概述

MTBF（平均故障間隔）是可靠度工程及制造工程學(xué)的名詞，取自英文“Mean Time Between Failures”的縮寫，意即是產(chǎn)品在操作使用或測試期間的平均連續(xù)無故障時(shí)間，需要注意的是，這里探討的MTBF并非一個(gè)實(shí)測值，而是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段工程師依據(jù)理論所估算出的參考值。使用平均故障間隔時(shí)，一般假設(shè)故障的系統(tǒng)可以立刻修復(fù)。倘若故障的系統(tǒng)無法修復(fù)，一般改用MTTF（故障前平均時(shí)間）來說明。

平均故障間隔并非指系統(tǒng)一定出現(xiàn)物理性損壞，而是取決于該系統(tǒng)如何定義“故障”。例如對(duì)于需要高可靠性的復(fù)雜系統(tǒng)來說，“故障”就可能指的是系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)期以外的狀況使得必須停止工作并維護(hù)。能通過良好的維護(hù)而加以避免，或者直接導(dǎo)致設(shè)備除役的“故障” 以及計(jì)劃內(nèi)必須使設(shè)備停止工作的維護(hù)并不在這個(gè)定義所考慮的范疇之內(nèi)。


原理


失效時(shí)間是指上一次設(shè)備恢復(fù)正常狀態(tài)（圖中的up time）起，到設(shè)備此次失效那一刻（圖中的down time）之間間隔的時(shí)間。

MTBF值是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要參數(shù)，可靠度工程師或設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用各種不同的方法與標(biāo)準(zhǔn)來估計(jì)產(chǎn)品的MTBF值。不過這些估算的數(shù)值和實(shí)際的平均故障間隔仍有相當(dāng)?shù)牟罹?。?jì)算平均故障間隔的目的是為了找出設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。


計(jì)算公式

MTBF是可修復(fù)產(chǎn)品可靠性的一種基本參數(shù)。度量方法為：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),產(chǎn)品的壽命單位總數(shù)與故障總次數(shù)之比。

MTBF值是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要參數(shù)，可靠度工程師或設(shè)計(jì)師經(jīng)常使用各種不同的方法與標(biāo)準(zhǔn)來估計(jì)產(chǎn)品的MTBF值。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括MIL-HDBK-217F、Telcordia SR332、Siemens Norm、Fides或UTE C 80-810（RDF2000）等。不過這些方法估計(jì)到的值和實(shí)際的平均故障間隔仍有相當(dāng)?shù)牟罹唷Ｓ?jì)算平均故障間隔的目的是為了找出設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。

MTBF的數(shù)學(xué)式表達(dá)：
另外，在工程學(xué)上，常用希臘字母θ來表示MTBF，既有：在概率論中，可用?(t)形式的概率密度方程表示MTBF，既有：此處?指的是直到下次失效經(jīng)過時(shí)長的概率密度方程——滿足標(biāo)準(zhǔn)概率密度方程——設(shè)有一個(gè)可修復(fù)的產(chǎn)品在使用過程中，共計(jì)發(fā)生過N0次故障，每次故障后經(jīng)過修復(fù)又和新的一樣繼續(xù)投入使用，其工作時(shí)間分別為：T0，T1。那么產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間，也就是平均壽命為Q為：（T0+T1）/N0。

關(guān)于 MTBF值的計(jì)算方法，最通用的權(quán)威性標(biāo)準(zhǔn)是MIL-HDBK-217、GJB/Z299B和Bellcore，分別用于軍工產(chǎn)品和民用產(chǎn)品。其中，MIL-HDBK-217是由美國國防部可靠性分析中心及Rome實(shí)驗(yàn)室提出并成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，專門用于軍工產(chǎn)品MTBF值計(jì)算，GJB/Z299B是我國軍用標(biāo)準(zhǔn)；而Bellcore是由AT&TBell實(shí)驗(yàn)室提出并成為商用電子產(chǎn)品MTBF值計(jì)算的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

MTBF計(jì)算中主要考慮的是產(chǎn)品中每個(gè)器件的失效率。但由于器件在不同的環(huán)境、不同的使用條件下其失效率會(huì)有很大的區(qū)別，例如，同一產(chǎn)品在不同的環(huán)境下，如在實(shí)驗(yàn)室和海洋平臺(tái)上，其可靠性值肯定是不同的；又如一個(gè)額定電壓為16V的電容在實(shí)際電壓為25V和5V下的失效率肯定是不同的。所以，在計(jì)算可靠性指標(biāo)時(shí)，必須考慮上述多種因素。所有上述這些因素，幾乎無法通過人工進(jìn)行計(jì)算，但借助于軟件如MTBFcal軟件和其龐大的參數(shù)庫，我們就能夠輕松得出MTBF值。


MTBF測試的實(shí)際意義

1、針對(duì)高頻率故障零件的重點(diǎn)對(duì)策及零件壽命延長的技術(shù)改造依據(jù)。

2、進(jìn)行零件壽命周期的推算及最佳維修計(jì)劃編制。

3、有關(guān)點(diǎn)檢對(duì)象、項(xiàng)目的選擇與點(diǎn)檢基準(zhǔn)的設(shè)定、改善。

4、用于指導(dǎo)內(nèi)外部維修工作分配。根據(jù)公司內(nèi)設(shè)備修復(fù)能力的評(píng)價(jià)，以設(shè)備類型、作業(yè)種類的不同來決定內(nèi)部分別承擔(dān)工作的維修質(zhì)量與設(shè)備效率方面的風(fēng)險(xiǎn)，作為維修外包的重要參考。

5、設(shè)定備品備件基準(zhǔn)。機(jī)械、電氣零件的各儲(chǔ)備項(xiàng)目及基本庫存數(shù)量，應(yīng)根據(jù)MTBF的記錄分析來判斷，使其庫存水平達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的狀況。

6、作為選擇維修技術(shù)方法改善重點(diǎn)的參考依據(jù)。為了提高設(shè)備開動(dòng)率，必須縮短與設(shè)備停機(jī)相關(guān)的長時(shí)間維修作業(yè)及工程調(diào)整、切換的時(shí)間。因此，有必要對(duì)維護(hù)作業(yè)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，而其檢驗(yàn)的項(xiàng)目、優(yōu)先順序的選擇等基本情況，均需要依據(jù)MTBF的分析記錄表。

7、用于設(shè)備對(duì)象設(shè)定預(yù)估運(yùn)行時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，及其維護(hù)作業(yè)的選定與維護(hù)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的研究。維修計(jì)劃預(yù)估時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定及維護(hù)作業(yè)的選定，必須考慮設(shè)備維護(hù)重復(fù)周期或標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值與實(shí)際維護(hù)時(shí)間的差異及相應(yīng)維護(hù)作業(yè)特性等因素，因此，MTBF分析表是非常必要的。

8、圖樣整理及重新選定重點(diǎn)設(shè)備或零件時(shí)的參考。MTBF的分析記錄表所記錄的設(shè)備零件改造項(xiàng)目或摩擦劣化等信息，以及設(shè)備圖樣修改或前期制作等情況，通過能經(jīng)常作分析檢驗(yàn)及重要性排序管理，可以使工程圖樣管理變得更容易。

9、運(yùn)行操作標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定、修訂及決定設(shè)備維護(hù)業(yè)務(wù)的責(zé)任分派。

10、提供設(shè)備的可靠性、可維修性設(shè)計(jì)的技術(shù)資料。維護(hù)技術(shù)最重要的是以MTBF分析表為基礎(chǔ)，收集有關(guān)設(shè)備的可靠性、可維修性設(shè)計(jì)的技術(shù)信息，以便提供給設(shè)計(jì)部門在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)參考。


MTBF測試的費(fèi)用及周期

MTBF測試的費(fèi)用，是按照每小時(shí)的單位價(jià)格x測試周期來收取的，但是也要看項(xiàng)目的實(shí)際測試時(shí)間和難易程度，一般來說測試周期和單位價(jià)格成反比。

MTBF是一項(xiàng)耗時(shí)非常長的測試項(xiàng)目，一般最少的測試周期為1萬小時(shí)，有些產(chǎn)品甚至?xí)y試10幾萬小時(shí)。

MTBF的測試周期會(huì)根據(jù)樣機(jī)數(shù)量進(jìn)行均攤，也就是說能夠提供的樣機(jī)數(shù)量越多，測試周期越短。


MTBF的常見問題

1、能否根據(jù)MTBF的時(shí)間為產(chǎn)品建立定期維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃

答案：不能

MTBF是根據(jù)一組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的平均數(shù)。也就是說，將一組數(shù)據(jù)生成一個(gè)柱狀圖，其中平均值是MTBF。假設(shè)這個(gè)分布是正態(tài)分布，我們將得到下圖所示的正態(tài)曲線，MTBF位于圖表中間。觀察上面的正態(tài)曲線就能知道，50%的樣本MTBF是小于平均值的，如果我們以等于MTBF時(shí)間的頻率實(shí)施預(yù)防計(jì)劃，它將有50%的失敗概率。因此，我們不能完全根據(jù)MTBF的時(shí)間來建立產(chǎn)品定期維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃。但是，可以考慮以MTBF的正態(tài)分布為基礎(chǔ)，根據(jù)能接受的風(fēng)險(xiǎn)水平制定定期維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃。

2、能否根據(jù)MTBF來計(jì)算出產(chǎn)品的失效率

答案：可以

故障率：在單位時(shí)間內(nèi)（一般以年為單位），產(chǎn)品的故障總數(shù)與運(yùn)行的產(chǎn)品總數(shù)之比叫做故障率，常用λ表示。

例如，共有1000臺(tái)設(shè)備運(yùn)行，一年之內(nèi)出了2次故障，那么該設(shè)備的故障率為2/1000=0.002次/年。

當(dāng)產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布時(shí)，故障率的倒數(shù)就是MTBF（MTBF = 1 / λ），即平均故障間隔時(shí)間。

例如某產(chǎn)品A的MTBF為22萬小時(shí)。22萬小時(shí)約為25年，并不是說A產(chǎn)品能工作25年不出故障。因?yàn)镸TBF=1/λ, 所以可以計(jì)算出故障率λ=1/MTBF=1/25=4%,即A產(chǎn)品的平均年故障率為4%，一年內(nèi)，平均100臺(tái)產(chǎn)品會(huì)有4臺(tái)出故障。

要注意的一點(diǎn)是：雖然指數(shù)分布是可靠性分析中最適用的，根據(jù)該分布，隨著時(shí)間的推移，故障率會(huì)趨于一個(gè)恒定值，見下圖“浴盆曲線”的中間部分。但是對(duì)于工業(yè)產(chǎn)品，其曲線不會(huì)這么規(guī)則，會(huì)有很多的變異的存在，不能完全生搬硬套。


3、能否根據(jù)MTBF計(jì)算出產(chǎn)品在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的失效概率

如前文所述，只有在指數(shù)分布中，才會(huì)有一個(gè)恒定的失效率，可以用MTBF的倒數(shù)來計(jì)算。在這個(gè)前提下，我們可以通過以下公式來計(jì)算產(chǎn)品在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的失效概率。
對(duì)于其他數(shù)據(jù)模型，失效率不是一個(gè)恒定值，而是隨時(shí)間的變化而變化。只能通過數(shù)據(jù)建模和參數(shù)統(tǒng)計(jì)曲線的確定來計(jì)算失效概率。