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【質量與可靠性學堂】可靠性強化試驗技術發展與争議
點擊次數:851 發布時間:2017-10-13
  随着軍用電子産品越來越複雜,使用環境越來越嚴酷,對産品質量的要求也越來越高。為了提高電子産品的可靠性,内場(實驗室)可靠性試驗越來越被國外可靠性工程界所重視。随着軍用電子産品在研制階段的環境應力篩選、可靠性增長、可靠性鑒定等試驗技術發展和日趨成熟,為了減少試驗費用,必須研究新的試驗技術和方法。90年代初,美國波音公司考慮到市場競争的需求,為了減少産品研制費用,并在産品研制早期能得到高可靠性的産品,提出了可靠性強化試驗(Reliability Enhancement Testing, 縮寫為RET)。
  可靠性試驗技術的研究和發展
  當前,國外可靠性試驗技術發展動向主要表現在從電子設備走向機電設備(美國人稱為M/E-M設備),從單個系統(設備)走向M/E-M複雜系統的綜合試驗,從傳統的可靠性模拟(Simulation)試驗走向可靠性激發(stimulation)試驗。
  1、從電子設備走向M/E-M設備
  通過近幾十年的工程實驗,電子産品可靠性試驗技術已趨成熟,與此相應M/E-M産品由于種類繁多,故障分布各異,敏感的應力不固定及小樣本大風險等因素給可靠性驗證試驗技術的研究帶來很大的困難。國外已經從80年代開始研究解決這類問題。例如,由美國、英國、加拿大、澳大利亞和新西蘭為成員的技術合作計劃(TTCP)委員會從80年代初開始就着手研究M/E-M産品的可靠性技術問題。再如,美國國防部聯合後勤指揮組(JLC)下設的可靠性、有效性和維修性(JTCC-RAM)組已被授權調研機械/電-機(M/E-M)設備可靠性試驗技術的現狀,并研究對策以協助軍事計劃管理人員制訂能夠承受的非電子設備可靠性試驗計劃。
  2、從單一系統走向M/E-M複雜系統的綜合試驗
  由于現代高科技武器裝備研制的需求,國外近年來非常重視大系統的地面綜合試驗(包括性能與可靠性綜合試驗),尤其是M/E-M複雜系統的綜合試驗。這樣不僅可以減少外場試驗的費用,縮短進度和降低風險,而且可以充分暴露系統中各種機械、液壓、電子電氣等各類産品之間的接口、數據傳輸、通訊及幹擾影響等缺陷。它比單一産品試驗,可以獲得高置信度的系統可靠性。如美國空軍和波音飛機公司都分别為F-22和波音777建立了地面各種性能和可靠性綜合實驗室。美國海軍武器中心具有容積65m3的溫度-濕度-振動-高度四綜合試驗系統,美國空軍早在80年代就開始研究各種飛機使用的标準慣性導航這類精密複雜機電一體化系統的可靠性試驗技術。
  3、從傳統的可靠性模拟試驗走向可靠性激發試驗
  從50年代初,美國就對軍工産品開始采用單環境應力模拟的研制試驗與鑒定試驗以檢驗産品的設計質量和可靠性。從70年代開始發展到采用綜合環境應力模拟可靠性試驗并在試驗中要模拟任務剖面中的主要環境應力。随着可靠性模拟試驗的日趨發展,美國國防部從1963年開始頒發了一系列可靠性模拟試驗的标準。如1963年頒發的美軍标MIL-STD-781及随後又進行了不斷的修改和充實完善的MIL-STD-781A、MIL-STD-781B、MIL-STD-781C、MIL-STD-781D,再如空間飛行器試驗标準MIL-STD-1540以及它們的修訂版。長期以來,傳統的環境模拟可靠性試驗标準一直是美國為保障軍工産品可靠性而實施的主要試驗手段。
  傳統環境模拟可靠性試驗的特點是,盡可能地模拟任務剖面的真實環境,而且是典型的真實環境,再加上設計裕度來确保産品的可靠性。研制階段的可靠性增長試驗,也是模拟典型的真實環境。因此,環境模拟的真實程度和設計裕度的大小便成為兩個關鍵的因素。要提高可靠性就必須對環境進行更的模拟和提高設計裕度,但往往在産品的設計階段更的模拟真實環境根本不可能,而提高設計裕度又增大成本。另外,可靠性鑒定試驗是考核産品可靠性設計指标是否達到,有"通過"和"不通過"問題,既使暴露設計缺陷,由于鑒定試驗是在産品設計定型時完成,已經沒有重大修改的時間,潛在的缺陷仍然殘量不少,随時都可能在外場使用時暴露并引起故障。
  激發試驗與環境模拟可靠性試驗的思路相反,它是用人為施加環境應力的方法,加速激發産品潛在的缺陷來達到提高可靠性的目的。因此,試驗時不考核是否"通過",激發出的潛在缺陷越徹底越好。
  國外zui初的激發試驗是50~60年代的老化(老煉)試驗,所施加的環境應力有高溫、高低溫循環和溫度沖擊等。70年代後發展為當今的環境應力篩選。1979年美國海軍頒布了海軍生産篩選大綱NAVMAT P-9492,使環境應力篩選方法上了一個新台階,并收到了很好的效果。1982年美國環境科學學會又頒發了指導性文件《電子産品環境應力篩選指南》,使應力篩選進入了一個蓬勃發展的時期。在此同時,美國國防部還頒發了通用标準,如MIL-STD-2164《電子産品環境應力篩選方法》、MIL-HDBK-344《環境應力篩選手冊》等,使應力篩選進入一個更規範發展的階段。
  80年代初,在應力篩選迅速發展的同時,人們已經注意到環境應力篩選方法并不足以暴露産品設計缺陷,主要是剔除生産工藝過程缺陷,這為産品可靠性的提高提供了可觀的空間。尤其是東西方冷戰結束後,世界性裁軍和削減國防預算又帶來價格和研制周期問題,也就是全壽命周期費用問題。可靠性強化試驗就是在這種背景下脫穎而出的。實踐證明,可靠性強化試驗正是綜合解決這一問題的好方法。
  美國G.K.Hobps,K.A.Gray和L.W.Condra等人是zui早從事這方面研究的幾位專家。他們曾經稱這種試驗為高加速壽命試驗(HALT)和高加速應力篩選(HASS),前者是針對設計,後者是針對生産過程。這種方法的核心是不模拟真實環境,大大超出設計規範所允許的極限,而且是一步步地加,逐步排除缺陷,故又叫步進應力(Step Stree)方法。從加速可靠性試驗觀點出發,可靠性強化試驗(RET)是加速壽命試驗(ALT)和環境應力篩選(ESS)之後的第三種加速可靠性試驗。可靠性強化試驗的使用與目的性,目前國際上尚未取得廣泛的一緻。事實上,對這種試驗的目的性目前還沒有統一看法,以緻于對于這種試驗也有幾種不同的叫法,如步進應力(Step Stress)、應力壽命及強加速壽命試驗(HALT)等。這種方法從80年代末至90年代初,相繼在各工業部門推廣應用,并取得很大成功。由于美國波音公司應用zui好,影響也大,并且使用可靠性強化試驗(RET),後來人們逐漸習慣接受了這一術語。
  可靠性強化試驗技術引起可靠性觀念争議
  可靠性強化試驗的目的是通過系統的施加逐漸增大的環境應力和工作應力,來激發故障和暴露設計中的薄弱環節,從而評價産品設計可靠性。可見,可靠性強化試驗有如下技術特點:
  a、可靠性強化試驗施加環境應力和工作應力是變化的,且是遞增的,可見它是一種加速試驗;
  b、既然主要目的是查明和排除設計中的薄弱環節,評價産品設計可靠性,那麼因制造(工藝)缺陷所造成的自然被看成是不相關的,不是主要目的(制造缺陷主要靠環境應力篩選);
  c、為了試驗的有效性,可靠性強化試驗必須在能夠代表設計、元件、材料和生産中所使用的制造工藝都已落實的樣件上進行,并且應盡早進行,以便修改設計;
  d、可靠性強化試驗是在超出規範極限以外進行并且快速(加速)進行,這也是可靠性強化試驗與傳統的可靠性試驗方法顯著不同的特點之一。
  從可靠性強化試驗的技術特點可見,研究可靠性強化試驗的意義是,如果在産品設計和開發階段适當的規劃和實施可靠性強化試驗,可以使産品制造者确保得到早期高可靠性,并且已經知道*件産品具有"成熟的可靠性",可以使産品的設計者和制造者從中獲得可用于改進産品zui快和zui确切的信息,可以确定環境應力篩選(ESS)的應力量級,可以使鑒定試驗的故障減少到zui低程度,從而使鑒定試驗以及可靠性驗證工作變為隻是一種形式而已。
  鑒于以上技術特點,可靠性強化試驗技術引起了可靠性工程界對傳統可靠性觀念的争議。美國可靠性專家L.W.Condra認為,美國制造商在80年代認識到質量的重要性,深知市場隻接受質高價廉的産品,到90年代又認識到可靠性的重要性,深知市場對産品不僅要求高的開箱率,而且要求在設計壽命期内确保性能良好不變。這是新一輪對可靠性的挑戰,而可靠性強化試驗正是為滿足這一挑戰而發展起來的試驗技術。
  Condra還指出,按傳統的可靠性定義去應付瞬息萬變的動态市場已經顯得太被動了,制造商隻對用戶的條件(規範)負責,不對産品的使用負責,必然導緻在市場競争中的失敗。于是近幾年一種進取性的為市場競争需求的可靠性定義便提出來了。
  "一種可靠的産品應随時都能完成用戶需其完成的任何任務。"
  對于這種為了市場競争的需求而提出的可靠性定義是否正确,還需要進一步科學論證和理論推敲,但就學術上由可靠性強化試驗技術的研究和迅猛發展而引起可靠性觀念的争議應該引起質量與可靠性研究者的注意和重視。同時,該觀點的提出,對産品可靠性提出了更高的要求。制造商隻有深入了解用戶對産品的要求,關注市場的發展,生産的産品不僅能達到用戶提出的技術規範條件,還必須滿足用戶需要該産品所能完成的任何任務,除非達到了該産品的破壞極限。
  由于可靠性強化試驗技術的理論依據是故障物理學(Physics of failure),它把故障或失效當作研究的主要對象,通過發現、研究和根治故障達到提高可靠性的目的。對當今高技術和高複雜度的電子或機電産品要發現潛在的故障并不易,特别是一些"潛伏"極深的或不易根除的間歇故障,必須采用加大應力的方法使其暴露。因此,從故障防治策略來講,可靠性強化試驗的理論依據是科學的。國外實踐證明,可靠性強化試驗方法效果是顯著的。這也是可靠性強化試驗逐漸蓬勃發展起來的主要原因。
  當前,可靠性強化試驗技術還在不斷的發展。随着科學的迅猛發展,經驗的積累,可靠性強化試驗技術會不斷地完善。同時,可靠性強化試驗技術與傳統的可靠性模拟試驗技術也必然朝着相輔相成、取長補短、互相滲透以獲取産品的高可靠性、zui佳費/效比的方向發展。
 
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