1 美军标中的MTBF保证试验

在军事应用需求牵引、元器件与整机制造工艺变革及产业技术水平进步等多重因素的驱动下，近年来装备的整体可靠性水平有了大幅度的提升。高可靠性指标带来的突出问题是，按照现行的标准和验收程序的规定进行可靠性试验时，在时间、费用和人力等方面的耗费较高。特别是在当前装备研制和采购的过程中普遍存在计划下达晚、应急任务多，以及研制和生产验收周期不足的情况下，装备的可靠性验证试验更是成为了研制和采购任务落实过程中的一个焦点和难点问题。不开展可靠性验证试验，既不符合规定。又会使用户对装备的可靠性心存疑虑；开展此类试验，又会耗费较长的时间。迫切要求去寻求一种时间短、花费小、易实施，但又有充足的理论依据、可信度高，能为大家所接受的可靠性评定方法。

MTBF保证试验（MTBF Assurance Test）是于1987年在美国军用手册MIL-HDBK-781《工程研制、鉴定和生产可靠性试验方法、方案和环境》（以下简称美军标）中引入的，并在1996年颁布的修订版MIL-HDBK-781A中予以保留。

对于鉴定试验，GJB 899和美军标均规定必须采用定时截尾试验方案。对于验收试验，规定既可以采用与鉴定试验一样的定时截尾试验方案，也可以采用截尾序贯试验方案。现在需要讨论的问题是，对于在定型时就已经通过了鉴定试验的装备，在其质量状态在生产过程中又比较稳定的情况下，可否不采用上述用时长、耗费高的试验方案，而采用一种耗时较短的试验方案呢？实际上，在美军标的5.3.3.1节“MTBF assurance test”中明确地提出“MTBF保证试验是用一种无失效区间的概念来验证MTBF值，该试验不但可以保证设备达到MTBF的最小可接受值，同时还可以确保早期失效已经被剔除，该试验可以用于已经通过了可靠性鉴定试验的批量生产的装备，对生产方而言可以使其以较高的概率通过保证试验”。在手册的5.8节中给出了保证试验的基本统计处理方法和试验程序。

通过对标准MIL STD 781D中对可靠性保证试验的描述可以看出：

①MTBF保证试验是一种可靠性验收试验，适用于寿命服从指数分布的产品。

②MTBF保证试验的原理是采用一种无失效区间的概念来验证达到产品的MTBF最低可接受值。

③MTBF保证试验应与环境应力筛选试验联合进行，只有当整机通过了环境应力筛选试验之后并已知达到了MTBF最低可接受值的情况下方可应用。

④MTBF保证试验适用对象主要是完成研制阶段的生产设备，对大批量生产的设备来说，它只用于设备的样本，对小子样(大系统)产品来说，可用于所有产品。

该试验方法目前存在的问题是，美军标中对用保证试验代替理论上十分完备的经典验收试验方案是否妥当这一问题并没有进一步的论述。此外，该军标仅仅指出生产方可以以高概率通过试验，但对于使用方的风险则没有提及。鉴于该方法存在上述不完善之处，在我国军标编制时也未引入该方法。

2 MTBF保证试验原理

设产品的故障时间Z服从指数分布。MTBF保证试验是如下定义的有替换试验。在一批产品中随机抽取样品进行寿命试验。取定常数r和T(0<r<T<=2r)，T是最长的累积试验时间，  r是无故障持续时间。

试验是按照如下方式进行的：

随机抽取一件产品进行寿命试验，如果寿命不超过r，则出故障后换上新的试件继续试验，只要试件的寿命不超过r则出故障后就换上新的；而一旦有试件的寿命超过r则立刻停止试验。按照上述方法进行下去，如果在时刻T之前有一个产品的寿命大于r则认为该批产品通过了检验，如果在T之间没有一个产品的寿命超过r则认为没有通过检验。

r和T应如何确定？在美军标中提出一般取T=2r。r的值依赖于对产品寿命的具体要求。美军标主张r=0.212θ，θ是MTBF的最低可接受值，这就是工程界著名的0.212公式。

可以证明，当产品的平均寿命不小于θ时，该批产品通过保证试验的概率在0.98以上。因此对生产方而言，采用MTBF保证试验既可以大幅度地减少试验的时间耗费和经费开销，同时还仍能使自己的产品在可靠性满足要求时以高概率通过保证试验。

问题是使用方接受通过上述保证试验的产品要承担多大的风险。分析计算表明，若产品一次通过，即产品没有出现任何故障，使用方的风险高达80%。若试验中出现一个故障，但试验最终通过，使用方的风险将更高。也就是说，单纯考虑来自保证试验的信息，使用方的风险会高得难以接受。从直观上这也容易理解，因为毕竟试验时间太短，从试验中获得的产品的可靠性信息十分有限，因而使用方接收产品的风险会很大。所以，从通过经典统计方法算得的使用方风险来看，可靠性保证试验确实不能直接作为可靠性验收试验的方案来使用。

另外，理论研究表明，按照上述保证试验的定义来开展保证试验，可能会出现保证试验通过时平均寿命估计值小于保证试验不通过时平均寿命估计值的倒挂现象。

3 MTBF保证试验的修正

我国专家针对上述问题，提出了修正的保证试验方案：

给定正数r，x1是第一个试件的寿命，x2是第二个试件的寿命。当x1>r或x1<r，x2>r时，该批产品通过实验；当x1<r，需x2<r时，该批产品不能通过实验。

也就是说，试验只能在以下两种情况下通过：1)第一个试件无故障持续时间超过r；2)第一个试件无故障持续时间小于r，但第二个试件无故障持续时间超过r。这种修正的保证试验方案比美军表中的试验方案更加严谨，且不会出现平均寿命估计值的倒挂现象。而且，在产品通过鉴定试验方案的前提下，如果产品在这种保证试验中通过，则使用方的风险不超过鉴定试验下使用方的风险。

4 MTBF保证试验的应用

总的来看MTBF保证试验是一种产品在模拟任务剖面环境条件下进行的无故障试验。通过较短时间的无故障试验可以验证产品的MBTF指标达到规定的最低可接收值。MTBF保证试验可以应用于批生产产品，也可应用于小子样甚至单台套的研制产品。

只要有较充分的把握确定了产品MBTF最低可接收值(经过可靠性鉴定试验或精确的可靠性预计)，并通过了产品的环境应力筛选(ESS)，就可采用修正的MTBF保证试验方法验证产品的可靠性指标。

         目前，我国船舶行业许多研究所都开展了MTBF保证试验，如据有关文献报道，已有一百台套以上舰船设备已采用MTBF保证试验作为产品可靠性验收试验。只要产品经过可靠性鉴定试验或可靠性评定，并通过了产品的环境应力筛选(ESS)，就可以采用MTBF保证试验，作为一种经济有效的试验方法，值得在电子、机电、机械产品验收中予以研究推广和应用。