1.1 可靠性试验目的 |
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可靠性试验是通过施加典型环境应力和工作载荷的方式,用于剔除产品早期缺陷、增长或测试产品可靠性水平、检验产品可靠性指标、评估产品寿命指标的一种有效手段。可根据需要达到的目的,在产品的设计、研制、生产和使用阶段,开展不同类型的可靠性试验。
可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。它不仅仅是为了用试验数据来说明产品可靠性(可以接受或拒收、合格与不合格等),更主要的目的是对产品在试验中发生的每一个故障的原因和后果都要进行细致的分析,并且应该研究可能采取的有效的纠正措施。可靠性试验主要有以下3个方面的作用。
(1)发现产品在设计、元器件、零部件、原材料和工艺等方面的各种缺陷。产品的可靠性是设计出来的,因此实现产品可靠性的关键首先是充分利用各种可靠性设计和分析技术对产品进行严格设计。但即便是经验丰富的、功底深厚的设计师设计的产品也难免存在缺陷,而这些缺陷仅靠设计师的设计分析、已有经验教训并无法确保都能找出来,即便采取常温测试、通电老炼、环境试验等常规检测手段,也仍然有不少缺陷无法暴露出来。只有通过可靠性试验施加长时间的各类试验应力才能充分暴露出来。整个产品研制过程都伴随着试验—分析—改进的反复迭代过程(即TAAF过程)。可靠性试验对于发现产品在设计、元器件、零部件、原材料和工艺等方面的缺陷具有不可替代的作用。
(2)确认是否符合可靠性定量要求或评价产品的可靠性水平。从确定装备可靠性是否符合合同要求和了解产品装备研制过程中可靠性变化情况以进行相应决策的需要出发,验证研制生产的产品的可靠性水平是一件最为基本的、必不可少的工作。在对产品进行设计定型或工艺定型时,必须知道产品的可靠性水平是否已符合合同中的规定值或最低可接受值,以便为做出通过设计定型转入批生产的决策提供依据。这就意味着要对产品进行可靠性鉴定试验,从而对设计定型进行把关,以防止可靠性设计欠佳、固有可靠性没有达到合同规定的要求的产品转入批生产。同样,在产品投入批生产以后,对拟出厂的产品也要抽样进行可靠性验收试验,以防止受制造和工艺过程偏离的影响而达不到规定可靠性要求的产品交付用户。无论是可靠性鉴定试验还是可靠性验收试验,通常是在实验室试验环境条件可控制的情况下进行的,其施加的环境应力往往能覆盖和代表全寿命周期、使用区域范围内、各项典型任务状态下承受的环境。在许多货架产品的投标竞争过程中,往往需要通过可靠性试验来对参与竞争的产品在未来使用环境中的可靠性水平作出相应评价或比较,实验室可靠性试验也是一个评价手段。现场使用中进行的使用可靠性试验也是验证产品可靠性的一个重要手段,这种验证是在真实的使用环境中进行的,因此在有条件的情况下专门组织安排使用可靠性试验进行外场验证是十分必要的。当产品交付用户后,应通过有计划地收集产品使用期间的可靠性数据,甚至组织专门的试验即可靠性试验或外场可靠性试验,来评估产品在使用条件下达到的可靠性。实际上,单靠搜集产品的各种数据来对产品的使用可靠性进行评估往往是很困难的,由于收集数据的时间往往很长,数据的准确性和代表性难以控制和覆盖,现场环境条件无法控制,现场工作状况难以控制,有限的现场试验也无法充分验证产品的可靠性水平。因此,实验室试验和现场使用试验各有利弊,互为补充地成为验证产品可靠性水平的重要手段。
(3)提供其他各种有用信息。如前所述,试验是获取产品信息的过程。各种可靠性试验特别是可靠性研制试验中,还可获取产品对应力的响应特性信息、产品薄弱环节信息和产品性能变化趋势、产品寿命信息等。这些信息能够使人们对产品的特性有更为全面的了解,从而有助于产品的完好率、可用度和任务成功性的评估和改善,其他使用环境的选择和确定,产品研制过程后续试验大纲的设计,产品的备件和维修计划制订,保障资源的分配及后续产品的研制。
1.2 可靠性试验工作项目 |
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按GJB 450A《装备可靠性工作通用要求》的规定,可靠性试验共分为6个工作项目,如图1.1所示。各类可靠性试验工作项目的目的、适用对象和适用时机如表1.1所示。
除GJB 450A规定的可靠性试验工作项目外,从当前可靠性试验技术发展与应用的趋势看,可靠性研制试验包括可靠性仿真试验、可靠性测定试验、可靠性摸底增长试验等。可靠性仿真试验是利用数字样机进行建模仿真,分析产品的热、振动应力,采用失效物理方法进行故障预计。在没有可靠性指标要求的情况下,通过开展可靠性测定试验了解产品的可靠性水平。可靠性摸底增长试验是通过施加极限应力以更充分地暴露问题并进行改进促进产品可靠性增长,它不评估产品可靠性水平,重在问题发现和实施改进。
图1 GJB 450A规定的可靠性试验工作项目
表1.1 各类可靠性试验工作项目的目的、适用对象和适用时机
续表
在产品的不同研制阶段,可根据预期要达到的目标,选择开展对应的可靠性试验项目。由此可见,明确可靠性试验的目的对如何选取可靠性试验项目及如何设计可靠性试验方案具有指导性和决定性的作用。
1.3 可靠性试验分类 |
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按试验场地、施加应力的原则、应用阶段、试验的目的和性质等各种不同的分类原则,可将可靠性试验分为不同的类别。
按试验场地分类,可靠性试验可分为实验室可靠性试验(简称实验室试验)和现场使用可靠性试验(简称现场使用试验)两大类。实验室可靠性试验是在实验室中模拟产品实际使用、环境条件,或实施预先规定的工作应力与环境应力的一种试验。现场使用可靠性试验是利用产品在现场使用进行数据收集和评估产品可靠性的一种试验。
可靠性试验可以在实验室进行,也可以在现场进行,以获得所需的信息,以对产品的初始使用可靠性和后续使用可靠性进行评估。
现场使用试验是在真实的现场环境中进行的,其环境应力、负载、接口、操作、维修及测量和记录等各因素均较真实,试验结果应能更准确地代表实际使用的可靠性水平。但是,这种试验的实施比较困难,主要问题是环境应力无法控制,特别是极限应力往往无法考核。正是基于现场试验条件的不可控性、试验结果的不及时性和改进产品可靠性的不现实性等情况,可靠性试验工作项目中尚没有规定现场使用试验工作项目,仅规定了实验室可靠性试验工作项目。与现场使用试验相比,实验室可靠性试验有如下优点。
(1)试验的环境条件或环境应力可控制。这种环境条件可以模拟现场条件,也可以不模拟现场条件,能够充分考核各类极限应力和典型应力,具体取决于试验的目的和类型。
(2)试验过程可控,结果及时,可用性强。实验室可靠性试验可安排在产品的设计、研制和生产各个阶段,试验过程应力施加、检测排故、纠正措施严格控制,严格采取故障归零管理与控制措施,能有效暴露产品故障,提升产品可靠性水平。另外,实验室试验方案多样,可设计性强,因而实验室试验是产品研制生产过程的重要组成部分。
实验室可靠性试验不可能实现对使用环境的真实模拟,其试验结果的准确性取决于试验条件的真实性;一些大设备和系统往往难以在实验室内进行试验,此时不得不采取严格控制;而且环境应力主要取决于受试装备的工作剖面或任务剖面的外场验证试验,要让使用方严格按试验大纲设计的典型任务剖面工作,则往往受到气候、地理和人为因素的影响而变得很困难;此外,现场的操作、维修、测量、记录及故障判别等也会受参试人员水平的影响而难以控制,从而使试验结果受到影响。现场使用试验因涉及人员面广、时间长、经费高、组织管理复杂等众多因素,其应用大受限制,从而使可靠性评估所需的信息来源主要依托于日常的信息收集,而不是依靠专门安排的现场使用试验。此外,现场使用试验是使用阶段的试验,因而不可能及时提供对产品可靠性的分析和评价结论,更不用提为改进产品可靠性提供参考了;如果试验中发现了一些故障,要想采取措施改进可靠性已不可能,至多只能为后续改型产品提供借鉴。
实验室可靠性试验和现场使用试验的比较如表1.2所示。
表1.2 实验室可靠性试验和现场使用试验的比较
按施加应力的原则分类,可将可靠性试验分为激发试验和模拟试验。
(1)激发试验是指不模拟实际使用环境的加速应力试验。通过施加应力将产品内部的潜在缺陷加速发展变成故障,进而检测出来,从而为修改设计和工艺提供信息。环境应力筛选、可靠性强化试验、可靠性摸底增长试验属于激发试验。
(2)模拟试验是指施加的环境应力模拟真实环境应力的大小、时序和时间比例的试验。通过对产品施加这种应力并统计产品在这种应力作用下的故障情况,验证和评估产品的可靠性水平。可靠性鉴定试验和可靠性验收试验均属于模拟试验的范畴。可靠性增长试验使用的应力与可靠性鉴定试验一样模拟真实环境,虽然应力不高,但也可以以较慢速度激发一部分缺陷并评估产品可靠性水平,基本上属于模拟试验。
按应用阶段分类,可将可靠性试验分为可靠性研制试验、可靠性增长试验、可靠性鉴定试验和寿命试验、环境应力筛选、可靠性验收试验和寿命试验,其目的和应用阶段分别在表1.3中列出。
表1.3 可靠性试验按应用阶段分类
按试验的目的和性质分类,可将可靠性试验分为工程试验和统计试验。
(1)环境应力筛选、可靠性研制试验和可靠性增长试验属于工程试验。工程试验的目的是为了暴露产品在设计、工艺、元器件、原材料等方面存在的缺陷,采取措施加以改进、排除,以提高产品的可靠性。这种试验主要由承制方进行,受试产品是研制的样机或在线产品。发现受试产品故障等于找到了对产品进行改进设计或修理的机会,因此工程试验是一种使产品增值的试验,是可靠性试验的重点。
(2)统计试验的目的是为了验证产品的可靠性或寿命是否达到了规定的要求,如可靠性鉴定试验、可靠性验收试验、寿命试验等。由于产品的可靠性指标确实存在但难以真正获得,因此只能应用统计的方法估计产品可靠性指标真值所在的范围。可靠性鉴定试验和可靠性验收试验又称为可靠性验证试验。
应该指出,产品可靠性验证工作是可靠性试验与评价工作中的一个组成部分,它是指在设计定型阶段和试用阶段,对产品的可靠性是否达到研制总要求或合同规定的要求给出结论性意见所需进行的鉴定、考核或评价工作的总称。在GJB 450A规定的可靠性试验与评价7个工作项目中,可靠性鉴定试验、可靠性验收试验、寿命试验和可靠性分析评价4个工作项目均可用于可靠性验证。