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【质量与可靠性学堂】可靠性强化试验技术发展与争议
点击次数:2642 更新时间:2017-10-13
  随着军用电子产品越来越复杂,使用环境越来越严酷,对产品质量的要求也越来越高。为了提高电子产品的可靠性,内场(实验室)可靠性试验越来越被国外可靠性工程界所重视。随着军用电子产品在研制阶段的环境应力筛选、可靠性增长、可靠性鉴定等试验技术发展和日趋成熟,为了减少试验费用,必须研究新的试验技术和方法。90年代初,美国波音公司考虑到市场竞争的需求,为了减少产品研制费用,并在产品研制早期能得到高可靠性的产品,提出了可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing, 缩写为RET)。
  可靠性试验技术的研究和发展
  当前,国外可靠性试验技术发展动向主要表现在从电子设备走向机电设备(美国人称为M/E-M设备),从单个系统(设备)走向M/E-M复杂系统的综合试验,从传统的可靠性模拟(Simulation)试验走向可靠性激发(stimulation)试验。
  1、从电子设备走向M/E-M设备
  通过近几十年的工程实验,电子产品可靠性试验技术已趋成熟,与此相应M/E-M产品由于种类繁多,故障分布各异,敏感的应力不固定及小样本大风险等因素给可靠性验证试验技术的研究带来很大的困难。国外已经从80年代开始研究解决这类问题。例如,由美国、英国、加拿大、澳大利亚和新西兰为成员的技术合作计划(TTCP)委员会从80年代初开始就着手研究M/E-M产品的可靠性技术问题。再如,美国国防部联合后勤指挥组(JLC)下设的可靠性、有效性和维修性(JTCC-RAM)组已被授权调研机械/电-机(M/E-M)设备可靠性试验技术的现状,并研究对策以协助军事计划管理人员制订能够承受的非电子设备可靠性试验计划。
  2、从单一系统走向M/E-M复杂系统的综合试验
  由于现代高科技武器装备研制的需求,国外近年来非常重视大系统的地面综合试验(包括性能与可靠性综合试验),尤其是M/E-M复杂系统的综合试验。这样不仅可以减少外场试验的费用,缩短进度和降低风险,而且可以充分暴露系统中各种机械、液压、电子电气等各类产品之间的接口、数据传输、通讯及干扰影响等缺陷。它比单一产品试验,可以获得高置信度的系统可靠性。如美国空军和波音飞机公司都分别为F-22和波音777建立了地面各种性能和可靠性综合实验室。美国海军武器中心具有容积65m3的温度-湿度-振动-高度四综合试验系统,美国空军早在80年代就开始研究各种飞机使用的标准惯性导航这类精密复杂机电一体化系统的可靠性试验技术。
  3、从传统的可靠性模拟试验走向可靠性激发试验
  从50年代初,美国就对*开始采用单环境应力模拟的研制试验与鉴定试验以检验产品的设计质量和可靠性。从70年代开始发展到采用综合环境应力模拟可靠性试验并在试验中要模拟任务剖面中的主要环境应力。随着可靠性模拟试验的日趋发展,美国国防部从1963年开始颁发了一系列可靠性模拟试验的标准。如1963年颁发的美军标MIL-STD-781及随后又进行了不断的修改和充实完善的MIL-STD-781A、MIL-STD-781B、MIL-STD-781C、MIL-STD-781D,再如空间飞行器试验标准MIL-STD-1540以及它们的修订版。长期以来,传统的环境模拟可靠性试验标准一直是美国为保障*可靠性而实施的主要试验手段。
  传统环境模拟可靠性试验的特点是,尽可能地模拟任务剖面的真实环境,而且是典型的真实环境,再加上设计裕度来确保产品的可靠性。研制阶段的可靠性增长试验,也是模拟典型的真实环境。因此,环境模拟的真实程度和设计裕度的大小便成为两个关键的因素。要提高可靠性就必须对环境进行更的模拟和提高设计裕度,但往往在产品的设计阶段更的模拟真实环境根本不可能,而提高设计裕度又增大成本。另外,可靠性鉴定试验是考核产品可靠性设计指标是否达到,有"通过"和"不通过"问题,既使暴露设计缺陷,由于鉴定试验是在产品设计定型时完成,已经没有重大修改的时间,潜在的缺陷仍然残量不少,随时都可能在外场使用时暴露并引起故障。
  激发试验与环境模拟可靠性试验的思路相反,它是用人为施加环境应力的方法,加速激发产品潜在的缺陷来达到提高可靠性的目的。因此,试验时不考核是否"通过",激发出的潜在缺陷越*越好。
  国外初的激发试验是50~60年代的老化(老炼)试验,所施加的环境应力有高温、高低温循环和温度冲击等。70年代后发展为当今的环境应力筛选。1979年美国海军颁布了海军生产筛选大纲NAVMAT P-9492,使环境应力筛选方法上了一个新台阶,并收到了很好的效果。1982年美国环境科学学会又颁发了指导性文件《电子产品环境应力筛选指南》,使应力筛选进入了一个蓬勃发展的时期。在此同时,美国国防部还颁发了通用标准,如MIL-STD-2164《电子产品环境应力筛选方法》、MIL-HDBK-344《环境应力筛选手册》等,使应力筛选进入一个更规范发展的阶段。
  80年代初,在应力筛选迅速发展的同时,人们已经注意到环境应力筛选方法并不足以暴露产品设计缺陷,主要是剔除生产工艺过程缺陷,这为产品可靠性的提高提供了可观的空间。尤其是东西方冷战结束后,世界性裁军和削减国防预算又带来价格和研制周期问题,也就是全寿命周期费用问题。可靠性强化试验就是在这种背景下脱颖而出的。实践证明,可靠性强化试验正是综合解决这一问题的好方法。
  美国G.K.Hobps,K.A.Gray和L.W.Condra等人是早从事这方面研究的几位专家。他们曾经称这种试验为高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS),前者是针对设计,后者是针对生产过程。这种方法的核心是不模拟真实环境,大大超出设计规范所允许的极限,而且是一步步地加,逐步排除缺陷,故又叫步进应力(Step Stree)方法。从加速可靠性试验观点出发,可靠性强化试验(RET)是加速寿命试验(ALT)和环境应力筛选(ESS)之后的第三种加速可靠性试验。可靠性强化试验的使用与目的性,目前上尚未取得广泛的一致。事实上,对这种试验的目的性目前还没有统一看法,以致于对于这种试验也有几种不同的叫法,如步进应力(Step Stress)、应力寿命及强加速寿命试验(HALT)等。这种方法从80年代末至90年代初,相继在各工业部门推广应用,并取得很大成功。由于美国波音公司应用,影响也大,并且使用可靠性强化试验(RET),后来人们逐渐习惯接受了这一术语。
  可靠性强化试验技术引起可靠性观念争议
  可靠性强化试验的目的是通过系统的施加逐渐增大的环境应力和工作应力,来激发故障和暴露设计中的薄弱环节,从而评价产品设计可靠性。可见,可靠性强化试验有如下技术特点:
  a、可靠性强化试验施加环境应力和工作应力是变化的,且是递增的,可见它是一种加速试验;
  b、既然主要目的是查明和排除设计中的薄弱环节,评价产品设计可靠性,那么因制造(工艺)缺陷所造成的自然被看成是不相关的,不是主要目的(制造缺陷主要靠环境应力筛选);
  c、为了试验的有效性,可靠性强化试验必须在能够代表设计、元件、材料和生产中所使用的制造工艺都已落实的样件上进行,并且应尽早进行,以便修改设计;
  d、可靠性强化试验是在超出规范极限以外进行并且快速(加速)进行,这也是可靠性强化试验与传统的可靠性试验方法显著不同的特点之一。
  从可靠性强化试验的技术特点可见,研究可靠性强化试验的意义是,如果在产品设计和开发阶段适当的规划和实施可靠性强化试验,可以使产品制造者确保得到早期高可靠性,并且已经知道*件产品具有"成熟的可靠性",可以使产品的设计者和制造者从中获得可用于改进产品快和确切的信息,可以确定环境应力筛选(ESS)的应力量级,可以使鉴定试验的故障减少到低程度,从而使鉴定试验以及可靠性验证工作变为只是一种形式而已。
  鉴于以上技术特点,可靠性强化试验技术引起了可靠性工程界对传统可靠性观念的争议。美国可靠性专家L.W.Condra认为,美国制造商在80年代认识到质量的重要性,深知市场只接受质高价廉的产品,到90年代又认识到可靠性的重要性,深知市场对产品不仅要求高的开箱率,而且要求在设计寿命期内确保性能良好不变。这是新一轮对可靠性的挑战,而可靠性强化试验正是为满足这一挑战而发展起来的试验技术。
  Condra还指出,按传统的可靠性定义去应付瞬息万变的动态市场已经显得太被动了,制造商只对用户的条件(规范)负责,不对产品的使用负责,必然导致在市场竞争中的失败。于是近几年一种进取性的为市场竞争需求的可靠性定义便提出来了。
  "一种可靠的产品应随时都能完成用户需其完成的任何任务。"
  对于这种为了市场竞争的需求而提出的可靠性定义是否正确,还需要进一步科学论证和理论推敲,但就学术上由可靠性强化试验技术的研究和迅猛发展而引起可靠性观念的争议应该引起质量与可靠性研究者的注意和重视。同时,该观点的提出,对产品可靠性提出了更高的要求。制造商只有深入了解用户对产品的要求,关注市场的发展,生产的产品不仅能达到用户提出的技术规范条件,还必须满足用户需要该产品所能完成的任何任务,除非达到了该产品的破坏极限。
  由于可靠性强化试验技术的理论依据是故障物理学(Physics of failure),它把故障或失效当作研究的主要对象,通过发现、研究和*故障达到提高可靠性的目的。对当今高技术和高复杂度的电子或机电产品要发现潜在的故障并不易,特别是一些"潜伏"极深的或不易*的间歇故障,必须采用加大应力的方法使其暴露。因此,从故障防治策略来讲,可靠性强化试验的理论依据是科学的。国外实践证明,可靠性强化试验方法效果是显著的。这也是可靠性强化试验逐渐蓬勃发展起来的主要原因。
  当前,可靠性强化试验技术还在不断的发展。随着科学的迅猛发展,经验的积累,可靠性强化试验技术会不断地完善。同时,可靠性强化试验技术与传统的可靠性模拟试验技术也必然朝着相辅相成、取长补短、互相渗透以获取产品的高可靠性、佳费/效比的方向发展。
 

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