袁澤譚，樊西龍，趙曉東

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089)

機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性定量加速增長(zhǎng)試驗(yàn)技術(shù)

袁澤譚，樊西龍，趙曉東

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089)

傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)在環(huán)境與時(shí)間上存在不足，已很難滿足現(xiàn)代飛機(jī)可靠性試驗(yàn)工作的要求?；诠收衔锢韺W(xué)，通過研究航空電子類機(jī)載設(shè)備在綜合環(huán)境應(yīng)力條件下的故障原因及其分布規(guī)律，結(jié)合傳統(tǒng)可靠性加速試驗(yàn)和增長(zhǎng)試驗(yàn)的特點(diǎn)，提出一種可靠性試驗(yàn)的新方法，詳細(xì)介紹具體的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)流程、試驗(yàn)應(yīng)力、故障處理要求和評(píng)估方法等關(guān)鍵技術(shù)，并將其應(yīng)用在受試產(chǎn)品的典型案例中。結(jié)果表明：當(dāng)產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到952.4 h時(shí)，故障數(shù)為0，可以認(rèn)為該產(chǎn)品以70%的置信度確定產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間已達(dá)到25 000 h；本文提出的可靠性試驗(yàn)方法能夠有效解決基于環(huán)境模擬的傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法和評(píng)估技術(shù)不能在短的研制周期內(nèi)評(píng)估高可靠性指標(biāo)要求的機(jī)載設(shè)備的工程難題，可以實(shí)現(xiàn)加速因子的多樣、可控，有效地縮短試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

機(jī)載電子產(chǎn)品；加速增長(zhǎng)試驗(yàn)；加速因子；可靠性

0 引 言

隨著我國(guó)軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和使用需要，軍用飛機(jī)的可靠性指標(biāo)越來越高，整機(jī)可靠性要求的提高使機(jī)載設(shè)備可靠性指標(biāo)也大幅度提高[1]。如果仍沿用傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)，存在以下兩個(gè)缺點(diǎn)[2]：①較高的可靠性要求，必將導(dǎo)致較長(zhǎng)的可靠性試驗(yàn)時(shí)間，帶來較高的試驗(yàn)費(fèi)用，從而使可靠性試驗(yàn)很難在大范圍內(nèi)推廣；②進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的產(chǎn)品，由于試驗(yàn)時(shí)間不足，故障暴露不夠充分，可靠性水平提高有限。因此，傳統(tǒng)的可靠性環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)可靠性試驗(yàn)工作的要求。為了有效解決現(xiàn)代電子設(shè)備可靠性和復(fù)雜性之間的矛盾、提高可靠性試驗(yàn)效率、最大程度地降低電子設(shè)備全壽命周期費(fèi)用，必須研究新的可靠性試驗(yàn)技術(shù)和方法[3]，故可靠性加速試驗(yàn)不可或缺。

現(xiàn)如今武器裝備的性能與功能要求不斷提高，對(duì)武器裝備的可靠性水平也提出了更高的要求?；谛滦蝿?shì)下裝備的高可靠性和長(zhǎng)壽命的要求及其現(xiàn)代裝備數(shù)字化并行研制模式的特點(diǎn)，對(duì)快速高效開展可靠性試驗(yàn)的需求日益增強(qiáng)[4-6]。

傳統(tǒng)可靠性加速試驗(yàn)通過施加加嚴(yán)應(yīng)力來激發(fā)產(chǎn)品缺陷，使得產(chǎn)品的可靠性特性依賴試驗(yàn)結(jié)果歸納的特點(diǎn)，可以看出傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)未能明確產(chǎn)品的可靠性特性[7]，在進(jìn)行加速試驗(yàn)之前也無法提出有針對(duì)的試驗(yàn)計(jì)劃。因此，本文在傳統(tǒng)的加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)，并介紹具體的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)流程、試驗(yàn)應(yīng)力、故障處理要求和評(píng)估方法。通過將該方法應(yīng)用于具體工程中，以期能有效地縮短試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

1 試驗(yàn)概述

基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)是一種根據(jù)產(chǎn)品的故障物理分析結(jié)果[8]，確定產(chǎn)品加速模型(或加速因子)，并采用加嚴(yán)的試驗(yàn)條件，在較短的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)快速地暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造缺陷，以評(píng)估產(chǎn)品可靠性水平的試驗(yàn)。另一種做法是在加嚴(yán)的試驗(yàn)條件下，開展一定時(shí)間的試驗(yàn)(無需激發(fā)出故障)，并依據(jù)加速模型和統(tǒng)計(jì)方案，給出產(chǎn)品達(dá)到或超過某一可靠性水平的置信概率[9]。因此，通過基于故障物理的可靠性方法，可以在試驗(yàn)前明確產(chǎn)品的可靠性特性[10]，從而有針對(duì)性的設(shè)計(jì)試驗(yàn)、激發(fā)缺陷和評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性。由此可以看出，基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)的前提條件是掌握基于故障物理的可靠性分析方法，并有效利用其結(jié)果設(shè)計(jì)試驗(yàn)[11]。

故障物理和加速試驗(yàn)的原理和方法適用于機(jī)械、機(jī)構(gòu)、電子、機(jī)電等各種類型的產(chǎn)品[12]。本文僅針對(duì)電子產(chǎn)品，因此本文所闡述的各種理論、技術(shù)和方法也僅限于電子產(chǎn)品適用范圍之內(nèi)，同時(shí)基于故障物理的可靠性技術(shù)理論是相對(duì)傳統(tǒng)基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的可靠性技術(shù)而言的，主要基于故障物理學(xué)原理，采用工程分析手段，通過對(duì)產(chǎn)品可能的故障位置、故障機(jī)理、故障模式及其相應(yīng)故障發(fā)生時(shí)間等信息進(jìn)行系統(tǒng)地分析，評(píng)估產(chǎn)品的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)和評(píng)估。再者，在進(jìn)行可靠性加速試驗(yàn)前，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行周密的故障物理分析工作，以確定產(chǎn)品的潛在故障情況，再根據(jù)該故障情況進(jìn)行試驗(yàn)計(jì)劃制定和試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)流程

2.1 基本流程

可靠性加速增長(zhǎng)試驗(yàn)主要包括：制定試驗(yàn)增長(zhǎng)計(jì)劃，確定初始環(huán)境條件，確定環(huán)境邊界、加速系數(shù)和加速試驗(yàn)剖面，試驗(yàn)實(shí)施，故障分析、處理及回歸驗(yàn)證等階段，如圖1所示。

2.2 步驟內(nèi)容

2.2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

選擇合適的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，確定最低可接受的平均故障間隔時(shí)間(Mean Time Between Failure， 簡(jiǎn)稱MTBF)。

2.2.2 制定增長(zhǎng)計(jì)劃

以滿足飛機(jī)機(jī)載產(chǎn)品平均故障間隔時(shí)間的最低可接受值為可靠性加速增長(zhǎng)試驗(yàn)的目標(biāo)，并根據(jù)增長(zhǎng)目標(biāo)，確定增長(zhǎng)模型，繪制增長(zhǎng)曲線，用作監(jiān)控試驗(yàn)的依據(jù)。

2.2.3 確定環(huán)境初始條件

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐摱危_定設(shè)備的傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)?zāi)Ｐ推拭妗?/p>

2.2.4 確定環(huán)境邊界、加速系數(shù)和加速試驗(yàn)剖面

根據(jù)確定原則，確定加速試驗(yàn)條件，原則如下：

(1) 以傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)剖面為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)加速增長(zhǎng)試驗(yàn)剖面，加速增長(zhǎng)試驗(yàn)剖面由溫度、振動(dòng)應(yīng)力、電應(yīng)力和濕度應(yīng)力等組成；

(2) 采用加嚴(yán)溫度循環(huán)的方式進(jìn)行加速溫度循環(huán)條件設(shè)計(jì)，計(jì)算加速系數(shù)，確定加速試驗(yàn)時(shí)間；

(3) 振動(dòng)應(yīng)力根據(jù)累積損傷原理，將加速試驗(yàn)當(dāng)量時(shí)間內(nèi)的損傷等效到加速時(shí)間內(nèi)，同時(shí)應(yīng)保證最大振動(dòng)應(yīng)力不大于可靠性試驗(yàn)綜合應(yīng)力條件的最大應(yīng)力條件；

(4) 當(dāng)加嚴(yán)溫度循環(huán)條件無法得到足夠大的加速系數(shù)時(shí)，溫度循環(huán)應(yīng)力按最大條件設(shè)計(jì)，根據(jù)振動(dòng)條件計(jì)算加速系數(shù)，確定加速試驗(yàn)時(shí)間；

(5) 電應(yīng)力按產(chǎn)品規(guī)范的要求進(jìn)行施加。

2.2.5 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估

當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以給定的顯著性水平表明有明顯的可靠性增長(zhǎng)趨勢(shì)，并通過AMSAA模型(一種可靠性增長(zhǎng)模型)擬合優(yōu)度檢驗(yàn)時(shí)，利用AMSAA模型評(píng)估設(shè)備的基本可靠性指標(biāo)。

當(dāng)不滿足上述要求時(shí)，受試產(chǎn)品的基本可靠性指標(biāo)按照式(1)進(jìn)行評(píng)估。

(1)

式中：T為本次可靠性加速增長(zhǎng)試驗(yàn)等效的正常應(yīng)力下試驗(yàn)時(shí)間；r為在可靠性加速增長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的進(jìn)行改進(jìn)的責(zé)任故障數(shù)；c為置信度(建議取70%)。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)剖面確定方法

加速試驗(yàn)條件和試驗(yàn)時(shí)間確定總體流程如圖2所示，具體的要求如下：

(1) 可靠性加速試驗(yàn)溫度條件設(shè)置參考如表1所示。根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，結(jié)合其可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的結(jié)果，參考表1初步制定可靠性加速試驗(yàn)的溫度應(yīng)力條件；

表1 可靠性加速試驗(yàn)溫度條件設(shè)置參考

(2) 以可靠性試驗(yàn)剖面的溫度條件和試驗(yàn)增長(zhǎng)計(jì)劃的工作時(shí)間為輸入，通過可靠性仿真試驗(yàn)得出的加速系數(shù)計(jì)算溫度條件下的等效試驗(yàn)時(shí)間；

(3) 確認(rèn)等效試驗(yàn)時(shí)間是否合理(在500 h～1 000 h以內(nèi))，如果不合理，調(diào)整溫度應(yīng)力條件重新進(jìn)行計(jì)算，直至得到合適的等效試驗(yàn)時(shí)間；

(4) 按照等效損傷的式(2)計(jì)算加速試驗(yàn)時(shí)間下的振動(dòng)應(yīng)力；

但是外鄉(xiāng)人一到嶺北鎮(zhèn)來，這麻糍就會(huì)變得大方一些。我們嶺北鎮(zhèn)雖然是個(gè)窮山里的小鎮(zhèn)，但因?yàn)槭墙鹑A的東陽(yáng)市與紹興的諸暨市的要道，所以，來往的外鄉(xiāng)人還是有的。經(jīng)過我們嶺北鎮(zhèn)時(shí)，麻糍便能做一些生意，而有些人實(shí)在買不起，或者少帶了錢的，麻糍也會(huì)給，尤其是面對(duì)小孩子，麻糍可以算得上是大方的。

(2)

式中：T0為傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)剖面時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)累計(jì)損傷時(shí)間；T1為加速試驗(yàn)時(shí)間；W0為可靠性試驗(yàn)剖面最大振動(dòng)量值；W1為加速試驗(yàn)時(shí)間下的振動(dòng)量值。

如果振動(dòng)量值W1超過可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)得出的振動(dòng)應(yīng)力工作極限的50%，則調(diào)整溫度應(yīng)力條件重新進(jìn)行計(jì)算，直至等效試驗(yàn)時(shí)間在500～1 000 h以內(nèi)，且振動(dòng)量值不大于功能振動(dòng)量值。

(5) 綜合最終確認(rèn)的溫度應(yīng)力、電應(yīng)力(在低溫保持結(jié)束前進(jìn)行通電，高溫保持結(jié)束時(shí)斷電)和振動(dòng)應(yīng)力(除低溫不通電階段外連續(xù)施加振動(dòng)，在測(cè)試時(shí)施加3 min高量值振動(dòng)W1，其余時(shí)間施加按照式(2)計(jì)算低量值振動(dòng))，即可靠性加速增長(zhǎng)試驗(yàn)綜合環(huán)境條件，得出等效試驗(yàn)時(shí)間，也即可靠性加速增長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間。

3.2 加速系數(shù)確定方法

(1) 通過可靠性仿真試驗(yàn)得到產(chǎn)品在正常條件下失效的前20個(gè)薄弱環(huán)節(jié)點(diǎn)(薄弱環(huán)節(jié)點(diǎn)不足時(shí)用潛在故障點(diǎn)補(bǔ)充)，假定其首發(fā)故障循環(huán)數(shù)分別為NT1、NT2、…、NT20；

(3) 將第i個(gè)薄弱環(huán)節(jié)點(diǎn)在正常條件和加速條件下首發(fā)故障循環(huán)數(shù)相除，利用式(3)得到第i個(gè)故障點(diǎn)的循環(huán)數(shù)均值比τVi；

(3)

(4)

加速系數(shù)Au=產(chǎn)品循環(huán)數(shù)均值比×每個(gè)循環(huán)的時(shí)間比=產(chǎn)品循環(huán)數(shù)均值比×(正常條件每循環(huán)時(shí)間/加速條件每循環(huán)時(shí)間)。

3.3 振動(dòng)量值等效計(jì)算方法

振動(dòng)應(yīng)力根據(jù)累積損傷原理，將計(jì)劃試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的損傷等效到加速試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，同時(shí)應(yīng)保證最大振動(dòng)應(yīng)力不大于可靠性摸底試驗(yàn)綜合應(yīng)力條件的最大應(yīng)力條件。根據(jù)故障點(diǎn)的常數(shù)因子bi、最大振動(dòng)量值、最小振動(dòng)量值和持續(xù)時(shí)間，應(yīng)用式(5)計(jì)算等效試驗(yàn)時(shí)間。

(5)

式中：bi為薄弱環(huán)節(jié)點(diǎn)常數(shù)因子的算術(shù)平均值，一般選為3.2。

4 典型案例

4.1 受試設(shè)備說明

案例中受試設(shè)備的設(shè)計(jì)定型最低可接受值為25 000 h，其由機(jī)箱和5個(gè)模塊組成，如圖3所示，組成如表2所示。

表2 受試產(chǎn)品模塊組成

4.2 可靠性加速試驗(yàn)方案制定

4.2.1 加速溫度應(yīng)力條件初步確定

預(yù)取低溫+10 ℃和高溫-25 ℃作為溫度范圍。本次加速試驗(yàn)時(shí)間按最低可接受值為MTBT的1.2倍(即30 000 h)進(jìn)行規(guī)劃，加速溫度應(yīng)力條件初步確定：

低溫：-75 ℃，保溫30 min；

高溫：85 ℃，保溫90 min；

溫變率：15 ℃/min；

一個(gè)循環(huán)時(shí)間為140 min(應(yīng)重點(diǎn)考慮產(chǎn)品的測(cè)試時(shí)間)，試驗(yàn)剖面如圖4所示。

4.2.2 加速試驗(yàn)時(shí)間計(jì)算

(1) 以899A剖面(如圖5所示)為輸入條件，通過可靠性仿真試驗(yàn)獲得10個(gè)潛在薄弱點(diǎn)。以可靠性加速試驗(yàn)剖面(圖4)為輸入計(jì)算加速溫度應(yīng)力條件下的平均故障首發(fā)時(shí)間，通過對(duì)正常條件下10個(gè)潛在薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析，計(jì)算各潛在故障點(diǎn)在圖5條件下和加速溫度應(yīng)力條件下的首發(fā)故障時(shí)間及加速因子，如表3所示。

(2) 根據(jù)潛在故障點(diǎn)的加速因子進(jìn)行算術(shù)平均，獲得產(chǎn)品應(yīng)力損傷模型加速因子，即

(3) 計(jì)算加速因子

加速因子Au=循環(huán)數(shù)均值比×每個(gè)循環(huán)的時(shí)間比=5.25×(14×60/140)=31.5。

(4) 計(jì)算加速試驗(yàn)時(shí)間

加速試驗(yàn)時(shí)間計(jì)算=30 000/31.5=952.4 h。

4.2.3 振動(dòng)量值計(jì)算

經(jīng)過等效計(jì)算，最大振動(dòng)量值W0為

最小振動(dòng)量值W1為

表3 無線電接口單元10個(gè)潛在薄弱點(diǎn)加速因子

4.3 故障情況

本次試驗(yàn)共用時(shí)952.4 h，試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)責(zé)任故障。

4.4 指標(biāo)評(píng)估

依據(jù)可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)(GJB 899A-2009)中的定時(shí)截尾試驗(yàn)抽驗(yàn)方案(使用方風(fēng)險(xiǎn)β=30%的定時(shí)試驗(yàn)方案)，在試驗(yàn)進(jìn)行至1.2倍的目標(biāo)值即30 000 h的等效試驗(yàn)時(shí)間952.4 h時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。因此，當(dāng)產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到952.4 h時(shí)，故障數(shù)為0，可以認(rèn)為該產(chǎn)品以70%的置信度確定產(chǎn)品的MTBF已達(dá)到25 000 h。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了綜合可靠性加速試驗(yàn)和增長(zhǎng)試驗(yàn)于一體的可靠性試驗(yàn)新方法，能有效地解決高可靠性產(chǎn)品的評(píng)估難題，并通過試驗(yàn)案例驗(yàn)證了本文提出的試驗(yàn)方法的可行性，研究結(jié)果可為我國(guó)高可靠性航空武器裝備的可靠性試驗(yàn)工作提供參考。

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(編輯：趙毓梅)

Reliability Quantitative Accelerated Growth Test Technology of Airborne Electronic Equipment

Yuan Zetan, Fan Xilong, Zhao Xiaodong

(The First Aircraft Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China)

The traditional reliability experimental technique is difficult to meet the requirements of modern aircraft reliability test because of the shortage in environment and time. Based on the theory of the physical fault, a new reliability test method, which combines the comprehensive test and accelerated reliability growth test, is proposed by studying the failure causes and distribution rules of aviation electronic airborne equipment under the comprehensive environmental stress conditions. The specific test method, test process, test stresses, requirements of fault treatment, and the key technologies of evaluation method are introduced in detail. A typical test is analyzed by applying the new reliability test method. The results indicate that there are no failures to take place when the test time of the tested products reaches 952.4 hours. The mean time between failure(MTBF) has reached 25 000 hours which can be determined with 70% confidence level. The proposed reliability test method can be used to solve the engineering problem that environmental simulation test methods and traditional statistical reliability cannot evaluate the airborne equipment under high reliability requirements within short development cycle. The new methods can make it reasonably to realize diversity factors and controllability, shorten the test time, and save the test costs.

airborne electronic equipment; accelerated growth test; accelerated factor; reliability

2016-11-28；

2017-02-14

袁澤譚,470741963@qq.com

1674-8190(2017)01-098-07

V240.2

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.01.015

袁澤譚(1990-)，男，碩士研究生，工程師。主要研究方向：軍用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)。

樊西龍(1982-)，男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：軍用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)。

趙曉東(1975-)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向：軍用飛機(jī)可靠性設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)。