1 環(huán)境可靠性試驗簡(jiǎn)要回顧
現代社會(huì )隨著(zhù)競爭的發(fā)展與深化，市場(chǎng)對產(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)境可靠性試驗也相應地得到不斷的發(fā)展。
1.1 環(huán)境模擬試驗
早在1940年代美國就對產(chǎn)品的設計開(kāi)始采用單因素環(huán)境的研制試驗與鑒定試驗，以檢驗設計的質(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(CERT) 和任務(wù)剖面試驗。為檢驗工藝則采用不帶設計余度的驗收試驗。
隨著(zhù)環(huán)境模擬試驗技術(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標、軍標，以嚴格的法規形式來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，其中*有代表性的如環(huán)境模擬試驗軍標MIL-STD-810，可靠性試驗軍標MIL-STD-781和空間飛行器試驗軍標MIL-STD-1540以及它們的修訂版，具體產(chǎn)品型號則根據這些標準與型號的特點(diǎn)制訂詳細的試驗大綱。長(cháng)期以來(lái)環(huán)境模擬試驗便成為保障產(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，加上設計裕度，確保試驗過(guò)關(guān)。因此，環(huán)境模擬的真實(shí)程度和設計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**的模擬和加大設計裕度，但這樣一來(lái)便使難度增大，周期拖長(cháng)和增大成本。
這種方法的不足之處是對設計和工藝缺陷未作專(zhuān)門(mén)處理，只分別通過(guò)鑒定試驗與驗收試驗解決，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)出現故障，可靠性的增長(cháng)靠自然反饋緩慢地實(shí)現，這時(shí)木已成舟，留給設計修改的時(shí)間與空間都極其有限，從而使市場(chǎng)競爭的優(yōu)勢大為降低。
1.2 環(huán)境應力激發(fā)試驗
激發(fā)試驗(Stimulation)與模擬試驗(Simulation)的思路相反， 它是用人為的施加環(huán)境應力的方法，快速激出并**產(chǎn)品的潛在缺陷來(lái)達到提高可靠性的目的，因此試驗時(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)展卻比模擬試驗慢得多。
早在50年代的老化試驗便是激發(fā)試驗的*初形式，所加應力有高溫、溫度循環(huán)和溫度沖擊等，至70年代后發(fā)展成當今廣義的環(huán)境應力篩選。由于試驗的目的是激發(fā)、**缺陷，故所加應力不必模擬真實(shí)環(huán)境，只要激發(fā)的效率越高越好，這樣一來(lái)試驗就簡(jiǎn)單多了，根據經(jīng)驗至今公認為*基本*有效的應力是高溫變率的溫度循環(huán)和寬帶隨機振動(dòng)。
這里應著(zhù)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)了指導性文件《電子產(chǎn)品環(huán)境應力篩選指南》使應力篩選進(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，其中有人也試圖用“軍標”的形式來(lái)加速這一技術(shù)的發(fā)展，但這種嘗試是錯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“試驗通過(guò)”。因為“獲得通過(guò)”有時(shí)是由于篩選方案不當或應力量級太小所致，而產(chǎn)品的可靠性并未獲得真正的提高，故應力篩選只能用“指南”的形式執行，不同的缺陷類(lèi)型和不同的失效機理必須使用不同的篩選方案而無(wú)統一的標準可言。
要強調的另一點(diǎn)是當今的應力篩選方法都是在設計無(wú)缺陷的前提下針對生產(chǎn)過(guò)程的缺陷的，實(shí)際上設計缺陷除用鑒定試驗外并無(wú)其它專(zhuān)門(mén)的方法檢測和**，因此專(zhuān)門(mén)研究設計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 可靠性強化試驗(RET)的興起與發(fā)展
80年代初就在應力篩選迅速發(fā)展的同時(shí)，人們就已經(jīng)注意到由于設計潛在缺陷的殘留量仍不少，為可靠性的提高提供了可觀(guān)的空間，另外，還有價(jià)格和研制周期問(wèn)題，這是當今動(dòng)態(tài)市場(chǎng)競爭的焦點(diǎn)，實(shí)踐證明可靠性強化試驗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方法高得多，更可貴的是RET在短時(shí)間內就獲得早期高可靠性，無(wú)需像傳統法那樣需長(cháng)時(shí)間的可靠性增長(cháng)，從而也降低了成本。
*先從事這方面工作稱(chēng)得上先驅者的是G.K. Hobbs,K.A. Gray和L.W.Condra等人，他們稱(chēng)這種試驗為高加速壽命試驗(HALT)和高加速應力篩選(HASS)，前者針對設計，后者針對生產(chǎn)，方法的核心是施加大應力，一步步地加，一次次地排除缺陷，故也叫步進(jìn)應力法,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)推廣應用，無(wú)一例外地取得了很大的成功，由于商業(yè)競爭與**保密的原因至今許多重大成果仍未解密發(fā)表。連名稱(chēng)也尚未統一，有的叫步進(jìn)應力試驗(StepStress),高加速壽命試驗(HALT)，應力壽命試驗(STRIFE)，應力裕度和強壯試驗(SMART)和可靠性強化試驗(RET)等等，波音公司把RET當作這一試驗技術(shù)的統稱(chēng)是較為合理的，因為它突出了強化試驗的特點(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(guān)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]，美國生產(chǎn)廠(chǎng)家在80年代認識質(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年代又認識到可靠性的重要性，深知市場(chǎng)對產(chǎn)品不僅要求高的開(kāi)箱率，而且要求在設計壽命期內確保性能良好不變。這是新一輪對可靠性的挑戰，而RET正是滿(mǎn)足這一挑戰的*好方法。
Condra指出按傳統的可靠性定義去應付瞬息萬(wàn)變的動(dòng)態(tài)市場(chǎng)顯得太被動(dòng)了，廠(chǎng)家只對用戶(hù)的條件(規范)負責，不對產(chǎn)品的使用負責必然導致在市場(chǎng)中的失敗。于是90年代的一種進(jìn)取性的市場(chǎng)可靠性定義便應時(shí)而生:
一種可靠的產(chǎn)品應隨時(shí)都能完成用戶(hù)需其完成的任何任務(wù)。這樣一來(lái)，廠(chǎng)家便變被動(dòng)為主動(dòng)，了解用戶(hù)對產(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大的市場(chǎng)占有份額，獲取豐厚的利潤回報，因此可靠性便不再是一種成本負擔，相反可靠性正是商家追求的一種資產(chǎn)、一種財富。
但是，傳統的可靠性試驗既極費錢(qián)又極費時(shí)，必須要開(kāi)發(fā)一種新的經(jīng)濟有效的替代法來(lái)適應這一需求，這便是RET法。RET技術(shù)的理論依據是故障物理學(xué)(Physics of failure),把故障或失效當作研究的主要對象，通過(guò)發(fā)現、 研究和根治故障達到提高可靠性的目的。對當今高度復雜的電子或機電產(chǎn)品，要發(fā)現潛在故障非易事，特別是一些“潛伏”極深的或間歇性故障，必須采用強化應力的方法強迫其暴露，實(shí)踐證明RET法效果顯著(zhù)。
GreggK.Hobbs先生曾就強化應力的效果問(wèn)題設計了一種金屬試件， 對疲勞壽命進(jìn)行了研究[4],發(fā)現當應力強度增加1培時(shí)，疲勞壽命降低為1/1000，在實(shí)際應用時(shí)振動(dòng)引起的失效就屬這一類(lèi)型，除了施加強化應力外，由于有缺陷產(chǎn)品的應力集中系數高達2--3倍，從而使疲勞壽命相應降低好幾個(gè)數量級，這樣就使產(chǎn)品內的有缺陷組件與無(wú)缺陷組件在相同的強化應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先生在《效率與經(jīng)濟性》一文中[5]也給出了類(lèi)似的效果，若以?xún)蓚€(gè)不同的溫變率為例，一個(gè)5℃/min,另一個(gè)強化到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(jiàn)下表:
────────────────────────────────
溫變率℃/min 5 10 15 20 30 40
循環(huán)數 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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根據上述數據可以看到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)施強化應力必須要有相應和設備，沿用傳統的試驗設備進(jìn)行RET也能取得某種程度的成功，但由于現有溫箱的溫變率偏低，多在5～10℃左右，振動(dòng)臺只有單軸臺，試驗時(shí)需換向，價(jià)格也貴，無(wú)法滿(mǎn)足RET的要求。因此， 一種嶄新的高效價(jià)廉設備的應時(shí)推出配合了RET技術(shù)的發(fā)展，新設備由高溫變率溫箱和氣動(dòng)式3軸6自由度(6DOF) 振動(dòng)臺組成，高溫變率用液氮致冷取得，這本非新技術(shù)，但由于過(guò)去人們誤對液氮成本過(guò)高的擔心，致使長(cháng)期被擱淺，現經(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，從而得以確認使用。
6DOF臺由氣動(dòng)反復沖擊機發(fā)展而成，該機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調制(通過(guò)沖程)，這樣由若干個(gè)錘頭和一個(gè)臺面構成的氣動(dòng)振動(dòng)臺便可產(chǎn)生一種非高斯型的準隨機激勵。二是累積疲勞系數(AFF)分析方法在該類(lèi)激勵的成功應用。根據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的應力峰所造成，而6DOF臺具有豐富的遠大于2σ的峰值概率分布，故具有極強的激發(fā)缺陷的能力，根據對AFF的計算結果，6DOF臺的效率與單軸振動(dòng)臺比為2114∶1。
原擔心作為6DOF臺的缺點(diǎn)的試驗均勻性和重復性問(wèn)題，經(jīng)G. Hobbs和惠普公司等進(jìn)行了長(cháng)達一年多的試驗研究也得到了很好的解決。
3 可靠性強化試驗技術(shù)
3.1 可靠性強化試驗(RET)的目的
RET是故障防治策略中的關(guān)鍵環(huán)節，與應力篩選針對生產(chǎn)缺陷不同， 它的目標主要針對設計缺陷或設計薄弱環(huán)節，旨在通過(guò)強化試驗手段查找設計薄弱環(huán)節，分析原因，采取改進(jìn)措施，徹底排除，不許重現，以獲預期的設計高可靠性。RET在設計完成后但未投產(chǎn)前進(jìn)行。
3.2 RET的內容與應力參數
RET包括步進(jìn)應力試驗和加速壽命試驗。應力參數以溫度循環(huán)和隨機振動(dòng)為基礎， 根據產(chǎn)品的特點(diǎn)再酌增工作應力(電應力)或其他應力如加濕。
應力量級按步長(cháng)逐步遞增，直到遠超出規范范圍甚至達到破壞極限。以下參數供選用參考:
溫度循環(huán)
溫 度 范 圍: 高低溫步長(cháng)各10～15℃，至*大為-60～+125℃
溫 變 率: 步長(cháng)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。
隨機振動(dòng)(3軸6自由度)
頻 率 范 圍: 5～5000Hz
振 動(dòng) 量 級: 步長(cháng)2～3ｇRMS,從2起至28ｇRMS
振 動(dòng) 時(shí) 間: 每步～10min
結束試驗的原則:
(1)至破壞極限，
(2)根據對設計余度的要求確定，
(3)出現非正常失效，如材料熔化。
3.3 強化應力篩選
強化應力篩選的目的與傳統的應力篩選相同，是針對生產(chǎn)過(guò)程的工藝和元器件缺陷，但所用的應力量級要大，根據RET的結果即破壞極限來(lái)確定，以下參數供選用參考:
溫度循環(huán):端點(diǎn)溫度取破壞極限的～80%;
隨機振動(dòng):取破壞極限的50%或更低一些；
篩選方案驗證:旨在驗證該方案的合理性，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)樣件反復試驗10～20次，以不再出現故障為準。
4 關(guān)于ＲＥＴ技術(shù)的應用與展望
在民用產(chǎn)品方面已成功地應用在通訊、電子、電腦、能源、汽車(chē)等工業(yè)部門(mén)。這類(lèi)產(chǎn)品的可靠性增長(cháng)過(guò)去主要靠用戶(hù)的自然反饋信息進(jìn)行，周期長(cháng)、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(lèi)別繁多，性能要求各異，在使用該技術(shù)時(shí)需靈活掌握，應力量級可高可低，以獲得所需的可靠性、成本和周期的綜合優(yōu)化值，在排除設計、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)是在應力篩選的統稱(chēng)下發(fā)展起來(lái)的，因而學(xué)科上形成了一個(gè)新的分支，叫商用應力篩選(CSS)?？梢詳嘌?，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、航天方面的應用要晚一些，近幾年來(lái)應用越來(lái)越多，發(fā)展也快。航空方面波音公司已于1994年在波音-777飛機上應用，獲得了成功。接著(zhù)計劃在波音-737新一代應用。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試驗系統作這類(lèi)試驗的。據CHI Systems公司透露，在航天工業(yè)有時(shí)也采用RET技術(shù)做衛星整星或導彈倉段試驗，但必須將專(zhuān)用激振錘安裝到結構內的特定部位上，以形成一種分布式激勵系統。
由于航天航空產(chǎn)品對可靠性要求高，因此必須把RET與模擬試驗結合起來(lái)，用RET技術(shù)獲得大的設計余度，確保高可靠性，用模擬技術(shù)按“軍標”或“國標”規定的條件進(jìn)行鑒定試驗和驗收試驗，以確認設計可靠性和驗收產(chǎn)品。
有越來(lái)越多的實(shí)踐證明，經(jīng)RET和強化應力篩選的產(chǎn)品已獲得足夠高的可靠性， 往往使鑒定試驗和驗收試驗變成一種形式或橡皮圖章。由此，我們有理由斷言，隨著(zhù)經(jīng)驗的積累，RET技術(shù)與模擬技術(shù)必然朝著(zhù)相輔相成、取長(cháng)補短、互相滲透、簡(jiǎn)化取代以獲取可靠性、經(jīng)費和進(jìn)度三者的*隹綜合效益的方面發(fā)展。
參考文獻
1 John ton.Environmental Testing And Stress Sereening.
2陳奇妙編譯.波音公司的故障防治策略和可靠性強化試驗技術(shù).見(jiàn):陳奇妙主編. 可靠性強化試驗技術(shù).1998:14～21
3 Lloyd W Condrs.Accelerated Testing for Product Reliability Assurace.
4 Gregg K Hobbs.Highly Accelerated StressScreens ASS. Proceedings ES1992
5 Stephen A Smithson.Effectiveness and Economics ardsticls for ESS Decisions.Proceedings ES 1990
6 GHenderson. 6DOF Machine Characteristics andMethods of Measuring Effectiveness. Test Engineering &Management, June/July 1992
