一、MTBF的定义

MTBF平均无故障工作时间，英文全称是“Mean Time Between Failure”。它是衡量一个产品的可靠性指标。单位为“小时”。反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体来说，是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔 。一个产品，故障越少，可靠性越高，产品的故障总数与寿命单位总数之比叫“故障率”（Failure rate）。

当产品的寿命服从指数分布时，其故障率的倒数就叫做平均故障间隔时间。也就是MTBF=1/λ(λ为故障率）。

例如某产品的MTBF为22万小时。22万小时约为25年，并不是说产品能工作25年不出故障。因为MTBF=1/λ, 所以可以计算出故障率λ=1/MTBF=1/25=4%,即产品的平均年故障率为4%，一年内，平均100台产品会有4台出故障。

二、MTBF分析的目的

1、针对高频率故障零件的重点对策及零件寿命延长的技术改造依据。

2、进行零件寿命周期的推算及最佳维修计划编制。

3、有关点检对象、项目的选择与点检基准的设定、改善。

4、用于指导内外部维修工作分配。根据公司内设备修复能力的评价，以设备类型、作业种类的不同来决定内部分别承担工作的维修质量与设备效率方面的风险，作为维修外包的重要参考。

5、设定备品备件基准。机械、电气零件的各储备项目及基本库存数量，应根据MTBF的记录分析来判断，使其库存水平达到最经济的状况。

6、作为选择维修技术方法改善重点的参考依据。为了提高设备开动率，必须缩短与设备停机相关的长时间维修作业及工程调整、切换的时间。因此，有必要对维护作业方法进行检验，而其检验的项目、优先顺序的选择等基本情况，均需要依据MTBF的分析记录表。

7、用于设备对象设定预估运行时间标准，及其维护作业的选定与维护时间标准的研究。维修计划预估时间标准的设定及维护作业的选定，必须考虑设备维护重复周期或标准时间值与实际维护时间的差异及相应维护作业特性等因素，因此，MTBF分析表是非常必要的。

8、图样整理及重新选定重点设备或零件时的参考。MTBF的分析记录表所记录的设备零件改造项目或摩擦劣化等信息，以及设备图样修改或前期制作等情况，通过能经常作分析检验及重要性排序管理，可以使工程图样管理变得更容易。

9、运行操作标准的设定、修订及决定设备维护业务的责任分派。

10、提供设备的可靠性、可维修性设计的技术资料。维护技术最重要的是以MTBF分析表为基础，收集有关设备的可靠性、可维修性设计的技术信息，以便提供给设计部门在设计设备时参考。

三、MTBF的计算

假设一个可修复的产品在使用的过程中，共发生过N次故障，每次故障后经过修复后继续投入使用，其工作时间分别为：t1，t2，t3.....tN,那么该产品的平均故障时间就是T=（t1+t2+t3+.....+tN）/N。

通常,我们在产品的手册或包装上能够看到这个MTBF值,如3万小时,那么,MTBF的数值是怎样算出来的呢？假设一台电脑的MTBF为3万小时,是不是把这台电脑连续运行3万小时检测出来的呢?

答案是否定的。目前，计算一款产品的MTBF，通常有两种方法：

1、传统的可靠性预计方法

传统可靠性预计方法在工程实践中方便易行,见效快,从而在各个国家被广泛推广,发展迅速。目前最通用的权威性标准是ML-HDBK-217、GJB/Z2998和 Bellcore,分別用于车工产品和民用产品。其中,MIL-HDBK-217是由美国国防部可靠性分析中心及Rome实室提出井成为行业标准,专用于军工产品MTBF值计算；GJB/Z2998是我国军用标准;而 Bellcore是由AT&TBell实验室提出并成为商用电子产品MTBF值计算的行业标准。

传统的可靠性预计中主要考虑的是产品中每个器件的失效率，一个产品的失效率由组成该产品的各个元器件或模块来决定。但由于器件在不同的环境、不同的使用条件下其失效率会有很大的区別,例如,同一产品在不同的环境下,如在内地地区和海洋平台上,其可靠性值肯定是不同的;又如一个额定电压为16V的电容在实际电压为25V和5V下的失效率肯定是不同的。所以,在计算可靠性指标时,必须考虑上述多种因素。但上述这些因素,几乎无法通过人工进行计算,必须借助于软件如MTBFCAL软件和其庞大的参数库来得到。

2、可靠性加速模型

寿命试验是基本的可靠性试验方法，在正常工作条件下，常常采用寿命试验方法去评估产品的各种可靠性特征。但是这种方法对寿命特别长的产品来说，不是一种合适的方法。因为它需要花费很长的试验时间，甚至来不及作完寿命试验，新的产品又设计出来，老产品就要被淘汰了。因此，在寿命试验的基础上形成的加大应力、缩短时间的加速寿命试验方法逐渐取代了常规的寿命试验方法。

加速寿命试验是用加大试验应力（诸如热应力、电应力、机械应力等）的方法，激发产品在短时间内产生跟正常应力水平下相同的失效，缩短试验周期。然后运用加速寿命模型，评估产品在正常工作应力下的可靠性特征。加速环境试验是近年来快速发展的一项可靠性试验技术。该技术突破了传统可靠性试验的技术思路，将激发的试验机制引入到可靠性试验，可以大大缩短试验时间，提高试验效率，降低试验耗损。

元器件的寿命与应力之间的关系，通常是以一定的物理模型为依据的，下面简单介绍一下常用的几个物理模型。

1）失效率模型

失效率模型是将失效率曲线划分为早期失效、随机失效和磨损失效三个阶段，并将每个阶段的产品失效机理与其失效率相联系起来，形成浴盆曲线。该模型的主要应用表现为通过环境应力筛选试验，剔除早期失效的产品，提高出厂产品的可靠性。

2）应力与强度模型

该模型研究实际环境应力与产品所能承受的强度的关系。

应力与强度均为随机变量，因此，产品的失效与否将决定于应力分布和强度分布。随着时间的推移，产品的强度分布将逐渐发生变化，如果应力分布与强度分布一旦发生了干预，产品就会出现失效。因此，研究应力与强度模型对了解产品的环境适应能力是很重要的。

3）最弱链条模型

最弱链条模型是基于元器件的失效是发生在构成元器件的诸因素中最薄弱的部位这一事实而提出来的。

该模型对于研究电子产品在高温下发生的失效最为有效，因为这类失效正是由于元器件内部潜在的微观缺陷和污染，在经过制造和使用后而逐渐显露出来的。暴露最显著、最迅速的地方，就是最薄弱的地方，也是最先失效的地方。

4）反应速度模型

该模型认为元器件的失效是由于微观的分子与原子结构发生了物理或化学的变化而引起的，从而导致在产品特性参数上的退化，当这种退化超过了某一界限，就发生失效，主要模型有Arrhenius模型和Eyring模型等。

决定电气产品整机的寿命环境因素一般主要为温度和湿度，实验室通常采用最弱链条的失效模型，通过提高试验温度和湿度来考核产品的使用寿命。

通过Arrhenius 模型以及Hallberg和Peck模型模型来确定产品的加速因子。加速因子表达式为：AF=exp{(Ea/k)*[(1/Tu)-(1/Ts)]+ (RHs^n-RHu^n)}

其中：Ea：激活能（eV，电子产品一般选择0.65eV）

K：玻尔兹曼常数，等于8.6*10-5ev

T：绝对温度（开尔文温度）

Tu：产品正常使用时的温度

Ts：加速实验时的温度

RHs：测试时的湿度

RHs：产品正常使用时的湿度

n为湿度的加速率常数，不同的失效类型对应不同的值，一般介于2～3之间。

通过提高测试温度和湿度，按照上述公式确定加速因子，根据产品需求的MTBF，来计算测试时间。