1 環(huán)境可靠性試驗簡要回顧
現(xiàn)代社會隨著競爭的發(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(yīng)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(shè)計開始采用單因素環(huán)境的研制試驗與鑒定試驗，以檢驗設(shè)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(shè)計余度的驗收試驗。
隨著環(huán)境模擬試驗技術(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*有代表性的如環(huán)境模擬試驗軍標(biāo)MIL-STD-810，可靠性試驗軍標(biāo)MIL-STD-781和空間飛行器試驗軍標(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)與型號的特點制訂詳細(xì)的試驗大綱。長期以來環(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)的特點是:模擬真實環(huán)境，加上設(shè)計裕度，確保試驗過關(guān)。因此，環(huán)境模擬的真實程度和設(shè)計裕度的大小便成為兩個關(guān)鍵的因素，要提高可靠性就必須對環(huán)境進行更**的模擬和加大設(shè)計裕度，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)計和工藝缺陷未作專門處理，只分別通過鑒定試驗與驗收試驗解決，因此潛在缺陷殘留量仍不少，隨時都可能在外場使用時出現(xiàn)故障，可靠性的增長靠自然反饋緩慢地實現(xiàn)，這時木已成舟，留給設(shè)計修改的時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
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(yīng)力的方法，快速激出并**產(chǎn)品的潛在缺陷來達(dá)到提高可靠性的目的，因此試驗時不僅不求獲得通過，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(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。由于試驗的目的是激發(fā)、**缺陷，故所加應(yīng)力不必模擬真實環(huán)境，只要激發(fā)的效率越高越好，這樣一來試驗就簡單多了，根據(jù)經(jīng)驗至今公認(rèn)為*基本*有效的應(yīng)力是高溫變率的溫度循環(huán)和寬帶隨機振動。
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)力篩選進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。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“試驗通過”。因為“獲得通過”有時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。
要強調(diào)的另一點是當(dāng)今的應(yīng)力篩選方法都是在設(shè)計無缺陷的前提下針對生產(chǎn)過程的缺陷的，實際上設(shè)計缺陷除用鑒定試驗外并無其它專門的方法檢測和**，因此專門研究設(shè)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，這就是本文點評的重點。
2 可靠性強化試驗(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，人們就已經(jīng)注意到由于設(shè)計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，還有價格和研制周期問題，這是當(dāng)今動態(tài)市場競爭的焦點，實踐證明可靠性強化試驗正是綜合解決這一問題的*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在短時間內(nèi)就獲得早期高可靠性，無需像傳統(tǒng)法那樣需長時間的可靠性增長，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，他們稱這種試驗為高加速壽命試驗(HALT)和高加速應(yīng)力篩選(HASS)，前者針對設(shè)計，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**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，有的叫步進應(yīng)力試驗(StepStress),高加速壽命試驗(HALT)，應(yīng)力壽命試驗(STRIFE)，應(yīng)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(dāng)作這一試驗技術(shù)的統(tǒng)稱是較為合理的，因為它突出了強化試驗的特點。
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*好方法。
Condra指出按傳統(tǒng)的可靠性定義去應(yīng)付瞬息萬變的動態(tài)市場顯得太被動了，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年代的一種進取性的市場可靠性定義便應(yīng)時而生:
一種可靠的產(chǎn)品應(yīng)隨時都能完成用戶需其完成的任何任務(wù)。這樣一來，廠家便變被動為主動，了解用戶對產(chǎn)品的要求，關(guān)注市場的發(fā)展，不斷改進更新產(chǎn)品，以上乘的質(zhì)量可靠性換取不斷擴大的市場占有份額，獲取豐厚的利潤回報，因此可靠性便不再是一種成本負(fù)擔(dān)，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(tǒng)的可靠性試驗既極費錢又極費時，必須要開發(fā)一種新的經(jīng)濟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)、 研究和根治故障達(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，必須采用強化應(yīng)力的方法強迫其暴露，實踐證明RET法效果顯著。
GreggK.Hobbs先生曾就強化應(yīng)力的效果問題設(shè)計了一種金屬試件， 對疲勞壽命進行了研究[4],發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力強度增加1培時，疲勞壽命降低為1/1000，在實際應(yīng)用時振動引起的失效就屬這一類型，除了施加強化應(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化應(yīng)力下疲勞壽命拉大了擋次，使缺陷迅速暴露的同時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先生在《效率與經(jīng)濟性》一文中[5]也給出了類似的效果，若以兩個不同的溫變率為例，一個5℃/min,另一個強化到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下表:
────────────────────────────────
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，高度壓縮時間，從而也降低了成本。
要實施強化應(yīng)力必須要有相應(yīng)和設(shè)備，沿用傳統(tǒng)的試驗設(shè)備進行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，振動臺只有單軸臺，試驗時需換向，價格也貴，無法滿足RET的要求。因此， 一種嶄新的高效價廉設(shè)備的應(yīng)時推出配合了RET技術(shù)的發(fā)展，新設(shè)備由高溫變率溫箱和氣動式3軸6自由度(6DOF) 振動臺組成，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)**比較，因RET的高效率的時間和高壓縮而反使成本有所降低，從而得以確認(rèn)使用。
6DOF臺由氣動反復(fù)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自由度空間和價廉的特點，被看中用來改裝模擬隨機振動，經(jīng)過不斷的改進發(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(diào)制(通過沖程)，這樣由若干個錘頭和一個臺面構(gòu)成的氣動振動臺便可產(chǎn)生一種非高斯型的準(zhǔn)隨機激勵。二是累積疲勞系數(shù)(AFF)分析方法在該類激勵的成功應(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臺具有豐富的遠(yuǎn)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(jù)對AFF的計算結(jié)果，6DOF臺的效率與單軸振動臺比為2114∶1。
原擔(dān)心作為6DOF臺的缺點的試驗均勻性和重復(fù)性問題，經(jīng)G. Hobbs和惠普公司等進行了長達(dá)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(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)計缺陷或設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，旨在通過強化試驗手段查找設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，分析原因，采取改進措施，徹底排除，不許重現(xiàn)，以獲預(yù)期的設(shè)計高可靠性。RET在設(shè)計完成后但未投產(chǎn)前進行。
3.2 RET的內(nèi)容與應(yīng)力參數(shù)
RET包括步進應(yīng)力試驗和加速壽命試驗。應(yīng)力參數(shù)以溫度循環(huán)和隨機振動為基礎(chǔ)， 根據(jù)產(chǎn)品的特點再酌增工作應(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*大為-60～+125℃
溫 變 率: 步長2～3℃/min,至*大30℃/min
端點保溫時 間: ～10min
在保溫段同時進行通、斷電試驗。
隨機振動(3軸6自由度)
頻 率 范 圍: 5～5000Hz
振 動 量 級: 步長2～3ｇRMS,從2起至28ｇRMS
振 動 時 間: 每步～10min
結(jié)束試驗的原則:
(1)至破壞極限，
(2)根據(jù)對設(shè)計余度的要求確定，
(3)出現(xiàn)非正常失效，如材料熔化。
3.3 強化應(yīng)力篩選
強化應(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):端點溫度取破壞極限的～80%;
隨機振動: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個樣件，每個樣件反復(fù)試驗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、工藝缺陷時，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飛機上應(yīng)用，獲得了成功。接著計劃在波音-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就有9家，其中AlliedSignal Aerospace和OlinAerospace 公司就是選用TVC-9試驗系統(tǒng)作這類試驗的。據(jù)CHI Systems公司透露，在航天工業(yè)有時也采用RET技術(shù)做衛(wèi)星整星或?qū)梻}段試驗，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與模擬試驗結(jié)合起來，用RET技術(shù)獲得大的設(shè)計余度，確保高可靠性，用模擬技術(shù)按“軍標(biāo)”或“國標(biāo)”規(guī)定的條件進行鑒定試驗和驗收試驗，以確認(rèn)設(shè)計可靠性和驗收產(chǎn)品。
有越來越多的實踐證明，經(jīng)RET和強化應(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，隨著經(jīng)驗的積累，RET技術(shù)與模擬技術(shù)必然朝著相輔相成、取長補短、互相滲透、簡化取代以獲取可靠性、經(jīng)費和進度三者的*隹綜合效益的方面發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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: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
