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環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)的關(guān)系及其應(yīng)用
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(jì)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(gè)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(gè)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(jì)、研制和生產(chǎn)中采取一系列有序且相互的管理、設(shè)計(jì)、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(shí)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?、研制與生產(chǎn)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)( 及預(yù)計(jì)) 3 個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的有力措施, 也是評價(jià)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(jià)和改進(jìn)貫穿整個(gè)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zui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?？煽啃栽囼?yàn)是按可靠性要求設(shè)計(jì)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(shí)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zui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)。如美軍標(biāo)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(shí)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(gè)*的部分納入故障報(bào)告、分析、糾正措施系統(tǒng)( FRACAS) 。
同時(shí), 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(jì)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(shí)可靠性試驗(yàn)剖面中的溫度、振動(dòng)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(jì)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(shí)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?cái)?shù)量、試驗(yàn)時(shí)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(shí)間為48 h、24 h ( 或者是貯存溫度能*暴露產(chǎn)品貯存時(shí)所有可能出現(xiàn)缺陷的時(shí)間) , 而可靠性試驗(yàn)的時(shí)間是根據(jù)試驗(yàn)剖面計(jì)算出來的, 時(shí)間一般為30～60 min, 反復(fù)施加, 總時(shí)間可能相同, 但作用機(jī)理不同; 振動(dòng)應(yīng)力盡管計(jì)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(dòng)兩種應(yīng)力作用下, 與高量級振動(dòng)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。但是對空空導(dǎo)彈的可靠性試驗(yàn), 在處理自由飛這種短時(shí)間、高量值的環(huán)境剖面時(shí), 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(dòng)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《軍用設(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(gè)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(jià)或通過方法來提高產(chǎn)品能正常工作的時(shí)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(gè)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)?？煽啃栽囼?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(shí)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(gè)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(dòng)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(gè)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, 需要備份組合并有專人保駕, 做ESS 試驗(yàn)后, 多臺產(chǎn)品經(jīng)受飛行試驗(yàn)和現(xiàn)場使用的考驗(yàn), 均未出現(xiàn)故障, 平均故障間隔時(shí)間從原來十幾小時(shí)提高到幾百小時(shí)。用環(huán)境應(yīng)力激發(fā)潛在缺陷的機(jī)理和效果對非電子產(chǎn)品也同樣適用, 國內(nèi)有些單位已開始進(jìn)行探索, 如上海航天局對陀螺敏感元件、上海自動(dòng)化儀表所對小型儀表就應(yīng)用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)的方式進(jìn)行篩選都取得了較好的效果。
5.2 其它環(huán)境試驗(yàn)
這里主要包括氣候環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和電磁環(huán)境模擬試驗(yàn), 為了證實(shí)所研制產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力和所處環(huán)境下的可靠性, 上述環(huán)境試驗(yàn)就成為*的手段。這些環(huán)境試驗(yàn)可用于各種可靠性試驗(yàn),此外, 還適用于產(chǎn)品研制階段的鑒定試驗(yàn)和定型后的例行試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)和可靠性增長模擬試驗(yàn)等[7]。鑒定試驗(yàn)和例行試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)的主要組成內(nèi)容, 前者主要考核產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力和在極限環(huán)境條件下工作的可靠性, 后者主要是對已定型
的批量生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行抽樣試驗(yàn), 以考核材料和工藝的穩(wěn)定性, 保證使用可靠性, 大多數(shù)情況都在模擬環(huán)境下進(jìn)行。
加速壽命試驗(yàn)適用于機(jī)械結(jié)構(gòu)等使用壽命長、故障間隔時(shí)間也長的產(chǎn)品, 從而節(jié)省時(shí)間、經(jīng)費(fèi),即在載荷和環(huán)境應(yīng)力上予以強(qiáng)化, 溫度、振動(dòng)或沖擊是常用的環(huán)境因素。通常RGT 是在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行, 但不是所有的情況都能實(shí)現(xiàn), 如衛(wèi)星、導(dǎo)彈等上天產(chǎn)品在發(fā)射前, 先要進(jìn)行模擬空間環(huán)境條件的地面試驗(yàn), 地面系統(tǒng)往往難以找到合適的真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境( 如極限低溫) , 也必須用人工模擬環(huán)境代替, 當(dāng)然, 系統(tǒng)在外場使用是處于真實(shí)的使用環(huán)境之中, 外場暴露的故障模式是比較真實(shí)的, 因此,內(nèi)場模擬試驗(yàn)需與外場試驗(yàn)相結(jié)合[8]。
6 結(jié)束語
通過上述探討, 提出以下幾點(diǎn)看法:
a) 環(huán)境試驗(yàn)是可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)和前提, 在產(chǎn)品研制生產(chǎn)的各階段環(huán)境試驗(yàn)均在可靠性試驗(yàn)前進(jìn)行。但由于這兩類試驗(yàn)從試驗(yàn)?zāi)康?、所用?yīng)力、時(shí)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(bǔ)充, 而不能互相取代。
b) 進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí), 應(yīng)明白環(huán)境可靠性試驗(yàn)以通用的技術(shù)方法為技術(shù)基礎(chǔ), 這些技術(shù)方法適用于所有類型的環(huán)境和可靠性試驗(yàn)以及項(xiàng)目階段。無論試驗(yàn)的目的如何, 每一種試驗(yàn)依據(jù)的原理或方法都是一致的。
c) 所有的試驗(yàn)是相互關(guān)聯(lián)的, 不要只重視某些試驗(yàn)而忽略其它試驗(yàn), 要知道沒有任何一種單獨(dú)的環(huán)境、可靠性試驗(yàn)可以獨(dú)立于產(chǎn)品的試驗(yàn)過程。
每種試驗(yàn)都提供了一部分信息, 但沒有一個(gè)可以提供產(chǎn)品所有的信息。同時(shí)也必須協(xié)調(diào)各種試驗(yàn), 以免除不必要的工作, 減少重復(fù)試驗(yàn), 使之獲得有用的信息。
d) 環(huán)境技術(shù)是可靠性試驗(yàn)的先決條件, 它可以優(yōu)化產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案, 避免重復(fù), 節(jié)省試驗(yàn)成本, 對提高產(chǎn)品可靠性有著重要的影響和作用。
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