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加速可靠性试验综述　　
加速可靠性试验综述 范志锋,齐杏林,雷彬 (军械工程学院弹药工程系,石家庄050003) 摘要:加速可靠性试验是可靠性试验领域的重要研究方向。阐述了可靠性强化试验、加速寿命试验和高加速应力试验等3类加速可靠性试验的基本概念,归纳总结了3类加速可靠性试验在国内外的研究现状,并对我国开展加速可靠性试验的研究给出了几点建议。 关键词:可靠性强化试验;高加速寿命试验;高加速应力筛选;加速寿命试验;高加速应力试验 中图分类号:TB114.3　　　文献标识码:A 文章编号:1672-9242(2008)02-0037-04 Review of Accelerated Reliability Tests 　当今社会,为了适应日益激烈的竞争环境,企业必须在最短的时间内研制并生产出高可靠性的产品,以满足用户的需求。传统的可靠性试验方法已经不足以找出设计和生产缺陷或评估寿命预计值,于是人们纷纷把目光投向加速可靠性试验。加速可靠性试验通过采用比产品在正常使用中所经受的环境更为严酷的试验环境,在给定的试验时间内获得比在正常条件下更多的信息。因此,加速可靠性试验成为可靠性试验领域的重要研究方向。 1　基本概念 目前正在研究和应用的加速可靠性试验主要有可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing ,RET) 、高加速寿命试验(Highly Accelerated Life Testing , HALT) 、高加速应力筛选(Highly Accelerated Stress Screening , HASS) 、加速寿命试验(Accelerated Life Testing ,ALT) 、高加速应力试验(Highly Accel2erated Stress Testing , HAST) [ 124 ] 。一般认为,可靠性强化试验(RET)包括高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS) 。加速可靠性试验可分为3种:可靠性强化试验、加速寿命试验和高加 速应力试验。 虽然加速可靠性试验都是采用加速环境应力的方式进行试验,但是各类加速可靠性试验的试验目的和试验方法有较大差异。可靠性强化试验属于工程试验范畴。与传统的环境模拟试验( Simulation Test)相反,可靠性强化试验是一种激发试验( Stimulation Test) 。该技术的理论依据是故障物理学( Physics of Failure) ,它通过施加加速环境应力使设计和生产中缺陷以故障的形式暴露出来,通过故障原因分析、失效模式分析和改进措施消除缺陷,提高产品可靠性,并大幅度提高试验效率,降低成本。 加速寿命试验属于统计试验范畴。它是在进行合理工程及统计假设的基础上,利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换,得到产品在额定应力水平下可靠性特征可复现的数值估计的一种试验方法。简言之,加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下,通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。加速寿命试验采用加速应力水平来进行产品的寿命试验,从而缩短了试验时间,提高了试验效率,降低了试验成本。按照试验应力的加载方式,加速寿命试验通常分为恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验等3种基本类型。除了这3种基本加速寿命试验以外,部分学者还提出过循环应力加速寿命试验、随机应力加速寿命试验、步退应力加速寿命试验以及加速退化试验等方法。 另外,还有一种类型的加速可靠性试验———高加速应力试验,该试验容易和前面所讲的两种加速可靠性试验相混淆。国内有的学者认为高加速应力试验就是高加速寿命试验和高加速应力筛选[ 526 ] 。据文献[ 3 ] ,高加速应力试验与高加速寿命试验或高加速应力筛选是两个完全不同的概念,高加速应力试验的主要特点是采用高温(超过100℃) 、高湿(约85% )和高压(可达4 atm) ,它是为了代替传统的温度/湿度试验而开发的一种新的环境试验。 2　国内外研究现状 2. 1　可靠性强化试验 　　可靠性强化试验是一种激发试验。国外最早的激发试验是20世纪50至60年代的老化试验,所施加的应力有高温、高低温循环和温度冲击等。20世纪70年代后,激发试验发展为环境应力筛选。环境应力筛选主要是排除产品生产过程中的缺陷,而对产品的设计缺陷却无能为力。从本质上讲,环境应力筛选不能真正提高产品的固有可靠性。20世纪80年代末,激发试验发展为可靠性强化试验。可靠性强化试验是一种先进的可靠性试验方法,美国G.K. Hobbs博士是最早从事这方面研究的专家,他称这种试验方法为高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS) ,前者是针对设计阶段,后者是针对生产过程。该技术在20世纪90年代得到发展和应用,由于波音公司应用效果最好,影响最大,并且首次使用可靠性强化试验(RET)这一术语,后来,可靠性强化试验这一叫法作为通用名而被广泛接受[ 7 ] 。 目前,国外从事该领域的主要研究机构有QualMark公司、Otis Elevator公司和Hobbs Engineering 公司等。如QualMark公司还生产了系列的可靠性强化试验设备: Typhoon 1. 5、Typhoon 2. 0、Typhoon 2. 5、Typhoon 3. 0、Typhoon 4. 0[ 8 ] 。 许多著名企业如波音公司、惠普公司等成立了专门的可靠性强化试验机构。在理论与技术研究方面比较知名的专家学者有Gregg K. Hobb 、S. Smithson 、Joseph Cap itano、Wayne Nelson、Mike Silverman等,他们在强化试验效率、试验理论、统计模型和数据分析等方面进行了 大量研究[ 9 ] 。 在国外,可靠性强化试验得到了广泛的应用。惠普、福特等国际知名企业已相继采用RET进行新产品研制的可靠性增长试验,并由此获得高可靠性,缩短了产品的研制周期,取得了明显的经济效益。同时美国对可靠性强化试验技术在军品中的应用也进行了研究和探讨。据文献[ 2 ] ,美国在响尾蛇导弹的无线电引信研制阶段应用了可靠性强化试验技术。在2003年47 届美国引信年会上,Michael P.Connolly和Kenneth R. Rose等发表了“Can HALTand HAST Rep lace Some U. S. M IL2STD2331 Climatic Tests for Electronic Fuzes?”,对可靠性强化试验技术能否取代部分引信环境模拟试验进行了探讨[ 10 ] 。 美国BarryMa 和Mekonen Buzuayene发表了“MIL-HDBK-217 vs. HALT/HASS”,对传统的军用电子装备可靠性预测方法与可靠性强化试验技术进行了对比分析,指出M IL2HDBK2217在预测军用电子装备可靠性方面存在的不足,若要准确预测军用电子装备的可靠性,在设计和生产阶段应该采用HALT/HASS[ 11 ] 。 目前,国内在可靠性强化试验技术方面处于跟踪和初步研究阶段。在20世纪90年代中期,国内有关专家开始关注国外可靠性强化试验的研究与应 用发展动态,并发表了一些跟踪性论文。目前,开展可靠性强化试验技术研究的单位主要有:北京航空航天大学、国防科技大学、信息产业部电子5所、中国工程物理研究院电子工程研究所和中国空空导弹研究院等。最近几年,我国的轴承行业也开展了可靠性强化试验技术,并研制了具有完全自主知识产权的ABLT型系列轴承寿命强化试验机[ 12 ] 。国防科技大学可靠性实验室和北京航空航天大学引进了相关的可靠性强化试验设备,并在国防预研项目的资助下开展可靠性强化试验理论与技术研究。可靠性强化试验一般不能对产品可靠性进行定量评估,但北京航空航天大学对可靠性强化试验的定量评估方法也进行了探讨[ 13-14 ] 。 在工程应用方面,仅有几家大公司开始关注可靠性强化试验技术,并在其产品设计过程中得以运用。如深圳的华为公司在国防科技大学可靠性实验室对其电子产品进行了此项试验。据有关文献,国内目前已经完成可靠性强化试验的产品主要有:某通信产品、某液晶显示器温控电路板、某机载电子设备、某军用直流电源、军用特种电真空组件、星载铷钟、某继电器等[ 15221 ] 。虽然我国已经完成上述产品的可靠性强化试验,但是各试验单位所采用的试验原理和方法各异,没有形成完善的试验指南,不便于可靠性强化试验的推广应用。 2. 2　加速寿命试验 加速寿命试验是在寿命试验的基础上产生的。 早在20世纪50年代,寿命试验被广泛地验证电子元器件火工品及化工原材料的可靠性试验中。由于当时产品的可靠性寿命并不高,寿命试验所面临的矛盾并不突出。随着产品可靠性指标要求的不断提高, 20世纪60年代后,加速寿命试验被人们开始研究并引起可靠性研究和试验人员的广泛注意。美罗姆航展中心1967年首次给出了加速寿命试验的统一定义[ 4 ] 。加速寿命试验的研究主要集中在试验的统计分析和优化设计两个方面。 国外对加速寿命试验统计分析研究始于20世纪60年代。首先发展起来的是恒定应力试验的统计分析方法。目前,有关恒定应力试验统计分析主要围绕如何提高分析精度等问题展开。由于恒定应力试验最低应力水平往往接近正常应力,试验时间较长且效率低,因此步进应力试验的研究与应用需求日益明显。但如何从步进应力的失效数据中分离出完整的寿命信息,是步进应力试验统计分析的关键问题,目前,很多研究就是围绕该问题展开的。为进一步提高试验效率,加速产品的失效,加速寿命试验发展为序进应力试验。由于序进应力试验的统计分析十分复杂,并且需要专门的应力控制设备,因此序进应力试验在国际上较多地应用于产品可靠性的对照试验,其应用受到了很大的限制。 在加速寿命试验及统计分析方法蓬勃发展的基础上,加速寿命试验最优设计研究开始引起人们的关注, Chernoff H 、MeekerW Q 、NelsonW B 、KhamisIH 、Higgins J J 、Yeo K P和Tang L G等分别就恒定应力试验和步进应力试验的优化设计问题开展了相关研究工作[ 22 ] 。关于序进应力试验的优化设计问题,研究成果还较少。 美国和俄罗斯两个国家在加速寿命试验的工程应用方面处于世界领先地位。在民用产品方面,加速寿命试验方法已广泛应用于通讯、电子、电脑、能源、汽车等工业部门。在军品方面,美国把加速寿命试验当作导弹武器装备的一种寿命预测技术,利用加速老化技术提供了48个月使用寿命预报。俄罗斯研制“C2300”、“朵尔”等多种防空导弹系统的火炬设计局,开发并运用“加速贮存寿命试验”和“加速运输试验”等技术取得了卓著成效。用6个月的加速贮存试验,即可获得贮存寿命为10年的结论,保证导弹在10年的贮存期内,无需维修而能满足规定的开箱合格率和发射成功率要求,使导弹这样的复杂系统实现了“单元弹药”或一般机电产品所具有的非常高的贮存可靠性指标要求[ 23 ] 。 20世纪70年代初,加速寿命试验技术进入我国,引起相关领域的广泛兴趣,一直处于边研究边应用的状态。我国的相关学者紧跟国外加速寿命试验技术的发展,对试验的统计分析和优化设计进行了较为深入的研究。 我国在加速寿命试验的工程应用方面也开展了大量的工作,并取得了一批重要成果。已经在导弹、弹药、无线电引信、结构疲劳、发动机、轴承、齿轮、低压电机、He2Ne激光器、电容、绝缘材料、继电器等寿命研究中得到了广泛应用,其应用范围涉及武器装备、航空航天、机械电子等诸多领域。另外,我国还制定了加速寿命试验相应的国标、军标和部标。如1981年颁布了恒定应力试验的4 个国家标准(GB2689. 1～4281) , 1991年颁布了火工品恒定温度应力试验的国军标(GJB736. 13291) , 1992年颁布了恒定应力试验相应的航天工业标准, 2004年颁布了弹药元件步进应力试验的国军标( GJB5103-2004) [ 23229 ] 。 2. 3　高加速应力试验 高加速应力试验是IBM公司的Gunn、Malik和Mazumdar于1981年首次提出的一个全新的试验方法[ 30 ] 。高加速应力试验是在电子技术高速发展的基础上出现的。它主要用来代替传统的85℃/85%RH的温度/湿度(Temperature Humidity Bias , THB)试验,能够大量缩短试验时间。如THB 需要花费1000 h才能完成的试验,采用HAST只需96～100h。正是由于HAST的上述优点,近些年来,越来越受到人们的欢迎,国外有些公司开始用HAST代替传统的THB试验[ 31 ] 。至今,我国还没有开展高加速应力试验研究的报道。 3　研究展望 加速可靠性试验能够缩短试验周期,使产品进行市场的周期大大缩短。根据对各类加速可靠性试验公开发表文献的分析,结合我国的技术水平和研究现状,对我国加速可靠性试验的研究提出以下几点建议。 1) 积极开展高加速应力试验研究,争取替代传统的温度/湿度试验。 2) 对可靠性强化试验的关键技术如试验指南、相关设备研制、试验数据的统计分析等方面进行进一步深入研究, 3) 对复杂系统的加速寿命试验进行进一步的探讨,对加速寿命试验的统计分析精度、试验效率、优化设计问题进行进一步深入研究。 4) 进一步推进加速可靠性试验技术的工程应用研究。