環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)的關(guān)系及其應(yīng)用

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摘要: 介紹了環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容, 分析了兩者的特點(diǎn)及相互關(guān)系。同時也給出了實(shí)際使用中選用試驗(yàn)的原則, 探討了環(huán)境技術(shù)在可靠性試驗(yàn)中的影響和作用, 指出了適當(dāng)、有效地利用環(huán)境技術(shù)有利于提高產(chǎn)品的可靠性。
關(guān)鍵詞: 環(huán)境工程; 環(huán)境試驗(yàn); 可靠性工程; 可靠性試驗(yàn); 環(huán)境技術(shù)
中圖分類號: TB24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1672- 5468 ( 2006) 06- 0057- 05

The Relation between Environmental Test and Reliability Test and its Application
MA Zhi- hong, LI Jin- guo, XIN Wen- bo, ZHANG Lei
( Institute of Radar and Electronic Countermeasures of the Air Force Equipment Academe, Beijing 100085, China)
Abstr act: The content and characteristics of environment test and reliability test, and the relationship between them are introduced, the rule for the selection of tests in practical usage is provided. The effect of environmental technology on reliability test is discussed. It is shown that the proper and effetive application of environmental technology will be helpful to the inprovement of product reliability.
Key words: environmental engineering; environmental test; reliability engineering; reliability test; environmental technology

1 引言
     在當(dāng)今競爭激烈的市場環(huán)境和化的背景下, 產(chǎn)品要迅速并且成功地占領(lǐng)國內(nèi)外市場, 就必須提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。
目前, 我國很多產(chǎn)品設(shè)計從單純追求技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)向提高產(chǎn)品的綜合效能[1]。在產(chǎn)品引進(jìn)過程中,由于來源不同, 在同一場所會出現(xiàn)不同的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系相互交叉的情況; 隨著可靠性工作的逐步深入, 該指標(biāo)已納入研制合同。環(huán)境工程和可靠性工程相互交叉, 使產(chǎn)品在研制和生產(chǎn)中, 試驗(yàn)項(xiàng)目和工作量成倍地增加, 這給研制和生產(chǎn)部門帶來了許多重復(fù)性工作, 周期和成本難以保證, 這就要求對相同的試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行合并和簡化。也就要弄清環(huán)境工程和可靠性工程的概念, 充分利用已進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果, 簡化試驗(yàn)工作量, 縮短研制周期。
然而, 國內(nèi)的某些產(chǎn)品研制單位對環(huán)境和可靠性試驗(yàn)的認(rèn)識還存在一定的誤區(qū), 沒有真正地理解對產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境和可靠性試驗(yàn)的真正意義, 沒有將環(huán)境、可靠性試驗(yàn)看作一個可使產(chǎn)品增值的過程[2]。因此, 很有必要深入地探討有關(guān)環(huán)境、可靠性試驗(yàn)的各種問題。
2 環(huán)境工程和可靠性工程
    環(huán)境工程是一門工程學(xué)科, 它是為保證產(chǎn)品在規(guī)定的壽命周期內(nèi), 在預(yù)期的運(yùn)輸、儲存、使用和維修期內(nèi)使產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性達(dá)到規(guī)定要求所進(jìn)行的一系列工作, 主要包括環(huán)境的管理、技術(shù)研究、條件分析、影響分析與防護(hù)技術(shù)4 個方面, 如表1所示。產(chǎn)品從出廠到退役的全壽命期內(nèi), 都處于各種自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境中, 在環(huán)境應(yīng)力的作用下,很容易導(dǎo)致性能降低甚至不能工作。
    可靠性工程是通過在產(chǎn)品的設(shè)計、研制和生產(chǎn)中采取一系列有序且相互的管理、設(shè)計、分析和試驗(yàn)措施, 使產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的一門工程學(xué)科。可靠性工程主要包括可靠性的管理、研制與生產(chǎn)試驗(yàn)、設(shè)計( 及預(yù)計) 3 個方面, 如表2 所示。
產(chǎn)品的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性均屬于產(chǎn)品的質(zhì)量特性。如圖1 所示, 環(huán)境條件與可靠性設(shè)計和試驗(yàn)有關(guān), 環(huán)境工程在產(chǎn)品全壽命期內(nèi)開展, 可以提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和檢驗(yàn)生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性, 特別是對成敗型產(chǎn)品的研制、設(shè)計及生產(chǎn)過程中, 環(huán)境工程的試驗(yàn)結(jié)果可以被可靠性工程所接受和運(yùn)用。但在產(chǎn)品設(shè)計研制過程中環(huán)境工程主要分析產(chǎn)品在其
壽命周期中可能遇到的極限環(huán)境, 利用設(shè)計手段提高產(chǎn)品承受極限環(huán)境的能力。而可靠性工程主要分析產(chǎn)品在其壽命周期中可能遇到的典型環(huán)境, 利用設(shè)計手段來提高產(chǎn)品的可靠性水平。
3 環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)
    在產(chǎn)品研制階段早期, 主要是通過試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷且加以改進(jìn), 并通過進(jìn)一步的試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)新的問題。經(jīng)驗(yàn)表明, 70 %左右的設(shè)計缺陷要靠對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)。試驗(yàn)不僅是產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中完善設(shè)計的有力措施, 也是評價產(chǎn)品各項(xiàng)特性是否符合要求的*的手段。
為達(dá)到產(chǎn)品研制合同的要求, 試驗(yàn)、評價和改進(jìn)貫穿整個產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過程, 主要包括研制試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)和例行試驗(yàn), 如表1 所
示。環(huán)境試驗(yàn)是以產(chǎn)品對預(yù)期工作環(huán)境的適應(yīng)性為考核目標(biāo)的試驗(yàn), 包括耐受惡劣的儲存與運(yùn)輸環(huán)境而不致?lián)p壞和在合理極值環(huán)境條件下正常工作的能力。可靠性試驗(yàn)是按可靠性要求設(shè)計和進(jìn)行的、有可靠性目標(biāo)并在典型環(huán)境條件下的試驗(yàn), 是驗(yàn)證產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能而進(jìn)行的試驗(yàn), 是可靠性增長試驗(yàn)、可靠性研制試驗(yàn)和可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的總稱。

3.1 環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)的關(guān)系
環(huán)境試驗(yàn)是產(chǎn)品基本的試驗(yàn), 只有通過了環(huán)境合格鑒定試驗(yàn)的產(chǎn)品才能投入可靠性增長試驗(yàn);
通過了環(huán)境驗(yàn)收試驗(yàn)的產(chǎn)品才可投入可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)。如美MIL- STD- 785 B 中明確地指出:
“應(yīng)該把MIL- STD- 810 中描述的環(huán)境試驗(yàn)看作可靠性研制和增長的早期部分[3]。這些試驗(yàn)必須在研制初期進(jìn)行, 以保證有足夠的時間和資源來糾正試驗(yàn)中暴露的缺陷, 而且這些糾正措施必須在環(huán)境應(yīng)力下得到驗(yàn)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(tǒng)( FRACAS) 。
同時, 這兩種試驗(yàn)基本上都采用試驗(yàn)室試驗(yàn)方法, 在規(guī)定的受控環(huán)境中進(jìn)行, 所采用的環(huán)境設(shè)備和試驗(yàn)方法包括相應(yīng)的夾具設(shè)計原則都可以相互借鑒。對進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)所用的環(huán)境條件的研究, 為可靠性試驗(yàn)條件的制定提供了先決信息, 同時可靠性試驗(yàn)剖面中的溫度、振動量值的確定與相應(yīng)環(huán)境條件的確定基本相同。
可以認(rèn)為, 環(huán)境試驗(yàn)是可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)和前提, 許多環(huán)境試驗(yàn)工作應(yīng)在可靠性試驗(yàn)之前開展,為可靠性試驗(yàn)提供信息和依據(jù)。
3.2 環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)的區(qū)別
從某種意義上說, 任何試驗(yàn)都在一定的環(huán)境條件下進(jìn)行, 都可看作環(huán)境試驗(yàn), 但實(shí)際上只有產(chǎn)品研制過程中某些以考核所設(shè)計或生產(chǎn)的產(chǎn)品對預(yù)定工作環(huán)境適應(yīng)性為目標(biāo)的試驗(yàn)才稱之為環(huán)境試驗(yàn)。

這并不涉及產(chǎn)品能維持其本身具有的、多長時間的適應(yīng)能力的定量指標(biāo)。顯然, 若產(chǎn)品不能適應(yīng)預(yù)定的環(huán)境, 就根本談不上可靠不可靠了。
從另一種意義上來說, 環(huán)境試驗(yàn)和其它試驗(yàn)都有利于提高產(chǎn)品的可靠性, 至少從這些試驗(yàn)中可以得到一些故障信息。
盡管環(huán)境試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)都是在對產(chǎn)品施加環(huán)境應(yīng)力的條件下進(jìn)行, 但兩者在試驗(yàn)?zāi)康?、所用的環(huán)境因素數(shù)量、試驗(yàn)時間確定準(zhǔn)則, 環(huán)境應(yīng)力選用準(zhǔn)則以及試驗(yàn)終止決策準(zhǔn)則方面是大不相同的。例如: 環(huán)境試驗(yàn)
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(chǎn)品貯存時所有可能出現(xiàn)缺陷的時間) , 而可靠性試驗(yàn)的時間是根據(jù)試驗(yàn)剖面計算出來的, 時間一般為30～60 min, 反復(fù)施加, 總時間可能相同, 但作用機(jī)理不同; 振動應(yīng)力盡管計算方法相同, 但量級差別很大, 雖可以進(jìn)行試驗(yàn)加速轉(zhuǎn)換, 由于可靠性試驗(yàn)是在溫度和振動兩種應(yīng)力作用下, 與高量級振動的環(huán)境試驗(yàn)相比, 對產(chǎn)品的影響顯然不同?？梢? 這兩種試驗(yàn)不能相互取代。但是對空空的可靠性試驗(yàn), 在處理自由飛這種短時間、高量值的環(huán)境剖面時, 可以從經(jīng)濟(jì)和有效模擬等方面進(jìn)行考慮, 只對產(chǎn)品進(jìn)行自由振動試驗(yàn), 將試驗(yàn)結(jié)果直接應(yīng)用到產(chǎn)品可靠性工程中。以環(huán)境試驗(yàn)的代表性標(biāo)準(zhǔn)GJB 150《設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》( 相當(dāng)于MIL- STD- 810 C) 及可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GJB 899《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》( 相當(dāng)于MIL- STD- 781) 兩個標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ), 如表2所示, 對環(huán)境試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)作一比較, 比較的是鑒定試驗(yàn)。實(shí)際上, 可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)基本相同。只是增長試驗(yàn)和鑒定試驗(yàn)有些差別。
因此, 可靠性試驗(yàn)必須能夠評價或通過方法來提高產(chǎn)品能正常工作的時間; 環(huán)境適應(yīng)性是考核產(chǎn)品在極值環(huán)境條件下正常工作的能力。這兩種試驗(yàn)在產(chǎn)品研制和生產(chǎn)中, 只能相互補(bǔ)充而不能取代。
環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)作為獨(dú)立可靠性試驗(yàn)外的形式存在, 并與其相互補(bǔ)充, 結(jié)合成熟的環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)和相應(yīng)的研究成果, 為提高產(chǎn)品可靠性發(fā)揮應(yīng)有的作用。

表2 環(huán)境試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)的區(qū)別

4 環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)的使用原則
    環(huán)境試驗(yàn)多為單項(xiàng)試驗(yàn), 這種試驗(yàn)的好處在于試驗(yàn)用的設(shè)備比較簡單、試驗(yàn)費(fèi)用少, 且很容易發(fā)現(xiàn)某一環(huán)境因素對產(chǎn)品的影響。其種類很多, 按試驗(yàn)?zāi)康暮托再|(zhì), 可分為以下4 個基本類型: 環(huán)境適應(yīng)性增長試驗(yàn)( EGT) 、環(huán)境合格鑒定試驗(yàn)( E-QT) 、環(huán)境驗(yàn)收試驗(yàn)( EAT) 和例行試驗(yàn)。可靠性試驗(yàn)是為提高、測定和驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的試驗(yàn)[5]。GJB 450《裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱》中將可靠性試驗(yàn)分為4 類: 環(huán)境應(yīng)力篩選(ESS) 、可靠性增長試驗(yàn)(RGT) 、可靠性鑒定試驗(yàn)( RQT) 和可靠性驗(yàn)收試驗(yàn)(RAT) 。這些試驗(yàn)基本包含了產(chǎn)品研制生產(chǎn)階段的所有試驗(yàn)項(xiàng)目, 但根據(jù)時間、經(jīng)費(fèi)及受試產(chǎn)品數(shù)量等的不同, 應(yīng)當(dāng)對產(chǎn)品進(jìn)行具體的分析, 從而做到對試驗(yàn)有所側(cè)重、有所簡化:

a) 根據(jù)可靠性工程“早期投入, 預(yù)防為主”的思想, 將試驗(yàn)重點(diǎn)放在產(chǎn)品研制階段早期進(jìn)行,加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性增長試驗(yàn)和可靠性增長試驗(yàn), 嚴(yán)格進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。一個有效的試驗(yàn)大綱應(yīng)把試驗(yàn)放在ESS、RGT、EGT 和EQT 方面, 限制但不排除RQT、RAT、EAT 及例行試驗(yàn)。
b) 充分利用產(chǎn)品的試驗(yàn)信息, 適當(dāng)?shù)丶舨靡院蟮脑囼?yàn)種類。RGT 的產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)和施加的環(huán)境條件與RQT 接近。鑒于經(jīng)費(fèi)等的限制, 若RGT的結(jié)果理想, 可免做RQT。EAT 一般只限于溫度和振動試驗(yàn), 且使用量值較低, 因此, 除非驗(yàn)收試驗(yàn)中規(guī)定有的ESS 不能起作用的項(xiàng)目( 如低氣壓) , 一般進(jìn)行ESS 后不必進(jìn)行EAT。
5   環(huán)境技術(shù)在產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用產(chǎn)品在其生產(chǎn)制造、貯存運(yùn)輸、部署使用的全壽命過程中都會經(jīng)受各種環(huán)境因素( 包括自然環(huán)境和誘導(dǎo)環(huán)境) 的作用, 尤其是使用階段的環(huán)境條件通常都比較嚴(yán)酷[6], 通過長期實(shí)踐, 人們認(rèn)識到環(huán)境與產(chǎn)品可靠性緊密關(guān)聯(lián), 并起著關(guān)鍵性的作用和影響, 環(huán)境技術(shù)是產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ), 適當(dāng)和有效地利用環(huán)境技術(shù)有利于提高產(chǎn)品的可靠性。

5.1 ESS 試驗(yàn)
這是國外20 世紀(jì)70 年代末興起的、可以發(fā)現(xiàn)可靠性缺陷的一種有效的方法。它可以暴露裝機(jī)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(chǎn)品性能或損壞產(chǎn)品, 從而使生產(chǎn)過程的輸出缺陷率和現(xiàn)場使用故障率降低。如地面發(fā)控設(shè)備中的一個程序控制組合, 在執(zhí)行飛行試驗(yàn)任務(wù)中經(jīng)常出現(xiàn)故障, 需要備份組