潘新祥

（中國人民解放軍海軍駐連云港七一六所軍事代表室 連云港 222006）

1 引言

可靠性試驗(yàn)技術(shù)從誕生至今可歸結(jié)為模擬試驗(yàn)和激發(fā)試驗(yàn)兩大類［1］。模擬試驗(yàn)通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行使用環(huán)境模擬來檢驗(yàn)或鑒定產(chǎn)品的可靠性程度，如我國的GJB899A、GJB1407等標(biāo)準(zhǔn)均是采用模擬試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)，由于采用的是基于環(huán)境真實(shí)性模擬的試驗(yàn)方法，因此存在試驗(yàn)周期長、效率低、耗費(fèi)大的缺點(diǎn)，此外，完全真實(shí)地模擬產(chǎn)品的使用環(huán)境往往存在諸多困難，以至于在實(shí)際工程中難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與產(chǎn)品的實(shí)際使用情況不符。為有效解決模擬試驗(yàn)存在的問題，上世紀(jì)80年代后期，可靠性試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域形成了一項(xiàng)以環(huán)境應(yīng)力篩選為代表的新分支，即激發(fā)試驗(yàn)技術(shù)，它不以環(huán)境的真實(shí)性模擬為目標(biāo)，而是通過強(qiáng)化環(huán)境來進(jìn)行試驗(yàn)，以提高試驗(yàn)效率、降低消耗。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)備復(fù)雜程度越來越高，更新?lián)Q代的步伐也越來越快，再加上高可靠性高壽命電子產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，主要針對(duì)生產(chǎn)工藝缺陷的這一類激發(fā)試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)趕不上現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的步伐。20世紀(jì)80年代，美國G.K.Hobbs博士提出了高加速壽命試驗(yàn)（Highly accelerated life test，HALT）和高加速應(yīng)力篩選HASS（Highly Accelerated stress screen，HASS），前者用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，目的是快速暴露產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷，以便及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的固有可靠性；后者用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，目的是快速暴露產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的各種制造缺陷，為用戶提供高可靠性的產(chǎn)品［1］。1994年，波音公司在此基礎(chǔ)上開發(fā)了用于實(shí)現(xiàn)高可靠性增長為目的的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。它通過人為施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范所允許的極限應(yīng)力快速有效地激發(fā)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造缺陷，從而大幅度提高了試驗(yàn)效率，具有試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)效率高、耗費(fèi)小、能夠快速暴露電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷的特點(diǎn)。到目前為止，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在國際上已經(jīng)被普遍認(rèn)同并執(zhí)行，且在保證產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用可靠性方面獲得廣泛應(yīng)用。

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，軍用電子產(chǎn)品由于其使用的特殊性和重要性，要求其具有很高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，而產(chǎn)品不可靠的設(shè)計(jì)往往造成故障頻繁，使后勤保障費(fèi)用增加，更重要的是將大大降低裝備的戰(zhàn)斗力和出勤率，貽誤戰(zhàn)機(jī)或影響作戰(zhàn)任務(wù)的完成［2］?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)采用強(qiáng)化應(yīng)力激發(fā)缺陷的方法，快速有效地暴露設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。本文以我單位某型軍用電子產(chǎn)品為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)其RET試驗(yàn)剖面，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，尋找工作極限和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷，從而為同類軍用電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）概述

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）是在克服傳統(tǒng)試驗(yàn)方法試驗(yàn)周期長、效率低、耗費(fèi)大等缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新的可靠性試驗(yàn)技術(shù)。其理論依據(jù)是故障物理學(xué)，把故障或失效當(dāng)作研究的主要對(duì)象，通過施加的強(qiáng)化應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，快速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷使其以故障形式表現(xiàn)出來，通過故障模式分析、故障機(jī)理分析和改進(jìn)措施消除缺陷提高產(chǎn)品的可靠性［1］?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)并不強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性，而是在保證失效機(jī)理不變的情況下，強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)的激發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)研制過程中可靠性水平的快速增長，因此，確定產(chǎn)品的工作極限和破壞極限是RET的主要目的之一，同時(shí)，準(zhǔn)確的極限應(yīng)力確定也為之后進(jìn)行的高加速應(yīng)力篩選（HASS）試驗(yàn)和環(huán)境鑒定試驗(yàn)提供了依據(jù)。

從上世紀(jì)90年代開始，美國等西方發(fā)達(dá)國家相繼在航空航天、國防、軍事工業(yè)等領(lǐng)域推廣應(yīng)用RET技術(shù)，并呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和政治效益［3］。對(duì)國內(nèi)來說，RET仍然是一門新興技術(shù)，由于管理體制、設(shè)計(jì)思想、試驗(yàn)觀念、試驗(yàn)理論和方法等因素的制約［2～4，7］，我國的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)尚處于起步階段，目前還沒有統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或指南，工程應(yīng)用主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)施加振動(dòng)和溫度應(yīng)力剖面。

3 RET試驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用

以某軍用電子產(chǎn)品為試驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)委托方要求，設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)剖面以充分暴露設(shè)計(jì)缺陷，并尋找產(chǎn)品的極限應(yīng)力。由于委托方只需找出該產(chǎn)品的工作極限（包括工作溫度極限和工作振動(dòng)極限），從而為設(shè)計(jì)該產(chǎn)品提供有效依據(jù)，因此當(dāng)確定工作極限后即停止試驗(yàn)，不再尋找其破壞極限。

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備采用美國環(huán)測(cè)公司：Starr44Plus－X型高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)系統(tǒng)，其中振動(dòng)臺(tái)為多軸向氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。某型軍用電子產(chǎn)品通過夾具被固定在振動(dòng)臺(tái)上，如圖1所示。

圖1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)物圖

RET試驗(yàn)項(xiàng)目包括溫度步進(jìn)應(yīng)力、快速溫度變換、6自由度隨機(jī)振動(dòng)、溫度與振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力的綜合及試驗(yàn)的結(jié)尾等。為了從被試產(chǎn)品中獲得盡可能多的信息或數(shù)據(jù)，RET試驗(yàn)的應(yīng)力施加過程是從施加破壞性最小的應(yīng)力開始，逐步加大到最能產(chǎn)生破壞的應(yīng)力，因此本試驗(yàn)的應(yīng)力選擇順序?yàn)椋航禍夭竭M(jìn)、高溫步進(jìn)、快速溫變、振動(dòng)步進(jìn)、綜合應(yīng)力。

3.2 試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)及試驗(yàn)實(shí)施

目前RET試驗(yàn)剖面的設(shè)計(jì)還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)可供參考，一般都遵循工程師Chris Scholten提出的方法：一個(gè)典型的RET剖面開始于5℃～10℃步長的冷步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，然后是同樣步長的熱步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，接著是快速溫度變換試驗(yàn)，然后是振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，最后是溫度和振動(dòng)的綜合試驗(yàn)［5］。

工作極限確定方法：在每一個(gè)步進(jìn)溫度點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，觀察在當(dāng)前溫度條件下受試產(chǎn)品的工作情況，若產(chǎn)品工作正常則溫度步進(jìn)至下一溫度點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)；若受試產(chǎn)品工作不正常，則停止試驗(yàn)并恢復(fù)到上一個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試；如工作正常，則該溫度點(diǎn)即為高溫工作極限；若工作不正常，繼續(xù)恢復(fù)上一個(gè)溫度點(diǎn)，進(jìn)行測(cè)試，如果應(yīng)力到達(dá)正常狀態(tài)時(shí)產(chǎn)品都無法恢復(fù)功能，那么說明發(fā)生故障處的應(yīng)力為破壞極限。

根據(jù)委托方提出的要求，設(shè)計(jì)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面，并對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，尋找產(chǎn)品的工作極限，具體過程如下：

1）降溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

降溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的目的是為了尋找與確定產(chǎn)品的低溫工作極限，為進(jìn)行快速溫度提供低溫截至溫度，起始溫度（－20℃），步進(jìn)量在溫度高于給定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作極限溫度時(shí)取5℃／步；當(dāng)溫度小于等于給定的設(shè)計(jì)工作極限溫度時(shí)取2℃／步，變溫率60℃／min，保溫時(shí)間為產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定時(shí)間加測(cè)試時(shí)間。降溫的極限溫度以試驗(yàn)樣品出現(xiàn)可恢復(fù)故障的溫度為準(zhǔn)。在每步階溫度穩(wěn)定情況下對(duì)該電子產(chǎn)品的功能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)安裝及實(shí)測(cè)剖面如圖2所示。本試驗(yàn)中，當(dāng)溫度下降到－48℃時(shí)，樣機(jī)出現(xiàn)故障，當(dāng)溫度上升2℃并穩(wěn)定后，再進(jìn)行功能測(cè)試，樣機(jī)正常工作，表明該產(chǎn)品的工作溫度下限為－48℃。

圖2 降溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)安裝及實(shí)測(cè)剖面圖

2）高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的目的是為了尋找與確定產(chǎn)品的高溫工作極限，為進(jìn)行快速溫度提供高溫截至溫度，起始溫度（60℃），步進(jìn)量在溫度低于給定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作極限溫度時(shí)取5℃／步；當(dāng)溫度高于等于給定的設(shè)計(jì)工作極限溫度時(shí)取2℃／步，變溫率60℃／min，保溫時(shí)間為產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定時(shí)間加測(cè)試時(shí)間，高溫的極限溫度以試驗(yàn)樣品出現(xiàn)可恢復(fù)故障的溫度為準(zhǔn)，在每步階溫度穩(wěn)定情況下對(duì)該電子產(chǎn)品的功能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)實(shí)測(cè)剖面如圖3所示。本試驗(yàn)中，當(dāng)溫度升到92℃時(shí)，樣機(jī)出現(xiàn)故障，當(dāng)溫度下降2℃并穩(wěn)定后，再進(jìn)行功能測(cè)試，樣機(jī)正常工作，表明該產(chǎn)品的工作溫度上限為92℃。

圖3 高溫步進(jìn)應(yīng)力實(shí)測(cè)剖面圖

3）快速溫變應(yīng)力試驗(yàn)

快速溫度變化應(yīng)力試驗(yàn)的溫度變化范圍在上述溫度試驗(yàn)結(jié)果得到的工作溫度極限的基礎(chǔ)上去10℃的余量，溫度變化率采用40℃／min、50℃／min、60℃／min三個(gè)試驗(yàn)過程，每個(gè)溫變率循環(huán)次數(shù)3次，在試驗(yàn)過程中對(duì)該電子產(chǎn)品的功能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)實(shí)測(cè)剖面如圖4所示。試驗(yàn)中，故障監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，整個(gè)試驗(yàn)過程中，產(chǎn)品未出現(xiàn)故障。

圖4 快速溫度變化應(yīng)力實(shí)測(cè)剖面圖

4）振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

振動(dòng)試驗(yàn)采用10Hz～12KHz的3軸6自由度寬帶隨機(jī)振動(dòng)，振動(dòng)量級(jí)同樣采用步進(jìn)的方式，初始量級(jí)為5G，每步長5G，每個(gè)量級(jí)保持時(shí)間為10min（含測(cè)試時(shí)間），在每步階持續(xù)振動(dòng)的條件下對(duì)該電子產(chǎn)品的功能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)過程中，當(dāng)振動(dòng)應(yīng)力上升到30Grms時(shí)，故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示樣機(jī)出現(xiàn)故障，此時(shí)將振動(dòng)應(yīng)力下降5Grms再進(jìn)行功能測(cè)試，樣機(jī)功能恢復(fù)正常，表明該產(chǎn)品的工作振動(dòng)極限為30Grms。試驗(yàn)實(shí)測(cè)剖面如圖5所示。

圖5 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力實(shí)測(cè)剖面圖

5）綜合應(yīng)力試驗(yàn)

產(chǎn)品如果沒有遇到破壞性失效則進(jìn)行五次綜合環(huán)境循環(huán)。綜合環(huán)境試驗(yàn)的溫度剖面是在溫度工作極限之間（即高低溫工作極限值－10℃）的循環(huán)，溫變速率采用40℃／min、50℃／min和60℃／min共3種溫度變化速率進(jìn)行，每種溫度變化速率各進(jìn)行5個(gè)循環(huán)。即前5個(gè)循環(huán)為40℃／min溫度變化速率，其后5個(gè)循環(huán)為50℃／min溫度變化速率，最后5個(gè)循環(huán)為60℃／min溫度變化速率。每個(gè)溫度極限上的保持時(shí)間以預(yù)試驗(yàn)時(shí)確定的保溫時(shí)間為準(zhǔn)。

所要求的至少五次綜合環(huán)境循環(huán)的初始振動(dòng)量級(jí)由振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)施加的最大振動(dòng)量級(jí)除以5得出，每個(gè)量級(jí)的振動(dòng)時(shí)間分別對(duì)應(yīng)每種溫變速率一個(gè)溫度循環(huán)的時(shí)間。在接下來的溫度循環(huán)中，振動(dòng)量級(jí)以相同量值增長。比如，若樣品在振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力為50Grms的振動(dòng)量級(jí)開始，在40℃／min溫變速率的溫度循環(huán)中每次增加10Grms，即第一循環(huán)：10Grms、第二循環(huán)：20Grms、第三循環(huán)：30Grms、第四循環(huán)：40Grms、第五循環(huán)：50Grms。如果振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)沒有達(dá)到受試產(chǎn)品的振動(dòng)工作極限，則將得到的最大振動(dòng)量級(jí)除以5，振動(dòng)的初始量級(jí)和量級(jí)增量的確定方法同前。

圖6 綜合應(yīng)力試驗(yàn)實(shí)測(cè)剖面圖

同理快速溫變應(yīng)力試驗(yàn)，綜合應(yīng)力試驗(yàn)也只需要驗(yàn)證產(chǎn)品在已經(jīng)設(shè)定的試驗(yàn)條件下的工作情況。故障監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，整個(gè)試驗(yàn)過程中，產(chǎn)品沒有出現(xiàn)故障。

6）試驗(yàn)的結(jié)尾

在下述情況出現(xiàn)時(shí)試驗(yàn)結(jié)束：

（1）可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)采用應(yīng)力量級(jí)步進(jìn)的方式，隨著以更高的應(yīng)力量級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，引入新的失效機(jī)理，開始出現(xiàn)不相關(guān)失效時(shí)應(yīng)停止試驗(yàn)；

（2）應(yīng)力量級(jí)已經(jīng)達(dá)到或遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過驗(yàn)證產(chǎn)品時(shí)所要求的應(yīng)力水平時(shí)，停止試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)審；

（3）全部組件或是大多數(shù)組件失效時(shí)，停止試驗(yàn)并重新審核試驗(yàn)方案與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

對(duì)某軍用電子產(chǎn)品在進(jìn)行了低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)、快速溫變、振動(dòng)步進(jìn)、綜合應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)論如下：

1）工作溫度上限（UOL）：92℃；

2）工作溫度下限（LOL）：－48℃；

3）工作振動(dòng)極限（VOL）：30Grms；

4）產(chǎn)品經(jīng)過快速溫變應(yīng)力試驗(yàn)后，未出現(xiàn)故障，能正常工作；

5）該產(chǎn)品經(jīng)過綜合應(yīng)力試驗(yàn)后，未出現(xiàn)故障，能常工作。試驗(yàn)后的結(jié)果分析表明，已經(jīng)出現(xiàn)的故障均為環(huán)境應(yīng)力到達(dá)工作極限引起的，應(yīng)力消除后產(chǎn)品均能恢復(fù)正常工作，快速溫變應(yīng)力試驗(yàn)和綜合應(yīng)力試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)因設(shè)計(jì)缺陷引起的產(chǎn)品故障。本次試驗(yàn)滿足委托方提出的要求，達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 結(jié)語

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)主要針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)不僅能確定產(chǎn)品的極限應(yīng)力，而且能夠快速地找出設(shè)計(jì)缺陷并加以改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的工作和破壞極限，同時(shí)大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間與研制周期，其在提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性和可靠性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文以軍用電子產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）為研究對(duì)象，對(duì)RET試驗(yàn)的定義、特性、目的、優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀等進(jìn)行了介紹，并以某軍用電子產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)為例，重點(diǎn)闡述了其試驗(yàn)剖面的設(shè)計(jì)以及尋找工作極限的方法，最后通過試驗(yàn)確定了該產(chǎn)品工作溫度上限、下限以及工作振動(dòng)極限。此次試驗(yàn)確定的工作極限為生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)該產(chǎn)品提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并為制定高加速應(yīng)力篩選（HASS）方案、確定應(yīng)力量級(jí)提供了依據(jù)。

［1］溫熙森，陳循，張春華?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)理論與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］祝耀昌，王欣，郝文濤.環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)［J］.航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2002（1）.

［3］褚衛(wèi)華，陳循，陶俊勇.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（HALT）與高加速應(yīng)力篩選（HASS）［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2002，29（4）.

［4］韓慶田，楊興根，高曉燕，吳文國.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2003（11）.

［5］賈愛梅，蔣賢志.機(jī)動(dòng)式指揮信息系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011（11）.

［6］羅勇，夏丹，徐丹.基于可靠性評(píng)估的維修診斷輔助決策系統(tǒng)研究［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011（11）.

［7］林震，張愛民，沈朝暉，等.談?wù)効煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)［J］.環(huán)境技術(shù)，2002（4）.