可靠性强化试验在机载设备验收试验中的应用

可靠性强化试验在机载设备验收试验中的应用

梁忠涛

广电计量检测(西安)有限公司单位省市：陕西省西安市单位邮编：710048

摘要:可靠性强化试验属于激发试验,通过施加远大于产品相关文件规定的应力水平,结合高低温步进､循环快速温变､振动步进及综合应力多重手段,达到快速激发设备缺陷及提高设备可靠性水平的目的,在航空､航天及其他军民领域得到了广泛应用｡本研究详细阐述了可靠性强化试验技术涉及的关键技术问题并细致分析了可靠性强化试验在机载设备验收试验中的应用,希望可以为机载设备验收提供一定的帮助｡

关键词:可靠性强化试验;批生产机载设备;可靠性验收试验;强应力筛选试验

1可靠性强化试验应用原理

可靠性工程研究的是机载设备故障的发生､发展及其预防的规律,通过设计､分析和试验等手段,发现､预防和控制故障的发生和发展,从而提高产品的固有可靠性水平｡机载设备是由许多机械结构和电子元器件所组成的,当某一结构或元器件的强度不足以抵抗其所遭遇的环境所产生的应力时,其就会由于不耐环境或不可靠而失效｡但是,机载设备在生产和使用的过程中,所遭遇的环境应力的种类繁多(例如:振动､冲击､压力､温度和湿度等),且所承受的应力大小不一,故所产生的应力会形成一个分布,如图1左侧分布;而机载设备各SRU所承能受的强度也各不相同,故其所能够承受的强度也会形成一个分布,如图1右侧分布｡当机载设备强度较弱的左侧,碰到环境应力较强的右侧,即机载设备所能承受的强度低于环境应力时,就会形成如图1斜线阴影所示的不可靠区域,此时机载设备就有发生失效的可能性｡当然,如果机载设备通过了健壮设计､可靠性强化试验或在生产过程中采用了成熟可靠的工艺等控制措施,其所能承受的强度可以远远大于使用过程中所经历的各种环境应力｡

可靠性强化试验是一种阶梯应力程序,其目的是利用高环境应力,提早将产品的设计和工艺缺陷激发出来,从而采取相应的改进措施来消除设计和工艺缺陷,以拓宽产品的工作极限裕度和破坏极限界线,大大地提高产品的固有可靠性和使用可靠性｡

图1应力与强度分布示意图

2强应力筛选试验应用方案的研究

在过去近二十多年里,大多数机载设备的可靠性鉴定试验均是采用GJB899A推荐的定时截尾统计试验方案17,即α=β=20%,D=3,T=4.3θ1方案,判决标准是责任故障数≤2就接收,否则拒收｡对于复杂的大型设备,则采用α=β=20%,D=2,T=7.8θ1方案,判决标准是责任故障数≤5就接收,否则就拒收｡但是,对于小子样､高可靠性的产品(例如:θ1≥500h),若仍采用这些定时截尾的方案对其进行可靠性鉴定试验,则可能会造成试验时间过长､试验费用过于昂贵等问题｡通过对过去十多年的试验数据进行分析发现,在多数情况下,验证试验可以提前作出接收判决｡

“七五”期间为10项机载电子设备做了13次可靠性鉴定试验,11次可以提前作出判决,其中,4次接收,7次拒收,只有2次提前作出拒收误判,误判率为15.4%｡

“八五”期间对12项机载电子设备做了12次可靠性鉴定试验,11次可以提前作出判决,其中,8次接收,3次拒收,只有1次提前作出拒收误判,误判率下降为8.3%｡

“九五”期间对4项机载电子设备做了4次可靠性鉴定试验,4次可以提前作出判决,其中,3次判接收,1次判拒收误判｡误判原因是该产品在鉴定试验前未能充分剔除早期故障,使试验进行到28h､101h时就出现了2次工艺故障｡

根据这些成功的经验,我们提出了一种用于环境应力筛选､可靠性鉴定试验和可靠性验收试验的快速试验方案,其具体方法为:首先,用强应力筛选试验技术充分地剔除产品的早期故障,提高产品的可靠性和健壮性;然后,采用高风险定时截尾或MTBF保证试验等验证试验方案对产品进行可靠性验收试验｡

3用于批生产可靠性验收试验的快速试验方案

3.1MTBF保证试验

MTBF保证试验是MIL-HDBK-781中介绍的一种可靠性试验方法,其不仅可以用来验证早期缺陷是否已被消除,还可以用来保证机载电子设备的可靠性水平达到规定的MTBF下限值｡在MTBF保证试验中,采用可靠性鉴定试验所用的试验剖面,受试样机必须在规定的时间内无故障地工作一定的时间｡一般选择的试验观测时间应在保证受试样机确实达到规定的MTBF下限值的情况下,能以高概率(比如98%)通过本试验｡

一台设备通过该试验的概率为:

Ps=(M-1)r(M+W-r)/Mr+1(1)

式(1)中:M———规定的MTBF下限值,单位:h;

W———试验观测时间(r≤W≤2r),单位:h;

r———无故障间隔时间,单位:h｡

如果W与r的比值小于2,那么在试验过程中就有可能出现这样一段时间间隔,在这段时间间隔内,如果一台受试样机失效,便会直接导致该试验以失败告终,从而降低试验结果的统计置信度｡若增大W与r的比值,使其大于2,那么,虽然增加了试验时间,但却仍然不能明显地改善统计置信度｡因此,W与r的最佳比值为2｡利用上述公式并令W=2r,可以算出在任一所需Ps下的无故障间隔时间和试验观测时间｡例如:设Ps=0.98,则由公式(1)可得r=0.212M｡当试验时间达到无故障间隔时间r时,产品未发生关联故障,则试验结束,认为产品通过了MTBF保证试验｡利用MTBF保证试验进行批生产可靠性验收试验时应同时具备以下条件:

1)产品已通过了可靠性鉴定试验;

2)产品已通过了环境应力筛选｡

3.2强应力筛选+MTBF保证试验

对于已经进入了批生产的机载电子设备,在交付前主要需要考核其可靠性水平是否达到了生产定型时的可靠性指标的要求,并且需要保证各批次质量的稳定性｡因此,如果采用MTBF保证试验对设备进行可靠性验收试验,则仍需按照可靠性验收试验的要求,根据批量大小和抽样原则从各生产批次中随机抽取设备在与可靠性鉴定试验相同的综合环境试验条件下进行可靠性验收试验｡如果每台受试样机都能无故障地工作规定的时间(r),那么就可以认为该批产品的可靠性指标达到了可靠性鉴定试验时的水平｡

在MTBF保证试验前应用强应力筛选试验来替代常规的环境应力筛选,能够大大地缩短试验时间｡例如:某单位在批生产中,抽出一批产品用“强应力筛选+MTBF保证试验”进行可靠性验收试验,并跟踪该批产品与其他批产品在部队使用时的故障信息进行比较,从故障信息反馈情况来看,用“强应力筛选+MTBF保证试验”进行可靠性验收试验批的产品,早期故障率有显著的下降,说明利用“强应力筛选+MTBF保证试验”进行批生产可靠性验收试验的方法是可行的｡

4结语

可靠性强化技术作为一门新的试验技术,在激发设备缺陷,提高设备可靠性水平方面具有深刻的意义,有着广阔的应用前景｡针对可靠性强化技术,目前国内已开展大量研究工作,并已投入了实践应用,取得了显著效果｡本文旨在收集和分析该领域一些研究成果的基础上,总结可靠性强化经验,交流试验技术｡希望达到启发可靠性强化试验设计人员的作用｡

参考文献:

[1]中国人民解放军总装备部电子信息基础部标准化研究中心·可靠性鉴定和验收试验:GJB899A-2009[S].

[2]､李劲,时钟.可靠性强化试验在高可靠产品中的应用探讨[J].电子产品可靠性与环境试验,2011,29(5):14-18.

[3]刘加凯,齐杏林,贺连梁,等.可靠性强化试验及其在引信中的应用[J].电子产品可靠性与环境试验,2010,28(1):19-23.