鄭菁菁，史旭鵬，徐澤林

（1.南京信息工程大學(xué)，南京 210044； 2.中認(rèn)英泰檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215104）

引言

可靠性試驗(yàn)與環(huán)境試驗(yàn)一樣，本身就是一門技術(shù)，不是有了人，有了試驗(yàn)設(shè)備，就能準(zhǔn)確的做好試驗(yàn)，為達(dá)高的試驗(yàn)再現(xiàn)性，如實(shí)的評(píng)估出裝備的實(shí)際戰(zhàn)斗力。在環(huán)境與可靠性試驗(yàn)前，首先要做好試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

服務(wù)器是軍民融合產(chǎn)品，民用時(shí)通常在環(huán)控的條件下工作，軍用時(shí)，特別在運(yùn)載工具上使用時(shí)，通常會(huì)進(jìn)行抗振緩沖加固。所以試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求和內(nèi)容會(huì)有所不同。本文談的的民用服務(wù)器的可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1 明確被考核可靠性的指標(biāo)及其含義

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先弄清可靠性指標(biāo)，要明白指標(biāo)的含義。在當(dāng)今的可靠性試驗(yàn)中，任務(wù)下達(dá)單位，即甲方給試驗(yàn)室的考核指標(biāo)，有時(shí)就是單純給個(gè)MTBF值，并沒有說清是MTBF的什么值，甚至有的產(chǎn)品在研制總要求、合同、任務(wù)書上也沒有明確是什么值。

我國(guó)當(dāng)前有二大類型可靠性標(biāo)準(zhǔn)，一類是以國(guó)軍標(biāo)GJB 899A 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)（它來自美國(guó)軍標(biāo)781和781手冊(cè)）為主的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，另一類是以國(guó)標(biāo)GB/T 5080（即商用標(biāo)準(zhǔn)，它來自IEC 61124，例如其中的：可靠性試驗(yàn)，第7部分：恒定失效率和恒定失效強(qiáng)度的驗(yàn)證試驗(yàn)）為主的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 國(guó)軍標(biāo)GJB 899A中的可靠性指標(biāo)體系為

1）使用指標(biāo)

①目標(biāo)值：

期望裝備達(dá)到的指標(biāo)。既是滿足使用要求的最佳值，又是達(dá)到最佳費(fèi)效比的值，它是確定合同指標(biāo)中“規(guī)定值”的依據(jù)。目標(biāo)值到裝備成熟期才能達(dá)到，成熟期是指裝備已使用了足夠長(zhǎng)時(shí)間，而且可靠性增長(zhǎng)已結(jié)束，其維修配套設(shè)備已齊全。

②門限值：

它是滿足裝備使用必須達(dá)到的指標(biāo)。它是確定合同指標(biāo)中“最低可接收值”的依據(jù)。門限值是根據(jù)目標(biāo)值，考慮費(fèi)用、技術(shù)水平、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、其它不定因素等，按研制時(shí)間推算出來的。

2）合同指標(biāo)

①規(guī)定值（θ0）：

從“目標(biāo)值”轉(zhuǎn)換而來，是期望裝備達(dá)到的合同指標(biāo)，是制造方進(jìn)行可靠性、維修性設(shè)計(jì)的依據(jù)。

②最低可接收值（θ1）：

裝備必須達(dá)到的合同指標(biāo)，它是考核或驗(yàn)收的依據(jù)。

3）檢驗(yàn)指標(biāo)（可靠性試驗(yàn)考核方案中的指標(biāo)）

① MTBF.檢驗(yàn)下限值（θ1），又稱MTBF假設(shè)值的下限值

由最低可接收值轉(zhuǎn)換而來，它是不可接收的MTBF值，當(dāng)受試裝備MTBF的真值接近θ1時(shí)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案以高概率拒收MTBF真值接近θ1設(shè)備。

② MTBF.檢驗(yàn)上限值（θ0），又稱MTBF假設(shè)值的上限值

可接收的MTBF值。它等于鑒別比乘以MTBF檢驗(yàn)下限值（θ1），當(dāng)受試裝備的MTBF真值接近θ0時(shí)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案以高概率接收MTBF真值接近θ0設(shè)備。

4）試驗(yàn)指標(biāo)（MTBF的驗(yàn)證值）

① MTBF置信下限（θL）

由驗(yàn)證試驗(yàn)得出的MTBF真值范圍的下限值，此值必須等于或大于MTBF檢驗(yàn)下限值（θ1），也即必須等于或大于最低可接收值，這樣才能通過可靠性試驗(yàn)，使用方才能接收。

②MTBF置信上限（θU）

由驗(yàn)證試驗(yàn)得出的MTBF真值范圍的上限值，它與真值范圍的下限值一起表示MTBF真值以一定的置信概率落在該上下限范圍內(nèi)。

1.2 在國(guó)標(biāo)中，沒有給出可靠性指標(biāo)體系，僅給出

m：為MTBF的真值（在可靠性試驗(yàn)中可靠性水平指標(biāo)的真值是得不到的，可靠性試驗(yàn)只能給出真值的置信范圍）；

m0：為規(guī)定的MTBF值，m0=1λ0設(shè)計(jì)目標(biāo)值（相當(dāng)于國(guó)軍標(biāo)中的規(guī)定值θ0）；例如表1，方案B.8，產(chǎn)品可靠性指標(biāo)真值已達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值m0，制造方還有10 %的風(fēng)險(xiǎn)可能交不出去，即可靠性試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告會(huì)有10 %（名義值）的可能會(huì)給出沒有達(dá)到的判決要求。

m1：為MTBF的下限值，m1=1λ1，（相當(dāng)于國(guó)軍標(biāo)中的最低可接受值θ1、MTBF的驗(yàn)證值置信下限）；例如表1，方案B.8，使用方接受了可靠性試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到下限值m1的產(chǎn)品，實(shí)際使用方所接收的產(chǎn)品還有10 %（名義值）的風(fēng)險(xiǎn)可能根本沒有達(dá)到。

1.3 可靠性指標(biāo)的含義

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)特別注意，不能單獨(dú)看指標(biāo)的高低，它必須結(jié)合試驗(yàn)應(yīng)力、試驗(yàn)剖面，失效判據(jù)在一起看。否則是空的，不落地的。

1）可靠性指標(biāo)、試驗(yàn)剖面、失效判據(jù)三個(gè)要素

可靠性指標(biāo)的高低與產(chǎn)品在全壽命期內(nèi)所要經(jīng)歷的任務(wù)剖面密切相關(guān)，即與可靠性試驗(yàn)中與所用試驗(yàn)剖面密切相關(guān)，因?yàn)槠拭嬷袘?yīng)力高低直接影響到最后得出MTBF值的高低。另外，MTBF值的高低與失效判據(jù)密切相關(guān)，判據(jù)的嚴(yán)與松，多與少，同樣直接關(guān)系到最后得出MTBF值的高低。所以在談?wù)摽煽啃灾笜?biāo)時(shí)，如果不談考核用的試驗(yàn)剖面，不談試驗(yàn)判據(jù)是非常不嚴(yán)密的，是空的。得出的指標(biāo)也是不正確的。然而，當(dāng)今許多研制總要求、合同、任務(wù)書，往往只有指標(biāo)，沒有考核試驗(yàn)應(yīng)力、試驗(yàn)剖面、失效判據(jù)，所以在設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)方案時(shí)必須論證清楚，當(dāng)然這是后補(bǔ)的，否則無法設(shè)計(jì)出符合實(shí)際使用要求的可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。其實(shí)這在產(chǎn)品研制初期就應(yīng)明確的。

2）在設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)方案時(shí)，有時(shí)會(huì)碰到只有可靠性指標(biāo)，沒有明確是什么指標(biāo)，即可靠性方案設(shè)計(jì)時(shí)，還要明確考核的是基本可靠性（MTBF）還是任務(wù)可靠性（MTBCF），因?yàn)榛究煽啃越o出的是產(chǎn)品所需維修備件和維修人力、維修費(fèi)用方面的信息。對(duì)基本可靠性凡是相關(guān)失效都計(jì)入MTBF值。任務(wù)可靠性給出的是完成任務(wù)的信息,任務(wù)成功的概率,即平均無致命故障之間的間隔時(shí)間?；究煽啃耘c任務(wù)可靠性的關(guān)系為: 要基本可靠性高, 任務(wù)可靠性必下降; 要任務(wù)可靠性高, 基本可靠性必下降。因?yàn)槿蝿?wù)可靠性要用冗余。所以一個(gè)完整的試驗(yàn)方案，因同時(shí)考核出基本可靠性指標(biāo)和任務(wù)可靠性指標(biāo)，這樣花同樣的經(jīng)費(fèi)同樣的時(shí)間，得出的產(chǎn)品可靠性水平指標(biāo)的信息量最多。

2 選擇好統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案

在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先要選擇統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，在國(guó)軍標(biāo)GJB 899A中有：概率比序貫試驗(yàn)方案、定時(shí)截尾試驗(yàn)方案、全數(shù)試驗(yàn)方案；在國(guó)標(biāo)中GB/T 5080中有：序貫試驗(yàn)方案、定時(shí)/定數(shù)截尾試驗(yàn)方案、綜合試驗(yàn)方案。

在選擇方案號(hào)時(shí)，要考慮的因素有：最低可接受值、設(shè)計(jì)值、置信度、風(fēng)險(xiǎn)率、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等，并且從這些因素中平衡。具體來說：

1）設(shè)備的成熟程度及預(yù)期的壽命：對(duì)成熟度高，預(yù)期壽命長(zhǎng)的產(chǎn)品，通常選擇時(shí)間短的風(fēng)險(xiǎn)率高的方案；

2）設(shè)備的關(guān)鍵與重要程度：這類產(chǎn)品通常選擇置信度高的風(fēng)險(xiǎn)率低的試驗(yàn)方案；

3）經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度：經(jīng)費(fèi)與時(shí)間足夠時(shí)通常選擇置信度高的風(fēng)險(xiǎn)率低的試驗(yàn)方案，否則，相反之。

當(dāng)今市場(chǎng)上的服務(wù)器，MTBF值一般都說為5 000 h，但一般不說清楚是規(guī)定值（設(shè)計(jì)值），還是MTBF的下限值。但在軍工產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)中將其作為最低可接受值看待，在商貿(mào)中一般將其看做為設(shè)計(jì)值，但可靠性試驗(yàn)考核時(shí)，通常用m0=50 000 h設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。因?yàn)槭敲衿?，現(xiàn)選擇在IEC 61124 ED2:2006中的定時(shí)/定數(shù)截尾試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，該方案又有下列具體試驗(yàn)編號(hào)，見表1。

按可靠性試驗(yàn)的要求：試驗(yàn)樣品數(shù)至少應(yīng)有兩臺(tái)；對(duì)十分昂貴和質(zhì)量控制嚴(yán)格的受試設(shè)備，可允許一臺(tái)。這里需進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的服務(wù)器，其可靠性指標(biāo)定為：m0=50 000 h，m1=10 000，由于價(jià)格高，能投入的樣本量比較少，但統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案是建立在抽樣理論基礎(chǔ)上的，為了使試驗(yàn)結(jié)果更好代表母體，試驗(yàn)樣品數(shù)為：3臺(tái)。

由于服務(wù)器的m0=50 000 h，一般都選擇方案號(hào)B.8。這里：

表1 定時(shí)/定數(shù)截尾試驗(yàn)方案

有效試驗(yàn)時(shí)間：=50 000 h×1.08= 54 000 h，由于樣品數(shù)為3，每臺(tái)樣品的有效試驗(yàn)時(shí)間為：18 000 h，可接受的失效數(shù)c=2。

3 加速試驗(yàn)方案

在IEC 61124 ED2:2006中規(guī)定：為適應(yīng)高可靠性要求和縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間，所有標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)類型都是可以加速的。

任何類型的加速試驗(yàn)都是基于加速損傷模型理論，即產(chǎn)品在其壽命周期內(nèi)所經(jīng)歷的應(yīng)力可對(duì)其造成漸進(jìn)的累積損傷。都是通過提高試驗(yàn)應(yīng)力來產(chǎn)生與產(chǎn)品壽命期內(nèi)預(yù)期應(yīng)力產(chǎn)生的同樣累積損傷。

54 000 h有效臺(tái)時(shí)，即每臺(tái)18 000 h的有效試驗(yàn)時(shí)間，無論從時(shí)間還是經(jīng)費(fèi)上，客戶都認(rèn)為不可接受，希望通過加速到一個(gè)月內(nèi)完成試驗(yàn)。對(duì)此，對(duì)可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)，必須引入加速試驗(yàn)方案。

民用服務(wù)器是全壽命期間在環(huán)控條件下固定使用的產(chǎn)品，能加速的參數(shù)主要是溫度和濕度。因?yàn)楣潭ㄊ褂脮r(shí)，不會(huì)像在運(yùn)載工具上使用那樣，除溫度濕度外同時(shí)存在振動(dòng)，所以振動(dòng)主要發(fā)生在運(yùn)輸過程中，而且在包裝狀態(tài)下。

Peano軌跡在加工平面零件時(shí)得到了良好的效果，但對(duì)于非球面零件的加工，Peano軌跡無法確保達(dá)到預(yù)期的加工結(jié)果。因此，文獻(xiàn)[42] 在Peano軌跡(圖5(a))的基礎(chǔ)上提出了更適合于非球面零件加工的類Peano軌跡(圖5(b))，在對(duì)直徑為100 mm的非球面零件加工的實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過145 min的加工，使得面型誤差由PV=0.386 λ，RMS=0.056 λ收斂至PV=0.097 λ，RMS=0.011 λ(其中λ=632.8 nm)。

1）加速試驗(yàn)公式：

選用勞森（Lawson）溫濕度加速模型進(jìn)行加速，本研究將溫度和濕度之間的“×”修正為“+”號(hào)，以提高試驗(yàn)結(jié)果的置信度。得出的加速系數(shù)為：

式中：

Ea—激活能，1.0 eV；

kb—波爾茲曼常數(shù)（8.617 385E-5 eV/k）；

T1—加速前的溫度；

RH1—加速前的濕度；

T2—加速后的溫度；

B—常數(shù)，本模型取5.557×10-4。

2）加速系數(shù)

①加速條件：

加速前的溫度：25 ℃；

加速后的溫度：35 ℃；

加速前的濕度：60 %RH；

加速后的濕度：90 %RH。

②按上述加速模型計(jì)算出放入加速系數(shù)：43。

3）加速后平均每臺(tái)的試驗(yàn)時(shí)間為：18 000h/43=418.605 h。

4 試驗(yàn)剖面

1）循環(huán)數(shù)

可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，需足夠的試驗(yàn)循環(huán)數(shù)，因?yàn)橹挥羞@樣，才能確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)循環(huán)數(shù)可設(shè)計(jì)成24 h的倍數(shù)或24 h的可約小時(shí)數(shù)。例如幾倍的24 h或12 h、8 h、6 h和4 h為一個(gè)周期?？紤]到加速后的每臺(tái)試驗(yàn)樣品的有效臺(tái)時(shí)數(shù)為：418.605 h，本次對(duì)服務(wù)器可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)成24 h為一循環(huán)，共21循環(huán)。

2）環(huán)境應(yīng)力

每一循環(huán)中：20 h為高應(yīng)力，采用加速后的35 ℃、90 %RH溫濕度度綜合加速應(yīng)力，4 h為服務(wù)器在環(huán)控條件下的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境應(yīng)力，即未加速前的25 ℃、60 %RH的應(yīng)力。第21循環(huán)為16 h采用溫濕度綜合加速應(yīng)力，余下8 h為標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境應(yīng)力。這樣正好滿足加速前的每臺(tái)18 000 h的有效試驗(yàn)時(shí)間。

3）每一循環(huán)中的升降溫速率為5 ℃/min，時(shí)間為2 min，包含在高應(yīng)力的溫濕度綜合加速應(yīng)力中。

4）電應(yīng)力

電應(yīng)力采用：第一循環(huán)標(biāo)稱電壓220 V，第二循環(huán)高電壓242 V，第三循環(huán)低電壓198 V，以此循環(huán)下去，直至完成全部21個(gè)試驗(yàn)循環(huán)。

5）功能應(yīng)力

①由于服務(wù)器是連續(xù)工作的，通常從開機(jī)正式投入后，它會(huì)不間斷地工作，一直到徹底報(bào)廢。所以本次服務(wù)器的可靠性試驗(yàn)在有效試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)是連續(xù)不間斷開機(jī)運(yùn)行，滿足可靠性長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的要求。

②在加電應(yīng)力過程中，硬件和所有軟件同時(shí)運(yùn)行，改變當(dāng)今許多可靠性試驗(yàn)實(shí)際只是硬件的可靠性試驗(yàn)，即僅在給定剖面點(diǎn)上進(jìn)行性能參數(shù)測(cè)量，而不運(yùn)行功能的狀態(tài)。由此得出的可靠性指標(biāo)實(shí)際基本是硬件的可靠性指標(biāo)，這也是導(dǎo)致試驗(yàn)室試驗(yàn)得出的可靠性指標(biāo)比實(shí)際使用統(tǒng)計(jì)出的可靠性水平低許多的原因，根據(jù)美國(guó)宇航局給出的數(shù)據(jù)，軟件的可靠性比硬件可靠性低一個(gè)數(shù)量級(jí)。為此，本次對(duì)服務(wù)器的可靠性試驗(yàn)，在試驗(yàn)的全過程要按服務(wù)器全壽命期間各軟件模塊（存儲(chǔ)，運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理，管理，數(shù)據(jù)備份、轉(zhuǎn)換等）功能在實(shí)際使用中出現(xiàn)的概率進(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行采用壓力測(cè)試軟件（CPU負(fù)載測(cè)試軟件）進(jìn)行。并以此同時(shí)給出軟硬件一體的可靠性指標(biāo)。因?yàn)檐浖y(cè)評(píng)僅相當(dāng)于硬件ESS試驗(yàn)，它給不出軟件的可靠性定量指標(biāo)。

6）運(yùn)行剖面

根據(jù)上述敘述，設(shè)計(jì)出的服務(wù)器可靠性試驗(yàn)剖面如圖1。

5 故障與失效判據(jù)

1）失效判據(jù)

①服務(wù)器無法啟動(dòng)

②系統(tǒng)需頻繁重啟（允許3次）

③服務(wù)器死機(jī)（允許3次）

圖1 服務(wù)器可靠性試驗(yàn)剖面圖

④硬盤損壞

2）判決標(biāo)準(zhǔn)

接收試驗(yàn)： 若在時(shí)，r≤2，則認(rèn)為符合規(guī)定的要求。

拒收試驗(yàn)： 若在時(shí)或在之前，r＞2，則認(rèn)為不符合規(guī)定的要求。

6 結(jié)論

我國(guó)的試驗(yàn)室可靠性試驗(yàn)已走過了30個(gè)年頭。在這30年中產(chǎn)品的可靠性水平有了很大的提高，特別在軍用裝備可靠性工作的帶動(dòng)下，民用產(chǎn)品，特別是軍民融合產(chǎn)品，其可靠性工作也愈來愈受到重視。在取得巨大成就的同時(shí)，也存在軍民產(chǎn)品指標(biāo)不統(tǒng)一，給系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)帶來了難度，以及，特別是民品指標(biāo)高，試驗(yàn)室考核時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高等問題，對(duì)此，本研究給出了二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系和用加速的辦法縮短可靠性試驗(yàn)時(shí)間的方法。