1　環(huán)境可靠性試驗(yàn)簡要回顧

　　現(xiàn)代社會(huì)隨著競爭的發(fā)展與深化，市場對產(chǎn)品的要求也越來越高，物既要美，價(jià)亦要廉，

作為產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性保障重要手段的環(huán)境可靠性試驗(yàn)也相應(yīng)地得到不斷的發(fā)展。

 

1.1　環(huán)境模擬試驗(yàn)

　　早在1940年代美國就對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開始采用單因素環(huán)境的研制試驗(yàn)與鑒定試驗(yàn)，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量與可靠性[1]。至70年代發(fā)展到采用綜合環(huán)境可靠性試驗(yàn)CERT 和任務(wù)剖面試驗(yàn)。為檢驗(yàn)工藝則采用不帶設(shè)計(jì)余度的驗(yàn)收試驗(yàn)。

　　隨著環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展與成熟，各政府部門及軍兵種相繼頒布了一系列的國標(biāo)、軍標(biāo)，以嚴(yán)格的法規(guī)形式來保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，其中zui有代表性的如環(huán)境模擬試驗(yàn)軍標(biāo)MIL-STD-810，可靠性試驗(yàn)軍標(biāo)MIL-STD-781和空間飛行器試驗(yàn)軍標(biāo)MIL-STD-1540以及它們的修訂版，具體產(chǎn)品型號則根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)與型號的特點(diǎn)制訂詳細(xì)的試驗(yàn)大綱。長期以來環(huán)境模擬試驗(yàn)便成為保障產(chǎn)品可靠性主要手段。

　　該技術(shù)的特點(diǎn)是:模擬真實(shí)環(huán)境，加上設(shè)計(jì)裕度，確保試驗(yàn)過關(guān)。因此，環(huán)境模擬的真實(shí)程度和設(shè)計(jì)裕度的大小便成為兩個(gè)關(guān)鍵的因素，要提高可靠性就必須對環(huán)境進(jìn)行更的模擬和加大設(shè)計(jì)裕度，但這樣一來便使難度增大，周期拖長和增大成本。

　　這種方法的不足之處是對設(shè)計(jì)和工藝缺陷未作專門處理，只分別通過鑒定試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)解決，因此潛在缺陷殘留量仍不少，隨時(shí)都可能在外場使用時(shí)出現(xiàn)故障，可靠性的增長靠自然反饋緩慢地實(shí)現(xiàn)，這時(shí)木已成舟，留給設(shè)計(jì)修改的時(shí)間與空間都極其有限，從而使市場競爭的優(yōu)勢大為降低。

 

1.2　環(huán)境應(yīng)力激發(fā)試驗(yàn)

　　激發(fā)試驗(yàn)Stimulation與模擬試驗(yàn)Simulation的思路相反， 它是用人為的施加環(huán)境應(yīng)力的方法，快速激出并清除產(chǎn)品的潛在缺陷來達(dá)到提高可靠性的目的，因此試驗(yàn)時(shí)不僅不求獲得通過，反而求激出潛在缺陷越多越好，這一思路雖早為人知，但發(fā)展卻比模擬試驗(yàn)慢得多。

　　早在50年代的老化試驗(yàn)便是激發(fā)試驗(yàn)的zui初形式，所加應(yīng)力有高溫、溫度循環(huán)和溫度沖擊等，至70年代后發(fā)展成當(dāng)今廣義的環(huán)境應(yīng)力篩選。由于試驗(yàn)的目的是激發(fā)、清除缺陷，故所加應(yīng)力不必模擬真實(shí)環(huán)境，只要激發(fā)的效率越高越好，這樣一來試驗(yàn)就簡單多了，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)至今*為zui基本zui有效的應(yīng)力是高溫變率的溫度循環(huán)和寬帶隨機(jī)振動(dòng)。

　　這里應(yīng)著重指出的是自從1979年美國*頒布了*生產(chǎn)篩選大綱NAVMAT P-9492后收到了驚人的效果，產(chǎn)品可靠性獲得上倍的提高，1982年美國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)又頒發(fā)了指導(dǎo)性文件《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南》使應(yīng)力篩選進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。在此期間發(fā)表了大量的文獻(xiàn)，其中有人也試圖用“軍標(biāo)”的形式來加速這一技術(shù)的發(fā)展，但這種嘗試是錯(cuò)誤的也是極其有害的，極易把問題搞混淆，重新把問題拉回到“模擬”的軌道，把“激發(fā)缺陷”又變成“試驗(yàn)通過”。因?yàn)?ldquo;獲得通過”有時(shí)是由于篩選方案不當(dāng)或應(yīng)力量級太小所致，而產(chǎn)品的可靠性并未獲得真正的提高，故應(yīng)力篩選只能用“指南”的形式執(zhí)行，不同的缺陷類型和不同的失效機(jī)理必須使用不同的篩選方案而無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可言。

　　要強(qiáng)調(diào)的另一點(diǎn)是當(dāng)今的應(yīng)力篩選方法都是在設(shè)計(jì)無缺陷的前提下針對生產(chǎn)過程的缺陷的，實(shí)際上設(shè)計(jì)缺陷除用鑒定試驗(yàn)外并無其它專門的方法檢測和清除，因此專門研究設(shè)計(jì)缺陷的排除以提高產(chǎn)品的可靠性仍有很大的潛力可挖，這就是本文點(diǎn)評的重點(diǎn)。

 

2　　可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)RET的興起與發(fā)展

　　80年代初就在應(yīng)力篩選迅速發(fā)展的同時(shí)，人們就已經(jīng)注意到由于設(shè)計(jì)潛在缺陷的殘留量仍不少，為可靠性的提高提供了可觀的空間，另外，還有價(jià)格和研制周期問題，這是當(dāng)今動(dòng)態(tài)市場競爭的焦點(diǎn)，實(shí)踐證明可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)正是綜合解決這一問題的方法。從圖1中可以清楚地看到[2]:RET獲得的可靠性比傳統(tǒng)方法高得多，更可貴的是RET在短時(shí)間內(nèi)就獲得早期高可靠性，無需像傳統(tǒng)法那樣需長時(shí)間的可靠性增長，從而也降低了成本。

　　zui先從事這方面工作稱得上者的是G.K. Hobbs,K.A. Gray和L.W. Condra等人，他們稱這種試驗(yàn)為高加速壽命試驗(yàn)HALT和高加速應(yīng)力篩選HASS，前者針對設(shè)計(jì)，后者針對生產(chǎn)，方法的核心是施加大應(yīng)力，一步步地加，一次次地排除缺陷，故也叫步進(jìn)應(yīng)力法,以此獲得高可靠性，從80年代末至90年代初，相繼在各工業(yè)部門推廣應(yīng)用，無一例外地取得了很大的成功，由于商業(yè)競爭與軍工保密的原因至今許多重大成果仍未解密發(fā)表。連名稱也尚未統(tǒng)一，有的叫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)Step Stress,高加速壽命試驗(yàn)HALT，應(yīng)力壽命試驗(yàn)STRIFE，應(yīng)力裕度和強(qiáng)壯試驗(yàn)SMART和可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)RET等等，波音公司把RET當(dāng)作這一試驗(yàn)技術(shù)的統(tǒng)稱是較為合理的，因?yàn)樗怀隽藦?qiáng)化試驗(yàn)的特點(diǎn)。

　　RET得到迅速發(fā)展的原因還在于90年代市場可靠性觀念的更新和關(guān)鍵技術(shù)的突破。

　　L．Condra在其系列論文中說[3]，美國生產(chǎn)廠家在80年代認(rèn)識質(zhì)量的重要性，深知市場只接受質(zhì)高價(jià)廉的產(chǎn)品，到90年代又認(rèn)識到可靠性的重要性，深知市場對產(chǎn)品不僅要求高的開箱率，而且要求在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)確保性能良好不變。這是新一輪對可靠性的挑戰(zhàn)，而RET正是滿足這一挑戰(zhàn)的方法。

　　Condra指出按傳統(tǒng)的可靠性定義去應(yīng)付瞬息萬變的動(dòng)態(tài)市場顯得太被動(dòng)了，廠家只對用戶的條件規(guī)范負(fù)責(zé)，不對產(chǎn)品的使用負(fù)責(zé)必然導(dǎo)致在市場中的失敗。于是90年代的一種進(jìn)取性的市場可靠性定義便應(yīng)時(shí)而生:

　　一種可靠的產(chǎn)品應(yīng)隨時(shí)都能完成用戶需其完成的任何任務(wù)。這樣一來，廠家便變被動(dòng)為主動(dòng)，了解用戶對產(chǎn)品的要求，關(guān)注市場的發(fā)展，不斷改進(jìn)更新產(chǎn)品，以上乘的質(zhì)量可靠性換取不斷擴(kuò)大的市場占有份額，獲取豐厚的利潤回報(bào)，因此可靠性便不再是一種成本負(fù)擔(dān)，相反可靠性正是商家追求的一種資產(chǎn)、一種財(cái)富。

　　但是，傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)既極費(fèi)錢又極費(fèi)時(shí)，必須要開發(fā)一種新的經(jīng)濟(jì)有效的替代法來適應(yīng)這一需求，這便是RET法。RET技術(shù)的理論依據(jù)是故障物理學(xué)Physics of failure,把故障或失效當(dāng)作研究的主要對象，通過發(fā)現(xiàn)、 研究和*故障達(dá)到提高可靠性的目的。對當(dāng)今高度復(fù)雜的電子或機(jī)電產(chǎn)品，要發(fā)現(xiàn)潛在故障非易事，特別是一些“潛伏”極深的或間歇性故障，必須采用強(qiáng)化應(yīng)力的方法強(qiáng)迫其暴露，實(shí)踐證明RET法效果顯著。

 

Gregg K.Hobbs曾就強(qiáng)化應(yīng)力的效果問題設(shè)計(jì)了一種金屬試件， 對疲勞壽命進(jìn)行了研究[4],發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度增加1培時(shí)，疲勞壽命降低為1/1000，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)振動(dòng)引起的失效就屬這一類型，除了施加強(qiáng)化應(yīng)力外，由于有缺陷產(chǎn)品的應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)2--3倍，從而使疲勞壽命相應(yīng)降低好幾個(gè)數(shù)量級，這樣就使產(chǎn)品內(nèi)的有缺陷組件與無缺陷組件在相同的強(qiáng)化應(yīng)力下疲勞壽命拉大了擋次，使缺陷迅速暴露的同時(shí)無缺陷組件損傷甚小，這一理想的效應(yīng)正是我們所需要的。

　　對于溫度循環(huán)則屬熱疲勞性質(zhì)，S.Smithson在《效率與經(jīng)濟(jì)性》一文中[5]也給出了類似的效果，若以兩個(gè)不同的溫變率為例，一個(gè)5℃/min,另一個(gè)強(qiáng)化到40℃/min，則它們的疲勞壽命效率比為4400∶1，對其它溫變率的情況見下表:

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溫變率℃/min　　5　　　　10　　　15　　　20　　　30　　 40

循環(huán)數(shù)　　　　　400　　　55　　　17　　　7　　　 2.2 1

min/每循環(huán)         66                  33              22           16.5       11 8

總時(shí)間 h             440            30 6 1.9 0.4 0.1

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根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看到RET的綜合效果是:大幅提高可靠性，高度壓縮時(shí)間，從而也降低了成本。

 

要實(shí)施強(qiáng)化應(yīng)力必須要有相應(yīng)和設(shè)備，沿用傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行RET也能取得某種程度的成功，但由于現(xiàn)有溫箱的溫變率偏低，多在5～10℃左右，振動(dòng)臺(tái)只有單軸臺(tái)，試驗(yàn)時(shí)需換向，價(jià)格也貴，無法滿足RET的要求。因此， 一種嶄新的價(jià)廉設(shè)備的應(yīng)時(shí)推出配合了RET技術(shù)的發(fā)展，新設(shè)備由高溫變率溫箱和氣動(dòng)式3軸6自由度6DOF 振動(dòng)臺(tái)組成，高溫變率用液氮致冷取得，這本非新技術(shù)，但由于過去人們誤對液氮成本過高的擔(dān)心，致使長期被擱淺，現(xiàn)經(jīng)全面比較， 因RET的率的時(shí)間和高壓縮而反使成本有所降低，從而得以確認(rèn)使用。

　　6DOF臺(tái)由氣動(dòng)反復(fù)沖擊機(jī)發(fā)展而成，該機(jī)原用于模擬炮射沖擊環(huán)境， 因其有6自由度空間和價(jià)廉的特點(diǎn)，被看中用來改裝模擬隨機(jī)振動(dòng)，經(jīng)過不斷的改進(jìn)發(fā)展獲成功，關(guān)鍵技術(shù)主要有二，一是錘頭擊打頻率f=30～50Hz和錘頭擊打力度可隨機(jī)調(diào)制通過沖程，這樣由若干個(gè)錘頭和一個(gè)臺(tái)面構(gòu)成的氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)便可產(chǎn)生一種非高斯型的準(zhǔn)隨機(jī)激勵(lì)。二是累積疲勞系數(shù)AFF分析方法在該類激勵(lì)的成功應(yīng)用。根據(jù)G.Henderson引用Lambert,R.G.的研究成果[6]，累積疲勞損傷主要由大于2σ的應(yīng)力峰所造成，而6DOF臺(tái)具有豐富的遠(yuǎn)大于2σ的峰值概率分布，故具有*的激發(fā)缺陷的能力，根據(jù)對AFF的計(jì)算結(jié)果，6DOF臺(tái)的效率與單軸振動(dòng)臺(tái)比為2114∶1。

原擔(dān)心作為6DOF臺(tái)的缺點(diǎn)的試驗(yàn)均勻性和重復(fù)性問題，經(jīng)G. Hobbs和惠普公司等進(jìn)行了長達(dá)一年多的試驗(yàn)研究也得到了很好的解決。

3　　可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)

3.1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)RET的目的

　　RET是故障防治策略中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與應(yīng)力篩選針對生產(chǎn)缺陷不同， 它的目標(biāo)主要針對設(shè)計(jì)缺陷或設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，旨在通過強(qiáng)化試驗(yàn)手段查找設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，分析原因，采取改進(jìn)措施，*排除，不許重現(xiàn)，以獲預(yù)期的設(shè)計(jì)高可靠性。 RET在設(shè)計(jì)完成后但未投產(chǎn)前進(jìn)行。

 

3.2　RET的內(nèi)容與應(yīng)力參數(shù)

　　RET包括步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)。應(yīng)力參數(shù)以溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)為基礎(chǔ)， 根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)再酌增工作應(yīng)力電應(yīng)力或其他應(yīng)力如加濕。

　　應(yīng)力量級按步長逐步遞增，直到遠(yuǎn)超出規(guī)范范圍甚至達(dá)到破壞極限。以下參數(shù)供選用參考:

　　溫度循環(huán)

　　　　溫　度　范　圍:　高低溫步長各10～15℃，至zui大為-60～+125℃

　　　　溫　　變　　率:　步長2～3℃/min,至zui大30℃/min

端點(diǎn)保溫時(shí)　間:　～10min

　　　　在保溫段同時(shí)進(jìn)行通、斷電試驗(yàn)。

　　隨機(jī)振動(dòng)3軸6自由度

　　　　頻　率　范　圍:　5～5000Hz

振　動(dòng)　量　級:　步長2～3ｇRMS,從2起至28ｇRMS

　　　　振　動(dòng)　時(shí)　間:　每步～10min

　　結(jié)束試驗(yàn)的原則:

　　　　1至破壞極限，

　　　　2根據(jù)對設(shè)計(jì)余度的要求確定，

　　　　3出現(xiàn)非正常失效，如材料熔化。

 

 

 

3.3 強(qiáng)化應(yīng)力篩選

 

　　強(qiáng)化應(yīng)力篩選的目的與傳統(tǒng)的應(yīng)力篩選相同，是針對生產(chǎn)過程的工藝和元器件缺陷，但所用的應(yīng)力量級要大，根據(jù)RET的結(jié)果即破壞極限來確定，以下參數(shù)供選用參考:

　　溫度循環(huán):端點(diǎn)溫度取破壞極限的～80%;

隨機(jī)振動(dòng):取破壞極限的50%或更低一些；

　　篩選方案驗(yàn)證:旨在驗(yàn)證該方案的合理性，即快又*地激出缺陷， 但又不損傷好的硬件。做法為選取至少3個(gè)樣件，每個(gè)樣件反復(fù)試驗(yàn)10～20次，以不再出現(xiàn)故障為準(zhǔn)。

 

4　　關(guān)于ＲＥＴ技術(shù)的應(yīng)用與展望　

　　在民用產(chǎn)品方面已成功地應(yīng)用在通訊、電子、電腦、能源、汽車等工業(yè)部門。這類產(chǎn)品的可靠性增長過去主要靠用戶的自然反饋信息進(jìn)行，周期長、更新?lián)Q代慢，因此，RT主要被用于新產(chǎn)品的開發(fā)和老產(chǎn)品改型中關(guān)鍵部件的改進(jìn)以及預(yù)先研究。例如有名的福特汽車和惠普公司就是使用RET技術(shù)獲得產(chǎn)品的高可靠性和快速更新?lián)Q代的。

　　由于民用產(chǎn)品類別繁多，性能要求各異，在使用該技術(shù)時(shí)需靈活掌握，應(yīng)力量級可高可低，以獲得所需的可靠性、成本和周期的綜合優(yōu)化值，在排除設(shè)計(jì)、工藝缺陷時(shí)，既可分別處理，也可綜合處理，視要求而定。十幾年來這一技術(shù)是在應(yīng)力篩選的統(tǒng)稱下發(fā)展起來的，因而學(xué)科上形成了一個(gè)新的分支，叫商用應(yīng)力篩選CSS。可以斷言，RET技術(shù)將成為民用產(chǎn)品創(chuàng)造的重要手段。

　　在軍工、航空、航天方面的應(yīng)用要晚一些，近幾年來應(yīng)用越來越多，發(fā)展也快。航空方面波音公司已于1994年在波音-777飛機(jī)上應(yīng)用，獲得了成功。接著計(jì)劃在波音-737新一代應(yīng)用。航天方面參加1995年11月波音公司召開的故障防治策研討會(huì)就有9家，其中Allied Signal Aerospace和Olin Aerospace 公司就是選用TVC-9試驗(yàn)系統(tǒng)作這類試驗(yàn)的。據(jù)CHI　Systems公司透露，在航天工業(yè)有時(shí)也采用RET技術(shù)做衛(wèi)星整星或?qū)梻}段試驗(yàn)，但必須將激振錘安裝到結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定部位上，以形成一種分布式激勵(lì)系統(tǒng)。

由于航天航空產(chǎn)品對可靠性要求高，因此必須把RET與模擬試驗(yàn)結(jié)合起來，用RET技術(shù)獲得大的設(shè)計(jì)余度，確保高可靠性，用模擬技術(shù)按“軍標(biāo)”或“國標(biāo)”規(guī)定的條件進(jìn)行鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，以確認(rèn)設(shè)計(jì)可靠性和驗(yàn)收產(chǎn)品。

　　有越來越多的實(shí)踐證明，經(jīng)RET和強(qiáng)化應(yīng)力篩選的產(chǎn)品已獲得足夠高的可靠性， 往往使鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)變成一種形式或橡皮圖章。由此，我們有理由斷言，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，RET技術(shù)與模擬技術(shù)必然朝著相輔相成、取長補(bǔ)短、互相滲透、簡化取代以獲取可靠性、經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度三者的zui隹綜合效益的方面發(fā)展。

 

參考文獻(xiàn)

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5 Stephen A Smithson. EffectivenessEconomics ardsticls for ESS Decisions. Proceedings ES 1990

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