1 環(huán)境可靠性試驗(yàn)簡(jiǎn)要回顧
現(xiàn)代社會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)展與深化，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的要求也越來(lái)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(guó)就對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)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(mén)及軍兵種相繼頒布了一系列的國(guó)標(biāo)、軍標(biāo)，以嚴(yán)格的法規(guī)形式來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，其中*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(hào)則根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)與型號(hào)的特點(diǎn)制訂詳細(xì)的試驗(yàn)大綱。長(zhǎng)期以來(lái)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(guò)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(duì)環(huán)境進(jìn)行更**的模擬和加大設(shè)計(jì)裕度，但這樣一來(lái)便使難度增大，周期拖長(zhǎng)和增大成本。
這種方法的不足之處是對(duì)設(shè)計(jì)和工藝缺陷未作專門(mén)處理，只分別通過(guò)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(chǎng)使用時(shí)出現(xiàn)故障，可靠性的增長(zhǎng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)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**產(chǎn)品的潛在缺陷來(lái)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(guò)，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*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)、**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(lái)試驗(yàn)就簡(jiǎn)單多了，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)至今公認(rèn)為*基本*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(guó)**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(guó)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(lái)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(wèn)題搞混淆，重新把問(wèn)題拉回到“模擬”的軌道，把“激發(fā)缺陷”又變成“試驗(yàn)通過(guò)”。因?yàn)椤矮@得通過(guò)”有時(shí)是由于篩選方案不當(dāng)或應(yīng)力量級(jí)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(wú)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(wú)缺陷的前提下針對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(wú)其它專門(mén)的方法檢測(cè)和**，因此專門(mén)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(píng)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(wèn)題，這是當(dāng)今動(dòng)態(tài)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(wèn)題的*好方法。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(wú)需像傳統(tǒng)法那樣需長(zhǎng)時(shí)間的可靠性增長(zhǎng)，從而也降低了成本。
*先從事這方面工作稱得上先驅(qū)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(duì)設(shè)計(jì)，后者針對(duì)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(mén)推廣應(yīng)用，無(wú)一例外地取得了很大的成功，由于商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)與**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)(StepStress),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(chǎng)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(shuō)[3]，美國(guó)生產(chǎn)廠家在80年代認(rèn)識(shí)質(zhì)量的重要性，深知市場(chǎng)只接受質(zhì)高價(jià)廉的產(chǎn)品，到90年代又認(rèn)識(shí)到可靠性的重要性，深知市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品不僅要求高的開(kāi)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(duì)可靠性的挑戰(zhàn)，而RET正是滿足這一挑戰(zhàn)的*好方法。
Condra指出按傳統(tǒng)的可靠性定義去應(yīng)付瞬息萬(wàn)變的動(dòng)態(tài)市場(chǎng)顯得太被動(dòng)了，廠家只對(duì)用戶的條件(規(guī)范)負(fù)責(zé)，不對(duì)產(chǎn)品的使用負(fù)責(zé)必然導(dǎo)致在市場(chǎng)中的失敗。于是90年代的一種進(jìn)取性的市場(chǎng)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(lái)，廠家便變被動(dòng)為主動(dòng)，了解用戶對(duì)產(chǎn)品的要求，關(guān)注市場(chǎng)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(chǎng)占有份額，獲取豐厚的利潤(rùn)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(qián)又極費(fèi)時(shí)，必須要開(kāi)發(fā)一種新的經(jīng)濟(jì)有效的替代法來(lái)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(duì)象，通過(guò)發(fā)現(xiàn)、 研究和根治故障達(dá)到提高可靠性的目的。對(duì)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。
GreggK.Hobbs先生曾就強(qiáng)化應(yīng)力的效果問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種金屬試件， 對(duì)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(jí)，這樣就使產(chǎn)品內(nèi)的有缺陷組件與無(wú)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(wú)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(duì)于溫度循環(huán)則屬熱疲勞性質(zhì)，S.Smithson先生在《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(duì)其它溫變率的情況見(jiàn)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 2.21
min/每循環(huán) 66 33 22 16.5 118
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(wú)法滿足RET的要求。因此， 一種嶄新的高效價(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(guò)去人們誤對(duì)液氮成本過(guò)高的擔(dān)心，致使長(zhǎng)期被擱淺，現(xiàn)經(jīng)**比較，因RET的高效率的時(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(lái)改裝模擬隨機(jī)振動(dòng)，經(jīng)過(guò)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(guò)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，故具有極強(qiáng)的激發(fā)缺陷的能力，根據(jù)對(duì)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(wèn)題，經(jīng)G. Hobbs和惠普公司等進(jìn)行了長(zhǎng)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(duì)生產(chǎn)缺陷不同， 它的目標(biāo)主要針對(duì)設(shè)計(jì)缺陷或設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，旨在通過(guò)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，徹底排除，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(jí)按步長(zhǎng)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(zhǎng)各10～15℃，至*大為-60～+125℃
溫 變 率: 步長(zhǎng)2～3℃/min,至*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(jí): 步長(zhǎng)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(duì)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(duì)生產(chǎn)過(guò)程的工藝和元器件缺陷，但所用的應(yīng)力量級(jí)要大，根據(jù)RET的結(jié)果即破壞極限來(lái)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，即快又徹底地激出缺陷， 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(chē)等工業(yè)部門(mén)。這類產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)過(guò)去主要靠用戶的自然反饋信息進(jìn)行，周期長(zhǎng)、更新?lián)Q代慢，因此，RT主要被用于新產(chǎn)品的開(kāi)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(chē)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(jí)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(lái)這一技術(shù)是在應(yīng)力篩選的統(tǒng)稱下發(fā)展起來(lái)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)造品牌的重要手段。
在**、航空、航天方面的應(yīng)用要晚一些，近幾年來(lái)應(yīng)用越來(lái)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(kāi)的故障防治策研討會(huì)就有9家，其中AlliedSignal Aerospace和OlinAerospace 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}(cāng)段試驗(yàn)，但必須將專用激振錘安裝到結(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(duì)可靠性要求高，因此必須把RET與模擬試驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，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(guó)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(lái)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(zhǎng)補(bǔ)短、互相滲透、簡(jiǎn)化取代以獲取可靠性、經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度三者的*隹綜合效益的方面發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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