陳鐵牛，吳 昌，王海波

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

空空導(dǎo)彈研制過程中，非常重視可靠性試驗(yàn)工作。因?yàn)榧词故亲钣薪?jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師運(yùn)用各種可靠性設(shè)計(jì)分析手段設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，如果不進(jìn)行試驗(yàn)的驗(yàn)證也很難保證沒有缺陷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約70%的缺陷需要通過試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)。

在國外，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)得到了廣泛的應(yīng)用。目前從事可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究的主要研究機(jī)構(gòu)有Qual-Mark 公司、Otis Elevator 公司和Hobbs Engineering 公司等。在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論研究方面比較知名的專家有Wayne Nelson，S. Smithson，Joseph Capitano，Gregg K. Hobbs 等［1－6］。

在國內(nèi)，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)方面得到了快速的發(fā)展。目前，開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究的單位主要有國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國工程物理研究院電子工程研究所、信息產(chǎn)業(yè)部電子5 所等。北京航空航天大學(xué)和國防科技大學(xué)可靠性實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備，并開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論與技術(shù)研究。

在工程應(yīng)用方面，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)幾家大公司開展。如深圳的華為公司將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于其電子產(chǎn)品的研制。有關(guān)文獻(xiàn)顯示，國內(nèi)目前已經(jīng)完成可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的產(chǎn)品主要有某通信產(chǎn)品、某液晶顯示器溫控電路板、某機(jī)載電子設(shè)備、某軍用直流電源、軍用特種電真空組件、星載銣鐘、某繼電器等［7－10］。

1 試驗(yàn)機(jī)理探析

強(qiáng)度干涉理論為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品壽命期內(nèi)所遇到的應(yīng)力符合高斯分布，如圖1 中曲線C 所示。另一方面，產(chǎn)品各部分耐環(huán)境應(yīng)力也符合高斯分布，如圖1 中曲線A 所示。當(dāng)耐環(huán)境應(yīng)力能力較低的正好遇到高應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)品將呈現(xiàn)故障狀態(tài)。

圖1 產(chǎn)品耐應(yīng)力強(qiáng)度與試驗(yàn)應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系

在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中，通過施加步進(jìn)應(yīng)力的方法，將使試驗(yàn)施加應(yīng)力曲線C 不斷右移。同時(shí)，由于對應(yīng)力激發(fā)出的缺陷采取了糾正措施而使產(chǎn)品的耐應(yīng)力強(qiáng)度增加，其曲線A 也不斷右移。試驗(yàn)最終施加的應(yīng)力超過規(guī)范規(guī)定或使用中遇到的應(yīng)力，而且已針對此高應(yīng)力下激發(fā)出的缺陷采取了有效的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，因而產(chǎn)品耐應(yīng)力強(qiáng)度分布曲線大大右移，使圖中的曲線A 變?yōu)榍€An，遠(yuǎn)離原來曲線A 的位置，使得C 和An 兩個(gè)曲線之間的距離大大增加。

2 試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)對象

空空導(dǎo)彈可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)對象可以分為全彈級、組件級和分組件級等不同產(chǎn)品。通過對全彈級產(chǎn)品開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，考核各艙段(組件)連接方式，完成全彈技術(shù)指標(biāo)要求的驗(yàn)證;主要由電子產(chǎn)品組成的組件級產(chǎn)品開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié);對重要的分組件和外協(xié)成件，如三軸光纖陀螺、分控計(jì)算機(jī)、導(dǎo)引頭信號處理機(jī)、相控陣天線等可有選擇的開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，盡早在較低組裝等級暴露產(chǎn)品缺陷。試驗(yàn)件從產(chǎn)品中隨機(jī)抽取，應(yīng)滿足以下要求:

(1)同狀態(tài)產(chǎn)品已通過必要的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)且合格;

(2)產(chǎn)品已經(jīng)通過交付試驗(yàn)，性能和功能檢測合格。

2.2 試驗(yàn)件數(shù)量

考慮試驗(yàn)費(fèi)效比、產(chǎn)品研制周期等原因，針對特別貴重的全彈級、組件級和分組件級產(chǎn)品，可選用一發(fā)產(chǎn)品開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。在步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中，對異常情況排故之后，若改進(jìn)措施促進(jìn)了產(chǎn)品可靠性的增長，且改進(jìn)僅涉及普通元器件更換或局部工藝改進(jìn)，則以產(chǎn)品恢復(fù)正常的應(yīng)力量值為起點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn);若改進(jìn)涉及到板級以上或關(guān)重件產(chǎn)品，則從初始量級重新開始，以上情況產(chǎn)品的應(yīng)力極限應(yīng)重新予以確認(rèn)。試驗(yàn)產(chǎn)品在快速溫變循環(huán)和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)中出現(xiàn)故障，產(chǎn)品修復(fù)后從故障中斷的循環(huán)開始，繼續(xù)完成后續(xù)試驗(yàn)。針對多枚樣本的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，出現(xiàn)破壞極限的產(chǎn)品原則上不繼續(xù)進(jìn)行下階段試驗(yàn)。

針對產(chǎn)品數(shù)量相對富裕，具備多枚產(chǎn)品開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的產(chǎn)品，推薦試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)量如下:

表1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)樣本

2.3 試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

2.3.1 傳統(tǒng)試驗(yàn)方案

傳統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)所施加的應(yīng)力一般包括溫度步進(jìn)、溫度循環(huán)、振動以及綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)。步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱舜_定產(chǎn)品的工作極限，快速溫變循環(huán)應(yīng)力和綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)的目的是為了通過溫度應(yīng)力的快速變化以及綜合環(huán)境應(yīng)力來激發(fā)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)缺陷。通過對空空導(dǎo)彈進(jìn)行使用環(huán)境因素和敏感應(yīng)力分析，得出對其影響最大的應(yīng)力主要是隨機(jī)振動應(yīng)力和溫度應(yīng)力。在產(chǎn)品樣本數(shù)量較少的情況下，為了盡可能有效地利用有限的樣本，保證從有限的樣本中獲得足夠的信息，從對產(chǎn)品破壞性小的項(xiàng)目開始進(jìn)行試驗(yàn)［11－16］。試驗(yàn)剖面如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案

空空導(dǎo)彈是具有單個(gè)產(chǎn)品較昂貴、試驗(yàn)樣本量小、研制周期越來越短等特點(diǎn)的武器裝備。傳統(tǒng)強(qiáng)化試驗(yàn)方案的操作流程較簡單，但從其環(huán)境制定的條件可以看出該試驗(yàn)方案尚有如下不足:

(1)在低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)和振動步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)過程中，通過施加步進(jìn)應(yīng)力直到找到產(chǎn)品工作極限或破壞極限。這種方法不能有效控制產(chǎn)品破壞極限出現(xiàn)的時(shí)機(jī)，空空導(dǎo)彈是復(fù)雜的武器裝備系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)破壞極限，往往故障歸零需要耗費(fèi)較長時(shí)間，從而影響試驗(yàn)效率;

(2)傳統(tǒng)強(qiáng)化試驗(yàn)方案以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)為目的，因不考慮環(huán)境應(yīng)力之間的相互影響，得到的產(chǎn)品工作/破壞極限存在較大偏差，通過試驗(yàn)提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息量較小。在空空導(dǎo)彈的研制階段，由于研制周期和成本的限制，產(chǎn)品個(gè)數(shù)非常稀少，傳統(tǒng)的強(qiáng)化試驗(yàn)方案不能滿足實(shí)際工作需要，會造成較大的資源浪費(fèi);

(3)在產(chǎn)品研制階段，由于自身測試水平的限制，通過試驗(yàn)中的常規(guī)檢測，通常無法充分發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的內(nèi)部潛在缺陷。同時(shí)，一個(gè)合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)不但要考慮產(chǎn)品的可靠性，還要使產(chǎn)品具有較高的維修性、測試性、安全性和綜合保障性能。一個(gè)經(jīng)過強(qiáng)化試驗(yàn)考核的產(chǎn)品，其自身的“五性”設(shè)計(jì)均經(jīng)過了考核，是非常寶貴的資源，需要進(jìn)一步進(jìn)行合理利用以免造成資源浪費(fèi)。

2.3.2 改進(jìn)試驗(yàn)方案

全彈級產(chǎn)品由于試驗(yàn)設(shè)備限制等原因，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中僅開展低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)和振動步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn);針對組件級產(chǎn)品，結(jié)合空空導(dǎo)彈具有更新?lián)Q代快、經(jīng)費(fèi)有限以及小子樣等特點(diǎn)，針對較為常見的單樣本試驗(yàn)情況，設(shè)計(jì)了一種空空導(dǎo)彈可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，如圖3 所示。

在完成可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)后，進(jìn)行拆卸、分解、檢查、測試、分析，檢查各組件整體及其零部件是否存在機(jī)械磨損、各項(xiàng)功能和性能指標(biāo)是否正常。如果存在故障，則通過故障的檢測和分析，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)建議，促進(jìn)空空導(dǎo)彈“五性”水平的提高。

圖3 改進(jìn)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案及實(shí)施流程

由圖3 可知，試驗(yàn)前要結(jié)合空空導(dǎo)彈使用環(huán)境，確定試驗(yàn)應(yīng)力類型及應(yīng)力的組合模式。首先進(jìn)行環(huán)境敏感應(yīng)力分析，對試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境因素和敏感應(yīng)力分析，找出影響產(chǎn)品可靠性的主要因素和對產(chǎn)品可靠性影響較大的敏感應(yīng)力。通過研究各應(yīng)力與誘發(fā)相關(guān)故障模式的關(guān)系，結(jié)合空空導(dǎo)彈的特點(diǎn)，確定試驗(yàn)以溫度、振動作為主要應(yīng)力條件來激發(fā)其潛在缺陷，根據(jù)環(huán)境應(yīng)力與失效的關(guān)系，選擇應(yīng)力的組合模式，包括:溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、振動步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、快速溫變循環(huán)試驗(yàn)、快速溫變+隨機(jī)振動的綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)。

試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)步驟如下:

步驟1，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范和交付試驗(yàn)要求，明確第一階段試驗(yàn)應(yīng)力條件。

該步驟所述的明確第一階段試驗(yàn)應(yīng)力條件，需要明確的參數(shù)包括:溫度應(yīng)力范圍、振動應(yīng)力范圍、振動試驗(yàn)譜型和振動時(shí)間。參數(shù)的確定需要依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范和交付試驗(yàn)條件要求，選取一定的余量作為第一階段試驗(yàn)的應(yīng)力范圍。為了提高試驗(yàn)效率，選取交付試驗(yàn)條件作為步進(jìn)試驗(yàn)的起始量值。此階段不但考察產(chǎn)品在規(guī)定環(huán)境及略高于規(guī)定環(huán)境下的穩(wěn)定工作能力，也考察了產(chǎn)品交付前期試驗(yàn)的有效性。

步驟2，依據(jù)元器件工作極限范圍，確定第二階段試驗(yàn)應(yīng)力條件。

確定第二階段步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)條件，應(yīng)結(jié)合可靠性預(yù)計(jì)等工作，參考所選用元器件的工作極限范圍，確定步進(jìn)環(huán)境應(yīng)力的極限范圍?？焖贉刈冄h(huán)和綜合環(huán)境應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)中的高/低溫極限值的選擇，應(yīng)在確保試驗(yàn)不出現(xiàn)破壞性環(huán)境應(yīng)力的同時(shí)，選用盡可能高的環(huán)境應(yīng)力，即防止因出現(xiàn)破壞性故障而暫停試驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品維修，達(dá)到實(shí)現(xiàn)盡早暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)、縮短研制周期的目的?？蛇x擇溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中最大量值的80%，并可根據(jù)產(chǎn)品工作極限對高/低溫極限值進(jìn)行適當(dāng)修改(高/低溫極限值應(yīng)不低于設(shè)計(jì)極限值)，選取盡可能高的溫變率。綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)中振動量值步進(jìn)施加，每個(gè)溫度循環(huán)的振動水平值由振動工作極限(或振動步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中因沒有發(fā)生產(chǎn)品故障而停止試驗(yàn)的最大值)除以循環(huán)數(shù)確定，即振動應(yīng)力的步長相同。在保證一定篩選度的情況下，可根據(jù)實(shí)際采用的溫度變化率確定所需的溫度循環(huán)數(shù)［17－19］。如選取115 ℃的溫度范圍，溫度變化率和循環(huán)次數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

表2 溫度變化率與循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的篩選度

步驟3，如果試驗(yàn)產(chǎn)品在前期的步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中沒有找到工作極限，則繼續(xù)進(jìn)行步進(jìn)試驗(yàn)，以找到產(chǎn)品工作/破壞極限。考慮試驗(yàn)的費(fèi)效比并結(jié)合實(shí)際設(shè)備工作能力，低溫步進(jìn)應(yīng)力極限為－70 ℃;高溫步進(jìn)應(yīng)力極限為+125 ℃;振動步進(jìn)應(yīng)力極限為26g 時(shí)，可停止步進(jìn)試驗(yàn)。

在試驗(yàn)結(jié)束后，對產(chǎn)品分解、顯微觀察、記錄各部分外觀情況，通過對產(chǎn)品的分解拆卸，檢查產(chǎn)品在經(jīng)歷強(qiáng)化試驗(yàn)后外觀、物理結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等方面是否存在異常。檢查產(chǎn)品可靠性、維修性、測試性、安全性和保障性方面尤其是二級和三級維修方面的問題和不足。通過拆解檢查，可得到各可更換單元每步拆解的時(shí)間，確認(rèn)螺釘、接插件、焊點(diǎn)的狀態(tài)，對比拆解前后的測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)可達(dá)性、防差錯(cuò)等方面的問題。提出改進(jìn)措施建議，促進(jìn)產(chǎn)品可靠性、維修性的提高。

3 應(yīng)用案例

在某項(xiàng)目中，共對13個(gè)產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面進(jìn)行試驗(yàn)，暴露了舵機(jī)通道不跟隨、轉(zhuǎn)動故障、關(guān)節(jié)軸承外環(huán)斷裂、低溫性能超差等8 處薄弱環(huán)節(jié);在某新型產(chǎn)品研制階段，共對6發(fā)組件產(chǎn)品采用改進(jìn)型可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中暴露了23 處薄弱環(huán)節(jié)，如表3所示。

表3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)改進(jìn)型剖面應(yīng)用中暴露問題清單

傳統(tǒng)型和改進(jìn)型試驗(yàn)剖面進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)所暴露的故障數(shù)如圖4 所示。在改進(jìn)型剖面中，對采用改進(jìn)試驗(yàn)剖面進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的產(chǎn)品實(shí)施物理分解，共暴露27 處薄弱環(huán)節(jié)，與可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力有關(guān)的薄弱環(huán)節(jié)有9 處，包括:殼體連接處掉漆、產(chǎn)品連接螺釘斷裂、產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)件斷裂、電路板元器件脫落、導(dǎo)線擠壓并磨損、器件焊腳彎曲變形、電纜熱縮套管高溫回縮、夾具連接處變形和線纜相互磨損。針對27 處問題均提出了相應(yīng)的改進(jìn)意見和建議。

圖4 故障數(shù)對比

4 結(jié) 論

本文介紹的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，結(jié)合了空空導(dǎo)彈單個(gè)產(chǎn)品較為昂貴、試驗(yàn)樣本量小等特點(diǎn)，繼承了傳統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷和暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，提高了試驗(yàn)效率，縮短了試驗(yàn)時(shí)間。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)已在多個(gè)型號空空導(dǎo)彈研制過程中得到了系列的應(yīng)用，改進(jìn)型剖面的應(yīng)用進(jìn)一步提高了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)效率。改進(jìn)型試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)中，充分利用了試驗(yàn)后產(chǎn)品，暴露隱藏產(chǎn)品內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，將可靠性、維修性、測試性、安全性和保障性等工作進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。另外，為了制定更加合理的試驗(yàn)方案，促使可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的持續(xù)改進(jìn)，針對試驗(yàn)機(jī)理和故障機(jī)理的研究有待進(jìn)一步深入。

［1］蔣培，陳循，張春華，等. 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)綜述［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2003，30(1):58－61.

［2］姚軍，曹心寬，姜同敏.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)定量評估方法［J］. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，32(1):117－120.

［3］范志鋒，齊杏林，雷彬.加速可靠性試驗(yàn)綜述［J］.裝備環(huán)境工程，2008，5(2):37－40.

［4］呂明春，梁紅衛(wèi)，張春華，等.加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2007(3):46－49.

［5］Silverman M. Summary of HALT and HASS Results at an Accelerated Reliability Test Center ［C］∥Proceeding in Reliability and Maintainability Symposium，1998.

［6］王德言，張建國，鐘瓊?cè)A，等.環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展［J］.裝備環(huán)境工程，2005，2(5):10－13.

［7］王志兵，邵詠松. 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在某繼電器失效機(jī)理分析中的應(yīng)用［J］. 航空兵器，2006(4):54－57.

［8］褚衛(wèi)華，陳循，陶俊勇，等. 高加速壽命試驗(yàn)(HALT)與高加速應(yīng)力篩選(HASS)［J］.強(qiáng)度與環(huán)境，2002，29(4):23－37.

［9］劉加凱，齊杏林，范志鋒.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的機(jī)理探析［J］.裝備環(huán)境工程，2009(6):36－45.

［10］溫熙森，陳循，張春華，等. 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［11］李超，尹霞，陳琨.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.質(zhì)量與可靠性，2006(2):25－29.

［12］陳循，陶俊勇，張春華.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)與加速壽命試驗(yàn)綜述［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(4):29－32.

［13］祝耀昌.可靠性故障物理技術(shù)及其應(yīng)用［J］.裝備環(huán)境工程，2005(2):28－32.

［14］劉加凱，齊杏林，賀連梁，等. 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論分析及其在引信中的應(yīng)用［J］. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境實(shí)驗(yàn)，2010(1):15－19.

［15］祝耀昌. 高加速壽命實(shí)驗(yàn)［J］. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2005(6):37－41.

［16］Hobbs G K. Accelerated Reliability Engineering:HALT and HASS［M］. New York:John Wiley＆Sons Ltd，2000.

［17］張春華.步降應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的理論和方法［D］.長沙:國防科技大學(xué)，2002.

［18］Connolly M P，Rose K R.Can HALT and HAST Replace Some U. S. MIL-STD-331 Climatic Tests for Electronic Fuzes［C］//NDIA 47th Annual Fuze Conference，2003.

［19］姜同敏.可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)及在航空工程中的應(yīng)用［J］.航空工程，2001(1):32－34.