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環境試驗與可靠性試驗的關系及其應用
在當今競爭激烈的市場環境和化的背景下, 產品要迅速并且成功地占領國內外市場, 就必須提高產品的環境適應性和可靠性。
目前, 我國很多產品設計從單純追求技術指標轉向提高產品的綜合效能[1]。在產品引進過程中,由于來源不同, 在同一場所會出現不同的環境試驗標準體系相互交叉的情況; 隨著可靠性工作的逐步深入, 該指標已納入研制合同。環境工程和可靠性工程相互交叉, 使產品在研制和生產中, 試驗項目和工作量成倍地增加, 這給研制和生產部門帶來了許多重復性工作, 周期和成本難以保證, 這就要求對相同的試驗項目進行合并和簡化。也就要弄清環境工程和可靠性工程的概念, 充分利用已進行試驗的結果, 簡化試驗工作量, 縮短研制周期。
然而, 國內的某些產品研制單位對環境和可靠性試驗的認識還存在一定的誤區, 沒有真正地理解對產品進行環境和可靠性試驗的真正意義, 沒有將環境、可靠性試驗看作一個可使產品增值的過程[2]。因此, 很有必要深入地探討有關環境、可靠性試驗的各種問題。
2 環境工程和可靠性工程
環境工程是一門工程學科, 它是為保證產品在規定的壽命周期內, 在預期的運輸、儲存、使用和維修期內使產品的環境適應性達到規定要求所進行的一系列工作, 主要包括環境的管理、技術研究、條件分析、影響分析與防護技術4 個方面, 如表1所示。產品從出廠到退役的全壽命期內, 都處于各種自然環境和誘發環境中, 在環境應力的作用下,很容易導致性能降低甚至不能工作。
可靠性工程是通過在產品的設計、研制和生產中采取一系列有序且相互的管理、設計、分析和試驗措施, 使產品在規定的條件下、規定的時間內完成規定功能的一門工程學科。可靠性工程主要包括可靠性的管理、研制與生產試驗、設計( 及預計) 3 個方面, 如表2 所示。
產品的可靠性和環境適應性均屬于產品的質量特性。如圖1 所示, 環境條件與可靠性設計和試驗有關, 環境工程在產品全壽命期內開展, 可以提高產品的設計質量和檢驗生產質量的穩定性, 特別是對成敗型產品的研制、設計及生產過程中, 環境工程的試驗結果可以被可靠性工程所接受和運用。但在產品設計研制過程中環境工程主要分析產品在其
壽命周期中可能遇到的極限環境, 利用設計手段提高產品承受極限環境的能力。而可靠性工程主要分析產品在其壽命周期中可能遇到的典型環境, 利用設計手段來提高產品的可靠性水平。
3 環境試驗與可靠性試驗
在產品研制階段早期, 主要是通過試驗來發現設計缺陷且加以改進, 并通過進一步的試驗來發現新的問題。經驗表明, 70 %左右的設計缺陷要靠對樣機進行試驗才能發現。試驗不僅是產品研制生產過程中完善設計的有力措施, 也是評價產品各項特性是否符合要求的*的手段。
為達到產品研制合同的要求, 試驗、評價和改進貫穿整個產品研制和生產過程, 主要包括研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗和例行試驗, 如表1 所
示。環境試驗是以產品對預期工作環境的適應性為考核目標的試驗, 包括耐受zui惡劣的儲存與運輸環境而不致損壞和在合理極值環境條件下正常工作的能力。可靠性試驗是按可靠性要求設計和進行的、有可靠性目標并在典型環境條件下的試驗, 是驗證產品在規定條件下和規定時間內能否實現預定功能而進行的試驗, 是可靠性增長試驗、可靠性研制試驗和可靠性驗證試驗的總稱。
3.1 環境試驗與可靠性試驗的關系
環境試驗是產品zui基本的試驗, 只有通過了環境合格鑒定試驗的產品才能投入可靠性增長試驗;
通過了環境驗收試驗的產品才可投入可靠性驗收試驗。如美軍標MIL- STD- 785 B 中明確地指出:
“應該把MIL- STD- 810 中描述的環境試驗看作可靠性研制和增長的早期部分[3]。這些試驗必須在研制初期進行, 以保證有足夠的時間和資源來糾正試驗中暴露的缺陷, 而且這些糾正措施必須在環境應力下得到驗證, 并將這些信息作為可靠性大綱中一個*的部分納入故障報告、分析、糾正措施系統( FRACAS) 。
同時, 這兩種試驗基本上都采用試驗室試驗方法, 在規定的受控環境中進行, 所采用的環境設備和試驗方法包括相應的夾具設計原則都可以相互借鑒。對進行環境試驗所用的環境條件的研究, 為可靠性試驗條件的制定提供了先決信息, 同時可靠性試驗剖面中的溫度、振動量值的確定與相應環境條件的確定基本相同。
可以認為, 環境試驗是可靠性試驗的基礎和前提, 許多環境試驗工作應在可靠性試驗之前開展,為可靠性試驗提供信息和依據。
3.2 環境試驗與可靠性試驗的區別
從某種意義上說, 任何試驗都在一定的環境條件下進行, 都可看作環境試驗, 但實際上只有產品研制過程中某些以考核所設計或生產的產品對預定工作環境適應性為目標的試驗才稱之為環境試驗。
這并不涉及產品能維持其本身具有的、多長時間的適應能力的定量指標。顯然, 若產品不能適應預定的環境, 就根本談不上可靠不可靠了。
從另一種意義上來說, 環境試驗和其它試驗都有利于提高產品的可靠性, 至少從這些試驗中可以得到一些故障信息。
盡管環境試驗和可靠性試驗都是在對產品施加環境應力的條件下進行, 但兩者在試驗目的、所用的環境因素數量、試驗時間確定準則, 環境應力選用準則以及試驗終止決策準則方面是大不相同的。例如: 環境試驗
中試件在高、低貯存溫度下貯存時間為48 h、24 h ( 或者是貯存溫度能*暴露產品貯存時所有可能出現缺陷的時間) , 而可靠性試驗的時間是根據試驗剖面計算出來的, 時間一般為30～60 min, 反復施加, 總時間可能相同, 但作用機理不同; 振動應力盡管計算方法相同, 但量級差別很大, 雖可以進行試驗加速轉換, 由于可靠性試驗是在溫度和振動兩種應力作用下, 與高量級振動的環境試驗相比, 對產品的影響顯然不同。可見, 這兩種試驗不能相互取代。但是對空空導彈的可靠性試驗, 在處理自由飛這種短時間、高量值的環境剖面時, 可以從經濟和有效模擬等方面進行考慮, 只對產品進行自由振動試驗, 將試驗結果直接應用到產品可靠性工程中。以環境試驗的代表性標準GJB 150《軍用設備環境試驗方法》( 相當于MIL- STD- 810 C) 及可靠性試驗標準GJB 899《可靠性鑒定和驗收試驗》( 相當于MIL- STD- 781) 兩個標準為基礎, 如表2所示, 對環境試驗和可靠性試驗作一比較, 比較的是鑒定試驗。實際上, 可靠性驗收試驗和鑒定試驗基本相同。只是增長試驗和鑒定試驗有些差別。
因此, 可靠性試驗必須能夠評價或通過方法來提高產品能正常工作的時間; 環境適應性是考核產品在極值環境條件下正常工作的能力。這兩種試驗在產品研制和生產中, 只能相互補充而不能取代。
環境試驗應作為獨立可靠性試驗外的形式存在, 并與其相互補充, 結合成熟的環境試驗技術和相應的研究成果, 為提高產品可靠性發揮應有的作用。
表2 環境試驗和可靠性試驗的區別
4 環境試驗與可靠性試驗的使用原則
環境試驗多為單項試驗, 這種試驗的好處在于試驗用的設備比較簡單、試驗費用少, 且很容易發現某一環境因素對產品的影響。其種類很多, 按試驗目的和性質, 可分為以下4 個基本類型: 環境適應性增長試驗( EGT) 、環境合格鑒定試驗( E-QT) 、環境驗收試驗( EAT) 和例行試驗。可靠性試驗是為提高、測定和驗證產品的可靠性而進行的試驗[5]。GJB 450《裝備研制與生產的可靠性通用大綱》中將可靠性試驗分為4 類: 環境應力篩選(ESS) 、可靠性增長試驗(RGT) 、可靠性鑒定試驗( RQT) 和可靠性驗收試驗(RAT) 。這些試驗基本包含了產品研制生產階段的所有試驗項目, 但根據時間、經費及受試產品數量等的不同, 應當對產品進行具體的分析, 從而做到對試驗有所側重、有所簡化:
a) 根據可靠性工程“早期投入, 預防為主”的思想, 將試驗重點放在產品研制階段早期進行,加強環境適應性增長試驗和可靠性增長試驗, 嚴格進行鑒定試驗。一個有效的試驗大綱應把試驗放在ESS、RGT、EGT 和EQT 方面, 限制但不排除RQT、RAT、EAT 及例行試驗。
b) 充分利用產品的試驗信息, 適當地剪裁以后的試驗種類。RGT 的產品技術狀態和施加的環境條件與RQT 接近。鑒于經費等的限制, 若RGT的結果理想, 可免做RQT。EAT 一般只限于溫度和振動試驗, 且使用量值較低, 因此, 除非驗收試驗中規定有的ESS 不能起作用的項目( 如低氣壓) , 一般進行ESS 后不必進行EAT。
5 環境技術在產品可靠性試驗中的應用產品在其生產制造、貯存運輸、部署使用的全壽命過程中都會經受各種環境因素( 包括自然環境和誘導環境) 的作用, 尤其是使用階段的環境條件通常都比較嚴酷[6], 通過長期實踐, 人們認識到環境與產品可靠性緊密關聯, 并起著關鍵性的作用和影響, 環境技術是產品可靠性試驗的基礎, 適當和有效地利用環境技術有利于提高產品的可靠性。
5.1 ESS 試驗
這是國外20 世紀70 年代末興起的、可以發現可靠性缺陷的一種有效的方法。它可以暴露裝機元器件潛在的固有缺陷以及工藝和過程引入的缺陷,而不降低產品性能或損壞產品, 從而使生產過程的輸出缺陷率和現場使用故障率降低。如地面發控設備中的一個程序控制組合, 在執行飛行試驗任務中經常出現故障, 需要備份組合并有專人保駕, 做ESS 試驗后, 多臺產品經受飛行試驗和現場使用的考驗, 均未出現故障, 平均故障間隔時間從原來十幾小時提高到幾百小時。用環境應力激發潛在缺陷的機理和效果對非電子產品也同樣適用, 國內有些單位已開始進行探索, 如上海航天局對陀螺敏感元件、上海自動化儀表所對小型儀表就應用溫度循環和隨機振動的方式進行篩選都取得了較好的效果。
5.2 其它環境試驗
這里主要包括氣候環境、力學環境和電磁環境模擬試驗, 為了證實所研制產品的環境適應能力和所處環境下的可靠性, 上述環境試驗就成為*的手段。這些環境試驗可用于各種可靠性試驗,此外, 還適用于產品研制階段的鑒定試驗和定型后的例行試驗、加速壽命試驗和可靠性增長模擬試驗等[7]。鑒定試驗和例行試驗是環境試驗的主要組成內容, 前者主要考核產品的環境適應能力和在極限環境條件下工作的可靠性, 后者主要是對已定型
的批量生產產品進行抽樣試驗, 以考核材料和工藝的穩定性, 保證使用可靠性, 大多數情況都在模擬環境下進行。
加速壽命試驗適用于機械結構等使用壽命長、故障間隔時間也長的產品, 從而節省時間、經費,即在載荷和環境應力上予以強化, 溫度、振動或沖擊是常用的環境因素。通常RGT 是在真實環境下進行, 但不是所有的情況都能實現, 如衛星、導彈等上天產品在發射前, 先要進行模擬空間環境條件的地面試驗, 地面系統往往難以找到合適的真實試驗環境( 如極限低溫) , 也必須用人工模擬環境代替, 當然, 系統在外場使用是處于真實的使用環境之中, 外場暴露的故障模式是比較真實的, 因此,內場模擬試驗需與外場試驗相結合[8]。
6 結束語
通過上述探討, 提出以下幾點看法:
a) 環境試驗是可靠性試驗的基礎和前提, 在產品研制生產的各階段環境試驗均在可靠性試驗前進行。但由于這兩類試驗從試驗目的、所用應力、時間和故障處理等方面均有很大的差別, 顯然兩者只能相互補充, 而不能互相取代。
b) 進行設計試驗方案時, 應明白環境可靠性試驗以通用的技術方法為技術基礎, 這些技術方法適用于所有類型的環境和可靠性試驗以及項目階段。無論試驗的目的如何, 每一種試驗依據的原理或方法都是一致的。
c) 所有的試驗是相互關聯的, 不要只重視某些試驗而忽略其它試驗, 要知道沒有任何一種單獨的環境、可靠性試驗可以獨立于產品的試驗過程。
每種試驗都提供了一部分信息, 但沒有一個可以提供產品所有的信息。同時也必須協調各種試驗, 以免除不必要的工作, 減少重復試驗, 使之獲得有用的信息。
d) 環境技術是可靠性試驗的先決條件, 它可以優化產品可靠性試驗的設計方案, 避免重復, 節省試驗成本, 對提高產品可靠性有著重要的影響和作用。
參考文獻:
[1] HANK CARUSO. 環境可靠性試驗[C] //1996 年美國RM年會論文, 1996.
[2] 防務系統管理學院. 系統工程管理指南[M] . 北京: 宇航出版社, 1992.
[3] GJB 4239- 2001, 裝備環境工程通用要求[ S] .
[4] HENRY CARUSO. Environmental Test Tailoring: Issues and Opportunities [J] . Journal of the Society of Environmental Engineers, 1995, 10: 88- 95.
[5] 祝耀昌. 環境工程技術及其發展綜述[C] //環境工程論文集. 北京: 航空航天工業部第三O 一研究所出版社,1995: 6- 31.
[6] DUANE J T. Learning Curve Approach to Reliability Monitoring[ J] . IEEE Transaction on Aerospace, 1992, 12( 2) : 102- 108.
[7] DEMENT A C, HARTMAN R D. Operational Suitability Evaluation of a Tactical Flighter System [J] . AIAA, 1996,5: 53- 60.
[8] 陸廷孝. 可靠性設計與分析[M] . 北京: 國防工業出版社, 1995.