等；

• 失效判据的定义：系统不能执行其预期功能的判据；

• 用于证明符合可靠性指标要求的方法。

缺少上面这些前提条件下，来讨论可靠性指标MTBF的数值将毫无意义。

例如：一个电源模块的MTBF指标为：

以上指标前面的限定条件（according to MIL-HDBK-217F G.B. +25℃），说明是在这个前提条件下的MTBF指标预计值为2429*10e3小时。电源模块预计值的两个前提条件：

1. 温度：电源的寿命与它的工作温度有很大关联性，这个指标是在+25℃条件下，

2. 依据标准MIL-HDBK-217F可知：G.B.为环境类别代号，G.B.代表“地面良好”环境，为“保持正常气候条件，机械应力接近于零的地面良好环境，其维护条件良好，如有温湿度控制的实验室或大型地面站等”。

可以看出：这个MTBF指标为依据美军标MIL-HDBK-217F在+25℃，G.B环境条件下的预计值，如果温度条件和环境条件发生变化，指标值也会发生变化；另外，这个指标是预计值，不是试验验证值，产品实际可靠性与预计值存在差异也是有可能的。

再看一个较为复杂的例子：轨道交通车辆系统，从量纲上，用里程数（Distance）或公里数（kilometer）衡量车辆的可靠性较为合适，即MDBF或MKBF。

一、定义车辆可靠性的前提条件包括运营任务、线路情况、运营条件、环境条件和维修条件，这些规定了车辆达到可靠性指标要求所需的条件。

1.运营任务：

• 参考线路

• 运营速度（运营距离/工作时间）

• 日车平均里程

• 两次整备间的平均里程

• 年运营里程等；

2.线路情况：

• 运行线路的典型特征，如隧道、高架、坡度和曲线；

3.运营条件：

• 车辆在给定的日运行周期中的平均速度

• 车辆设备在给定的日运行周期中上电的时间

• 牵引运行的时间

• 制动有效的时间百分比

• 压缩机运行时间

• 压缩机启动次数

• 接触网供电时间

• 车辆内部温度范围

• 机械条件

• 电气条件

• 电磁兼容性

• 信号系统接口

• 人机工程学等；

4.环境条件：

• 外部空气温度

• 最高海拔

• 太阳辐射

• 湿度

• 风力

• 雨雪

• 污染物

• 腐蚀条件等；

5.维修条件：

• 维修计划

• 维修场所

• 维修场所的设备、工具和资源等；

二、以上定义了车辆的系统边界、运营条件、后勤和维修条件，对于车辆这类机械、电气、电子的集成系统，应对系统结构进行分解，列出所有车辆的子系统，将用于可靠性指标的分配，如：

• 车体
  

• 转向架
  

• 钩缓系统
  

• 牵引系统
  

• 制动系统

• 网络系统
  

• 通风系统

• 通信系统等；

三、对于车辆系统，如何判定可靠性，定义明确的失效判据非常重要，车辆通用失效可分为三类：

重大（停车）失效：导致阻止列车运行，大于规定时间的晚点；超出规定费用的失效。如列车停运、列车退出运行，花费超出规定值等。

重要（运行）失效：整修后系统性能方可达标的失效；对服务造成停车或费用损失未达到重大失效的失效。如列车延误但少于规定时间，丧失特定功能或性能降级运行。

次要失效：不影响系统规定性能的失效；不符合重大失效和重要失效的失效。如其它任何失效。

对于三种失效种类，由于其影响范围、发生的严重度和发生可能性的不同，应定义不同的MDBF或MKBF值，以便设计分配和验收考核。

四、如何验证系统的可靠性是否达到要求，车辆一般采用现场运行考核的方法，如将质保期定义为考核周期，根据三种失效类别定义可靠性验收的判据，并规定现场数据达不到要求的纠正措施流程。

以上把可靠性指标MTBF的深层含义做了刨析，下面划下重点：

1.MTBF是可靠性指标的典型量度方法，根据系统失效特性的不同，可以有其它量纲；

2.MTBF指标数值应考虑其前提条件，有系统定义、工作条件、环境条件、后勤保障条件等；

3.对于复杂系统，失效条件可划分不同级别，定义不同的MTBF值，以便于系统设计和验收考核。

了解了MTBF的含义，大家可能会问，在系统设计时如何考虑可靠性指标的设计，最后才能满足系统最初的要求，感兴趣的同学请多多点赞转发，编者将再开专题介绍。

参考资料：车辆可靠性指标参考EN50126 RAMS标准

原文始发于微信公众号（薄说安全）：可靠性指标MTBF的背后