環(huán)境試驗與可靠性試驗的關(guān)系及其應(yīng)用

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摘要: 介紹了環(huán)境試驗與可靠性試驗的相關(guān)內(nèi)容, 分析了兩者的特點及相互關(guān)系。同時也給出了實際使用中選用試驗的原則, 探討了環(huán)境技術(shù)在可靠性試驗中的影響和作用, 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; 可靠性工程; 可靠性試驗; 環(huán)境技術(shù)
中圖分類號: TB24 文獻標(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, 試驗項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項目進行合并和簡化。也就要弄清環(huán)境工程和可靠性工程的概念, 充分利用已進行試驗的結(jié)果, 簡化試驗工作量, 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)品進行環(huán)境和可靠性試驗的真正意義, 沒有將環(huán)境、可靠性試驗看作一個可使產(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)期的運輸、儲存、使用和維修期內(nèi)使產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性達到規(guī)定要求所進行的一系列工作, 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?？煽啃怨こ讨饕煽啃缘墓芾怼⒀兄婆c生產(chǎn)試驗、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)境工程的試驗結(jié)果可以被可靠性工程所接受和運用。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)境試驗與可靠性試驗
    在產(chǎn)品研制階段早期, 主要是通過試驗來發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷且加以改進, 并通過進一步的試驗來發(fā)現(xiàn)新的問題。經(jīng)驗表明, 70 %左右的設(shè)計缺陷要靠對樣機進行試驗才能發(fā)現(xiàn)。試驗不僅是產(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)品各項特性是否符合要求的*的手段。
為達到產(chǎn)品研制合同的要求, 試驗、評價和改進貫穿整個產(chǎn)品研制和生產(chǎn)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(huán)境試驗是以產(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, 包括耐受惡劣的儲存與運輸環(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。可靠性試驗是按可靠性要求設(shè)計和進行的、有可靠性目標(biāo)并在典型環(huán)境條件下的試驗, 是驗證產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)能否實現(xiàn)預(yù)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(huán)境試驗與可靠性試驗的關(guān)系
環(huán)境試驗是產(chǎn)品基本的試驗, 只有通過了環(huán)境合格鑒定試驗的產(chǎn)品才能投入可靠性增長試驗;
通過了環(huán)境驗收試驗的產(chǎn)品才可投入可靠性驗收試驗。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(huán)境應(yīng)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(tǒng)( FRACAS) 。
同時, 這兩種試驗基本上都采用試驗室試驗方法, 在規(guī)定的受控環(huán)境中進行, 所采用的環(huán)境設(shè)備和試驗方法包括相應(yīng)的夾具設(shè)計原則都可以相互借鑒。對進行環(huán)境試驗所用的環(huán)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(yīng)環(huán)境條件的確定基本相同。
可以認(rèn)為, 環(huán)境試驗是可靠性試驗的基礎(chǔ)和前提, 許多環(huán)境試驗工作應(yīng)在可靠性試驗之前開展,為可靠性試驗提供信息和依據(jù)。
3.2 環(huán)境試驗與可靠性試驗的區(qū)別
從某種意義上說, 任何試驗都在一定的環(huán)境條件下進行, 都可看作環(huán)境試驗, 但實際上只有產(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)的試驗才稱之為環(huán)境試驗。

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)境試驗和其它試驗都有利于提高產(chǎn)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(huán)境試驗和可靠性試驗都是在對產(chǎn)品施加環(huán)境應(yīng)力的條件下進行, 但兩者在試驗?zāi)康?、所用的環(huán)境因素數(shù)量、試驗時間確定準(zhǔn)則, 環(huán)境應(yīng)力選用準(zhǔn)則以及試驗終止決策準(zhǔn)則方面是大不相同的。例如: 環(huán)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(chǎn)品貯存時所有可能出現(xiàn)缺陷的時間) , 而可靠性試驗的時間是根據(jù)試驗剖面計算出來的, 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, 雖可以進行試驗加速轉(zhuǎn)換, 由于可靠性試驗是在溫度和振動兩種應(yīng)力作用下, 與高量級振動的環(huán)境試驗相比, 對產(chǎn)品的影響顯然不同。可見, 這兩種試驗不能相互取代。但是對空空的可靠性試驗, 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)濟和有效模擬等方面進行考慮, 只對產(chǎn)品進行自由振動試驗, 將試驗結(jié)果直接應(yīng)用到產(chǎn)品可靠性工程中。以環(huán)境試驗的代表性標(biāo)準(zhǔn)GJB 150《設(shè)備環(huán)境試驗方法》( 相當(dāng)于MIL- STD- 810 C) 及可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn)GJB 899《可靠性鑒定和驗收試驗》( 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(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。這兩種試驗在產(chǎn)品研制和生產(chǎn)中, 只能相互補充而不能取代。
環(huán)境試驗應(yīng)作為獨立可靠性試驗外的形式存在, 并與其相互補充, 結(jié)合成熟的環(huán)境試驗技術(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)境試驗和可靠性試驗的區(qū)別

4 環(huán)境試驗與可靠性試驗的使用原則
    環(huán)境試驗多為單項試驗, 這種試驗的好處在于試驗用的設(shè)備比較簡單、試驗費用少, 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?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( EGT) 、環(huán)境合格鑒定試驗( E-QT) 、環(huán)境驗收試驗( EAT) 和例行試驗?？煽啃栽囼炇菫樘岣摺y定和驗證產(chǎn)品的可靠性而進行的試驗[5]。GJB 450《裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱》中將可靠性試驗分為4 類: 環(huán)境應(yīng)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(chǎn)品研制生產(chǎn)階段的所有試驗項目, 但根據(jù)時間、經(jīng)費及受試產(chǎn)品數(shù)量等的不同, 應(yīng)當(dāng)對產(chǎn)品進行具體的分析, 從而做到對試驗有所側(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, 將試驗重點放在產(chǎn)品研制階段早期進行,加強環(huán)境適應(yīng)性增長試驗和可靠性增長試驗, 嚴(yán)格進行鑒定試驗。一個有效的試驗大綱應(yīng)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(chǎn)品的試驗信息, 適當(dāng)?shù)丶舨靡院蟮脑囼灧N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, 且使用量值較低, 因此, 除非驗收試驗中規(guī)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(huán)境技術(shù)在產(chǎn)品可靠性試驗中的應(yīng)用產(chǎn)品在其生產(chǎn)制造、貯存運輸、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
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)行飛行試驗任務(wù)中經(jīng)常出現(xiàn)故障, 需要備份組