李 源,杜 禎,劉 博,李巖松
(1.北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司,北京 100015;2.海信視像科技股份有限公司,山東 青島 266555)
可靠性是一種用來描述產(chǎn)品在規(guī)定時間及條件下處于無失效狀態(tài)的術(shù)語[1]。平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure,MTBF)試驗是可靠性試驗中較為重要的一項內(nèi)容。
如今,電子信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,電工電子類產(chǎn)品往往表現(xiàn)出一種型號繁多、研發(fā)周期短、更新?lián)Q代速度快的特征。這樣的特征直接影響了產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)過程中各項試驗的周期,尤其是MTBF這類長周期試驗,受影響程度更加嚴重,且企業(yè)、使用方對產(chǎn)品可靠性性能的重視程度日趨增長,正逐步成為產(chǎn)品質(zhì)量要求的重點考核項。由此可見,如何合理地縮短試驗周期非常重要。
MTBF試驗是一種具有統(tǒng)計學(xué)概念的、考核產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力的試驗。MTBF試驗主要針對可靠性指標(biāo)用時間度量的電子產(chǎn)品、部分機電產(chǎn)品及復(fù)雜的功能系統(tǒng),這些產(chǎn)品或系統(tǒng)的壽命往往呈現(xiàn)出指數(shù)分布的特征。MTBF試驗中較為關(guān)鍵的一點是根據(jù)需求及各方實際情況選擇合適的截尾方式,一般分為定數(shù)截尾、定時截尾及序貫截尾三種截尾方式。
本文主要針對某型視頻集控設(shè)備進行加速的MTBF試驗,以合理可行的方式,在短時間內(nèi)達到評估產(chǎn)品質(zhì)量、分析產(chǎn)品薄弱項的目的。
本文涉及的視頻集控設(shè)備根據(jù)其實際使用情況及特點,依據(jù)GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》進行MTBF試驗設(shè)計。
本試驗要求產(chǎn)品常溫下,最低可接收時間為3 000 h。
目前此類試驗的截尾方式一般分為定數(shù)截尾、定時截尾和序貫截尾三種截尾方式,三種方式各具特點。其中,定時截尾判斷故障數(shù)、試驗時間及費用在試驗前便可確定,具有便于管理的特點,因此該種截尾方式是使用最為頻繁的一種截尾方式。為方便管理,本試驗也采用定時截尾的截尾方式。
本次可靠性鑒定試驗方案采用GJB 899A—2009 《可靠性鑒定和驗收試驗》的定時試驗統(tǒng)計方案中第21號方案。詳細信息如表1所示[2]。
表1 定時結(jié)尾試驗方案簡表
本次試驗共5臺樣機,根據(jù)驗收指標(biāo)及表1,實際試驗時間Ts為
式中:θ1為最低可接受時長,單位為h;n為樣品數(shù)量。
由此,在非加速情況下,實際試驗時間為660 h。
加速壽命試驗?zāi)P头从沉水a(chǎn)品壽命與應(yīng)力水平之間的關(guān)系,可以分為物理加速模型、經(jīng)驗加速模型及統(tǒng)計加速模型三類[2]。本文使用的模型為物理加速模型,該類試驗中加速應(yīng)力一般可選擇溫度、濕度及電應(yīng)力三種,對應(yīng)應(yīng)力的加速模型均是通過與失效機理相關(guān)的物理原理推導(dǎo)而來,其分別對應(yīng)阿倫尼斯模型、艾琳模型及逆冪律模型。本次試驗選用溫度應(yīng)力作為加速應(yīng)力。加速MTBF試驗中用溫度作為加速應(yīng)力是最為常見的,因為高溫能使產(chǎn)品(如電子元器件、絕緣材料等)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)加快,會促使提前失效。
加速應(yīng)力的加載方式主要分為恒定應(yīng)力、步進應(yīng)力及序進應(yīng)力三種,各不同應(yīng)力加載方式的特點如表2所示[4]。
表2 不同應(yīng)力加載方式對比表
由于恒定應(yīng)力加載方式更加簡單可行、便于估計,故本次試驗采用以恒定溫度應(yīng)力進行加速的方式進行試驗。由該型視頻集控設(shè)備設(shè)計參數(shù)可知,其最高使用環(huán)境溫度為30 ℃,現(xiàn)規(guī)定本試驗加速環(huán)境溫度為50 ℃。由阿倫尼斯模型可計算加速因子Aη為:
式中:E為活化能,單位為eV;K為玻爾茲曼常數(shù),單位為eV/K;Tn為最高使用環(huán)境溫度,單位為K;Ta為加速環(huán)境溫度,單位為K。
其中,活化能取0.7 eV,玻爾茲曼常數(shù)為8.623×10-5eV/K。由此可得此次加速MTBF試驗的加速因子Aη=4.826。則有加速后的試驗時間取整為137 h。
3.5.1 電應(yīng)力
本次試驗剖面電應(yīng)力設(shè)計參照SJ/T 11325—2006《數(shù)字電視接收及顯示設(shè)備可靠性試驗方法》并根據(jù)實際情況進行微調(diào),確定電壓范圍為額定電壓的-10%~+10%。每8個小時變換一次電壓,其中7.5 h通電,0.5 h斷電。電壓分別為額定電壓的90%、額定電壓、額定電壓的110%。該樣品為內(nèi)銷型,額定電壓為220 V,電壓變化順序依次是198 V、220 V、242 V,以上24 h為一個周期。在工作周期之間的試驗可以中斷,但整個實驗過程中只允許中斷一次,中斷時間不得超過24 h[5]。
3.5.2 氣候應(yīng)力
溫度應(yīng)力以加速環(huán)境溫度為準(zhǔn),取50 ℃定值。為消除濕度應(yīng)力對加速效果的影響,過程中以恒定70% RH的相對濕度進行試驗。因條件受限,氣壓值不做控制,滿足86~106 kPa的常壓值即可。
依據(jù)上述對電應(yīng)力、溫度應(yīng)力及濕度應(yīng)力的選擇,可靠性試驗任務(wù)剖面如圖1所示。
圖1 可靠性試驗剖面圖
樣品出現(xiàn)以下任一狀態(tài)均判定為故障:
(1)在規(guī)定的條件下,某一個或幾個功能喪失;
(2)試驗中時好時壞、原因不明的故障;
(3)在規(guī)定條件下,某一個或幾個指標(biāo)參數(shù)超出允許范圍;
(4)在規(guī)定的條件下,出現(xiàn)設(shè)備功能的機械部件、結(jié)構(gòu)件或元件破裂、斷裂或損壞的狀態(tài);
(5)產(chǎn)品進行了規(guī)定以外的調(diào)整或更換零部件;
(6)測試時某一檢驗項目不合格。
將本實驗中可能出現(xiàn)的責(zé)任故障按照危害等級分為四類。在試驗進行過程中如發(fā)生責(zé)任故障,應(yīng)及時依據(jù)表格內(nèi)容進行相關(guān)記錄。失效效應(yīng)危害程度的等級劃分如表3所示。
表3 失效效應(yīng)危害等級表
當(dāng)試驗結(jié)束并判定為接收時,責(zé)任故障r=0,由GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》接收時MTBF的計算方法,樣品的MTBF單邊置信下限估計值為:
式中:θL為最低可接受時長,單位為h;T為試驗總臺時,單位為h;β′為使用方實際風(fēng)險。
由表1及指標(biāo)要求可得:
此時單邊置信度為66.7%,滿足GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》接收時MTBF的要求。
本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及加速模型理論,針對某型視頻集控設(shè)備實際情況設(shè)計了一套可靠性驗收試驗方案,并對其單邊置信度進行了驗證,結(jié)果表明其符合GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》試驗結(jié)果為接收時MTBF的要求。
由于產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)的不同,此試驗?zāi)P头桨竷H適用于個別產(chǎn)品,無標(biāo)準(zhǔn)文件,非所有產(chǎn)品均可直接應(yīng)用。但方案為與該型視頻集控設(shè)備類似的其他產(chǎn)品進行加速可靠性驗收試驗提供了一定的參考。依托溫度加速模型,為實現(xiàn)合理縮短MTBF試驗時間提供了可能性。