1　環(huán)境可靠性試驗簡要回顧

　　現(xiàn)代社會隨著競爭的發(fā)展與深化，市場對產(chǎn)品的要求也越來越高，物既要美，價亦要廉，

作為產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性保障重要手段的環(huán)境可靠性試驗也相應地得到不斷的發(fā)展。

1.1　環(huán)境模擬試驗

　　早在1940年代美國就對產(chǎn)品的設(shè)計開始采用單因素環(huán)境的研制試驗與鑒定試驗，以檢驗設(shè)計的質(zhì)量與可靠性[1]。至70年代發(fā)展到采用綜合環(huán)境可靠性試驗(CERT) 和任務剖面試驗。為檢驗工藝則采用不帶設(shè)計余度的驗收試驗。

　　隨著環(huán)境模擬試驗技術(shù)的發(fā)展與成熟，各政府部門及軍兵種相繼頒布了一系列的國標、軍標，以嚴格的法規(guī)形式來保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，其中*有代表性的如環(huán)境模擬試驗軍標MIL-STD-810，可靠性試驗軍標MIL-STD-781和空間飛行器試驗軍標MIL-STD-1540以及它們的修訂版，具體產(chǎn)品型號則根據(jù)這些標準與型號的特點制訂詳細的試驗大綱。長期以來環(huán)境模擬試驗便成為保障產(chǎn)品可靠性主要手段。

　　該技術(shù)的特點是:模擬真實環(huán)境，加上設(shè)計裕度，確保試驗過關(guān)。因此，環(huán)境模擬的真實程度和設(shè)計裕度的大小便成為兩個關(guān)鍵的因素，要提高可靠性就必須對環(huán)境進行更**的模擬和加大設(shè)計裕度，但這樣一來便使難度增大，周期拖長和增大成本。

　　這種方法的不足之處是對設(shè)計和工藝缺陷未作專門處理，只分別通過鑒定試驗與驗收試驗解決，因此潛在缺陷殘留量仍不少，隨時都可能在外場使用時出現(xiàn)故障，可靠性的增長靠自然反饋緩慢地實現(xiàn)，這時木已成舟，留給設(shè)計修改的時間與空間都極其有限，從而使市場競爭的優(yōu)勢大為降低。

1.2　環(huán)境應力激發(fā)試驗

　　激發(fā)試驗(Stimulation)與模擬試驗(Simulation)的思路相反， 它是用人為的施加環(huán)境應力的方法，快速激出并**產(chǎn)品的潛在缺陷來達到提高可靠性的目的，因此試驗時不僅不求獲得通過，反而求激出潛在缺陷越多越好，這一思路雖早為人知，但發(fā)展卻比模擬試驗慢得多。

　　早在50年代的老化試驗便是激發(fā)試驗的*初形式，所加應力有高溫、溫度循環(huán)和溫度沖擊等，至70年代后發(fā)展成當今廣義的環(huán)境應力篩選。由于試驗的目的是激發(fā)、**缺陷，故所加應力不必模擬真實環(huán)境，只要激發(fā)的效率越高越好，這樣一來試驗就簡單多了，根據(jù)經(jīng)驗至今公認為*基本*有效的應力是高溫變率的溫度循環(huán)和寬帶隨機振動。

　　這里應著重指出的是自從1979年美國**頒布了**生產(chǎn)篩選大綱NAVMAT P-9492后收到了驚人的效果，產(chǎn)品可靠性獲得上倍的提高，1982年美國環(huán)境科學學會又頒發(fā)了指導性文件《電子產(chǎn)品環(huán)境應力篩選指南》使應力篩選進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。在此期間發(fā)表了大量的文獻，其中有人也試圖用“軍標”的形式來加速這一技術(shù)的發(fā)展，但這種嘗試是錯誤的也是極其有害的，極易把問題搞混淆，重新把問題拉回到“模擬”的軌道，把“激發(fā)缺陷”又變成“試驗通過”。因為“獲得通過”有時是由于篩選方案不當或應力量級太小所致，而產(chǎn)品的可靠性并未獲得真正的提高，故應力篩選只能用“指南”的形式執(zhí)行，不同的缺陷類型和不同的失效機理必須使用不同的篩選方案而無統(tǒng)一的標準可言。

　　要強調(diào)的另一點是當今的應力篩選方法都是在設(shè)計無缺陷的前提下針對生產(chǎn)過程的缺陷的，實際上設(shè)計缺陷除用鑒定試驗外并無其它專門的方法檢測和**，因此專門研究設(shè)計缺陷的排除以提高產(chǎn)品的可靠性仍有很大的潛力可挖，這就是本文點評的重點。

2　　可靠性強化試驗(RET)的興起與發(fā)展

　　80年代初就在應力篩選迅速發(fā)展的同時，人們就已經(jīng)注意到由于設(shè)計潛在缺陷的殘留量仍不少，為可靠性的提高提供了可觀的空間，另外，還有價格和研制周期問題，這是當今動態(tài)市場競爭的焦點，實踐證明可靠性強化試驗正是綜合解決這一問題的*好方法。從圖1中可以清楚地看到[2]:RET獲得的可靠性比傳統(tǒng)方法高得多，更可貴的是RET在短時間內(nèi)就獲得早期高可靠性，無需像傳統(tǒng)法那樣需長時間的可靠性增長，從而也降低了成本。

　　*先從事這方面工作稱得上先驅(qū)者的是G.K. Hobbs,K.A. Gray和L.W.Condra等人，他們稱這種試驗為高加速壽命試驗(HALT)和高加速應力篩選(HASS)，前者針對設(shè)計，后者針對生產(chǎn)，方法的核心是施加大應力，一步步地加，一次次地排除缺陷，故也叫步進應力法,以此獲得高可靠性，從80年代末至90年代初，相繼在各工業(yè)部門推廣應用，無一例外地取得了很大的成功，由于商業(yè)競爭與**保密的原因至今許多重大成果仍未解密發(fā)表。連名稱也尚未統(tǒng)一，有的叫步進應力試驗(StepStress),高加速壽命試驗(HALT)，應力壽命試驗(STRIFE)，應力裕度和強壯試驗(SMART)和可靠性強化試驗(RET)等等，波音公司把RET當作這一試驗技術(shù)的統(tǒng)稱是較為合理的，因為它突出了強化試驗的特點。

　　RET得到迅速發(fā)展的原因還在于90年代市場可靠性觀念的更新和關(guān)鍵技術(shù)的突破。

　　L．Condra在其系列論文中說[3]，美國生產(chǎn)廠家在80年代認識質(zhì)量的重要性，深知市場只接受質(zhì)高價廉的產(chǎn)品，到90年代又認識到可靠性的重要性，深知市場對產(chǎn)品不僅要求高的開箱率，而且要求在設(shè)計壽命期內(nèi)確保性能良好不變。這是新一輪對可靠性的挑戰(zhàn)，而RET正是滿足這一挑戰(zhàn)的*好方法。

　　Condra指出按傳統(tǒng)的可靠性定義去應付瞬息萬變的動態(tài)市場顯得太被動了，廠家只對用戶的條件(規(guī)范)負責，不對產(chǎn)品的使用負責必然導致在市場中的失敗。于是90年代的一種進取性的市場可靠性定義便應時而生:

　　一種可靠的產(chǎn)品應隨時都能完成用戶需其完成的任何任務。這樣一來，廠家便變被動為主動，了解用戶對產(chǎn)品的要求，關(guān)注市場的發(fā)展，不斷改進更新產(chǎn)品，以上乘的質(zhì)量可靠性換取不斷擴大的市場占有份額，獲取豐厚的利潤回報，因此可靠性便不再是一種成本負擔，相反可靠性正是商家追求的一種資產(chǎn)、一種財富。

　　但是，傳統(tǒng)的可靠性試驗既極費錢又極費時，必須要開發(fā)一種新的經(jīng)濟有效的替代法來適應這一需求，這便是RET法。RET技術(shù)的理論依據(jù)是故障物理學(Physics of failure),把故障或失效當作研究的主要對象，通過發(fā)現(xiàn)、 研究和根治故障達到提高可靠性的目的。對當今高度復雜的電子或機電產(chǎn)品，要發(fā)現(xiàn)潛在故障非易事，特別是一些“潛伏”極深的或間歇性故障，必須采用強化應力的方法強迫其暴露，實踐證明RET法效果顯著。

GreggK.Hobbs先生曾就強化應力的效果問題設(shè)計了一種金屬試件， 對疲勞壽命進行了研究[4],發(fā)現(xiàn)當應力強度增加1培時，疲勞壽命降低為1/1000，在實際應用時振動引起的失效就屬這一類型，除了施加強化應力外，由于有缺陷產(chǎn)品的應力集中系數(shù)高達2--3倍，從而使疲勞壽命相應降低好幾個數(shù)量級，這樣就使產(chǎn)品內(nèi)的有缺陷組件與無缺陷組件在相同的強化應力下疲勞壽命拉大了擋次，使缺陷迅速暴露的同時無缺陷組件損傷甚小，這一理想的效應正是我們所需要的。

　　對于溫度循環(huán)則屬熱疲勞性質(zhì)，S.Smithson先生在《效率與經(jīng)濟性》一文中[5]也給出了類似的效果，若以兩個不同的溫變率為例，一個5℃/min,另一個強化到40℃/min，則它們的疲勞壽命效率比為4400∶1，對其它溫變率的情況見下表:

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溫變率℃/min　　5　　　　10　　　15　　　20　　　30　　40

循環(huán)數(shù)　　　　　400　　　55　　　17　　　7　　　2.21

min/每循環(huán)        66                 33             22          16.5       118

總時間h            440           30 6 1.9 0.4 0.1

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根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看到RET的綜合效果是:大幅提高可靠性，高度壓縮時間，從而也降低了成本。

要實施強化應力必須要有相應和設(shè)備，沿用傳統(tǒng)的試驗設(shè)備進行RET也能取得某種程度的成功，但由于現(xiàn)有溫箱的溫變率偏低，多在5～10℃左右，振動臺只有單軸臺，試驗時需換向，價格也貴，無法滿足RET的要求。因此， 一種嶄新的高效價廉設(shè)備的應時推出配合了RET技術(shù)的發(fā)展，新設(shè)備由高溫變率溫箱和氣動式3軸6自由度(6DOF) 振動臺組成，高溫變率用液氮致冷取得，這本非新技術(shù)，但由于過去人們誤對液氮成本過高的擔心，致使長期被擱淺，現(xiàn)經(jīng)**比較，因RET的高效率的時間和高壓縮而反使成本有所降低，從而得以確認使用。

　　6DOF臺由氣動反復沖擊機發(fā)展而成，該機原用于模擬炮射沖擊環(huán)境， 因其有6自由度空間和價廉的特點，被看中用來改裝模擬隨機振動，經(jīng)過不斷的改進發(fā)展獲成功，關(guān)鍵技術(shù)主要有二，一是錘頭擊打頻率f=30～50Hz和錘頭擊打力度可隨機調(diào)制(通過沖程)，這樣由若干個錘頭和一個臺面構(gòu)成的氣動振動臺便可產(chǎn)生一種非高斯型的準隨機激勵。二是累積疲勞系數(shù)(AFF)分析方法在該類激勵的成功應用。根據(jù)G.Henderson引用Lambert,R.G.的研究成果[6]，累積疲勞損傷主要由大于2σ的應力峰所造成，而6DOF臺具有豐富的遠大于2σ的峰值概率分布，故具有極強的激發(fā)缺陷的能力，根據(jù)對AFF的計算結(jié)果，6DOF臺的效率與單軸振動臺比為2114∶1。

原擔心作為6DOF臺的缺點的試驗均勻性和重復性問題，經(jīng)G. Hobbs和惠普公司等進行了長達一年多的試驗研究也得到了很好的解決。

3　　可靠性強化試驗技術(shù)

3.1 可靠性強化試驗(RET)的目的

　　RET是故障防治策略中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，與應力篩選針對生產(chǎn)缺陷不同， 它的目標主要針對設(shè)計缺陷或設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，旨在通過強化試驗手段查找設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，分析原因，采取改進措施，徹底排除，不許重現(xiàn)，以獲預期的設(shè)計高可靠性。RET在設(shè)計完成后但未投產(chǎn)前進行。

3.2　RET的內(nèi)容與應力參數(shù)

　　RET包括步進應力試驗和加速壽命試驗。應力參數(shù)以溫度循環(huán)和隨機振動為基礎(chǔ)， 根據(jù)產(chǎn)品的特點再酌增工作應力(電應力)或其他應力如加濕。

　　應力量級按步長逐步遞增，直到遠超出規(guī)范范圍甚至達到破壞極限。以下參數(shù)供選用參考:

　　溫度循環(huán)

　　　　溫　度　范　圍:　高低溫步長各10～15℃，至*大為-60～+125℃

　　　　溫　　變　　率:　步長2～3℃/min,至*大30℃/min

端點保溫時　間:　～10min

　　　　在保溫段同時進行通、斷電試驗。

　　隨機振動(3軸6自由度)

　　　　頻　率　范　圍:　5～5000Hz

振　動　量　級:　步長2～3ｇRMS,從2起至28ｇRMS

　　　　振　動　時　間:　每步～10min

　　結(jié)束試驗的原則:

　　　　(1)至破壞極限，

　　　　(2)根據(jù)對設(shè)計余度的要求確定，

　　　　(3)出現(xiàn)非正常失效，如材料熔化。

3.3 強化應力篩選

　　強化應力篩選的目的與傳統(tǒng)的應力篩選相同，是針對生產(chǎn)過程的工藝和元器件缺陷，但所用的應力量級要大，根據(jù)RET的結(jié)果即破壞極限來確定，以下參數(shù)供選用參考:

　　溫度循環(huán):端點溫度取破壞極限的～80%;

隨機振動:取破壞極限的50%或更低一些；

　　篩選方案驗證:旨在驗證該方案的合理性，即快又徹底地激出缺陷， 但又不損傷好的硬件。做法為選取至少3個樣件，每個樣件反復試驗10～20次，以不再出現(xiàn)故障為準。

4　　關(guān)于ＲＥＴ技術(shù)的應用與展望　

　　在民用產(chǎn)品方面已成功地應用在通訊、電子、電腦、能源、汽車等工業(yè)部門。這類產(chǎn)品的可靠性增長過去主要靠用戶的自然反饋信息進行，周期長、更新?lián)Q代慢，因此，RT主要被用于新產(chǎn)品的開發(fā)和老產(chǎn)品改型中關(guān)鍵部件的改進以及預先研究。例如有名的福特汽車和惠普公司就是使用RET技術(shù)獲得產(chǎn)品的高可靠性和快速更新?lián)Q代的。

　　由于民用產(chǎn)品類別繁多，性能要求各異，在使用該技術(shù)時需靈活掌握，應力量級可高可低，以獲得所需的可靠性、成本和周期的綜合優(yōu)化值，在排除設(shè)計、工藝缺陷時，既可分別處理，也可綜合處理，視要求而定。十幾年來這一技術(shù)是在應力篩選的統(tǒng)稱下發(fā)展起來的，因而學科上形成了一個新的分支，叫商用應力篩選(CSS)?？梢詳嘌裕?/span>RET技術(shù)將成為民用產(chǎn)品創(chuàng)造品牌的重要手段。

　　在**、航空、航天方面的應用要晚一些，近幾年來應用越來越多，發(fā)展也快。航空方面波音公司已于1994年在波音-777飛機上應用，獲得了成功。接著計劃在波音-737新一代應用。航天方面參加1995年11月波音公司召開的故障防治策研討會就有9家，其中AlliedSignal Aerospace和OlinAerospace 公司就是選用TVC-9試驗系統(tǒng)作這類試驗的。據(jù)CHI　Systems公司透露，在航天工業(yè)有時也采用RET技術(shù)做衛(wèi)星整星或?qū)梻}段試驗，但必須將專用激振錘安裝到結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定部位上，以形成一種分布式激勵系統(tǒng)。

由于航天航空產(chǎn)品對可靠性要求高，因此必須把RET與模擬試驗結(jié)合起來，用RET技術(shù)獲得大的設(shè)計余度，確保高可靠性，用模擬技術(shù)按“軍標”或“國標”規(guī)定的條件進行鑒定試驗和驗收試驗，以確認設(shè)計可靠性和驗收產(chǎn)品。

　　有越來越多的實踐證明，經(jīng)RET和強化應力篩選的產(chǎn)品已獲得足夠高的可靠性， 往往使鑒定試驗和驗收試驗變成一種形式或橡皮圖章。由此，我們有理由斷言，隨著經(jīng)驗的積累，RET技術(shù)與模擬技術(shù)必然朝著相輔相成、取長補短、互相滲透、簡化取代以獲取可靠性、經(jīng)費和進度三者的*隹綜合效益的方面發(fā)展。

參考文獻

1 John ton.Environmental Testing And Stress Sereening.

2陳奇妙編譯.波音公司的故障防治策略和可靠性強化試驗技術(shù).見:陳奇妙主編. 可靠性強化試驗技術(shù).1998:14～21

3 Lloyd W Condrs.Accelerated Testing for Product Reliability Assurace.

4 Gregg K Hobbs.Highly Accelerated StressScreens ASS. Proceedings ES1992

5 Stephen A Smithson.Effectiveness and Economics ardsticls for ESS Decisions.Proceedings ES 1990

6 GHenderson. 6DOF Machine Characteristics andMethods of Measuring Effectiveness. Test Engineering &Management, June/July 1992