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1、41国防技术基础2007 年 11 月 第 11 期研制和生产中的可靠性试验与环境试验分析摘 要 ： 可靠性试验和环境试验是型号研制和生产中经常要用到的试验， 本文首先系统地介绍了产品研制和生产阶段进行的可靠性试验与环境试验， 之后分析了各种试验的特点及相互关系，在此基础上给出了具体使用中选用试验的几条原则。关键词 ： 可靠性 可靠性试验 环境试验 环境例行试验刘鉴莹 李根成( 中国空空导弹研究院 )众所周知， 产品的可靠性是靠设计纳入的，因此首先应提倡充分利用各种可靠性设计、 评价技术对产品进行精心设计。 但是， 即使是最好的设计师设计的产品也不可能没有缺陷， 而这些设计缺陷仅靠图面检查或原
2、理演示是不可能都找出来的。 经验表明， 70% 左右的设计缺陷要靠对样件进行试验才能找出。 试验不仅是产品研制生产过程中完善设计的有力措施， 也是评价考核产品各项特性是否符合合同要求的必不可少的手段，因此国内外无不在产品研制阶段早期， 就在充分分析产品的基本特性， 了解费用和进度等试验资源限制条件的基础上， 制定一个完善的试验大纲并尽早实施， 以减少投资， 确保研制进度。产品研制生产阶段进行的试验很多， 按照试验实施场所可将试验分为现场试验和实验室试验两大类。 现场试验是指产品在使用现场进行的试验， 用于验证研制的产品能否在实际贮存、 运输和使用条件下不受损坏和正常工作， 以及是否安全可靠、
3、满足使用要求。 它包括飞行试验， 跑车试验， 自然暴露试验等。 实验室试验是产品在规定的受控条件下进行的试验， 这种受控条件包括环境条件、 电源条件、 负载条件等。 受控条件根据试验目的不同而不同， 可以模拟产品现场使用条件， 也可以不模拟现场条件。 按照试验本身的目的和性质实验室试验又可进一步细分为性能试验、环境响应测定试验、 环境试验、 可靠性试验。在产品研制阶段早期， 主要是应用实验室试验以发现设计缺陷且加以改进， 并辅以现场试验以验证改进措施的有效性， 并进一步发现新的问题。 在研制阶段后期， 理论上讲应重视现场试验，因为实验室试验不可能模拟现场的一切环境条件、负载和其他工作条件， 从
4、而有可能产生考核上的遗漏或考核的强度不够， 而现场试验的试验条件真实。 若现场试验时， 产品执行的任务确实代表了其寿命期极端任务或典型任务及其任务比， 试验的结果就能反映产品的性能、 环境适应性和可靠性是否符合实战的需要。 但是现场条件不可能在短时间内全部提供。 就拿环境试验中的气候试验来说， 要经受热和冷的现场环境必须至少在使用的现场工作一年， 世界上极端冷和极端热的环境是几十年出现一次， 要想在使用现场等待遇到这一环境更是不现实的。 现场条件的这种无法控制性使得现场试验结果的重现性很差， 因而难以进行有价值的分析和评估比较。 因此实用中现场试验一般限于最后的使用验证。 而在工程研制、 设计
5、定型和产品验收中， 大部分进行的是实验室试42验。 下面着重讲述这类试验。性能试验是指在实验室环境条件下对研制生产的产品进行性能测试的过程， 其作用主要有两个 ： 一是用于判断研制生产的产品的性能是否已经满足设计要求 ； 二是确定一个合格性能基准，用 来作为与试验 ( 环境和可靠性试验 ) 期间和结束时测得的性能进行比较的基准， 以确定受试产品的性能变化趋势及在施加的环境条件下是否还能正常工作。 性能试验是其他试验的基础， 产品研制阶段样机制造出来后应立即进行性能试验， 看其是否满足设计要求， 试验过程中暴露出来的缺陷应作为改进措施的直接依据， 一般情况下要经过反复设计和改进后才能使研制的产品
6、通过性能试验， 然而通过了性能试验的产品在实际环境条件下不一定能正常工作 , 因此性能试验后要进行环境试验。环境响应测定试验是一种准备性的收集信息的试验， 通常进行温度响应测定和振动响应测定。其目的是找出环境试验和可靠性试验中使用的环境应力输入产品时产品的响应情况， 为进行环境试验和可靠性试验时正确施加给产品恰当的环境应力作准备。 环境响应测定试验应在研制阶段产品结构设计基本冻结时进行， 从而省去以后进行环境和可靠性试验前的重复测定工作， 但利用试验测定信息时应注意使其条件与原测定条件相一致， 必要时应进行适当修改。1. 环境试验环境试验是在产品通过了性能试验后， 为了保证产品能耐受预期的极端
7、环境 ( 包括气候、 力学、 电磁等 ) 的破坏作用而进行的一系列研制和验证试验， 是使研制的产品向设计要求进一步靠拢的第二个基本试验措施。 由环境应力造成的失效是产品故障的常见原因， 1971 年美国对机载电子设备全年的故障进行剖析， 结果见表 1 ：由此可见 50% 以上的故障是由各种环境所致， 而温度、 振动、 湿度三项环境造成电子设备43.7% 的故障。 为了减少产品在使用中由环境影响造成的故障比率， 应在产品的研制和生产阶段充分开展环境试验工作。从某种意义中讲， 任何试验都是在一定的环境条件下进行的， 因此似乎都可看作环境试验， 但我们通常所说的环境试验指的是以考核所设计或生产的产品
8、对预定环境适应性为目标的试验。 这里的环境适应性指的是产品对贮存、 运输和工作环境的适应能力， 包括耐受最恶劣的贮存运输环境而不被损坏的能力和在极端环境条件下正常工作的能力。 需要指出的是这一要求仅涉及产品在较短时间的适应性， 而不涉及产品能维持这种能力多长时间的定量指标， 因而不能误认为是可靠性。环境试验多为单项试验， 这种试验的好处在于试验用的设备比较简单、 试验费用少， 且很容易看出来某一环境因素对产品的影响。 环境试验的种类很多， 但按试验目的和性质， 可将环境试验分为以下四个基本类型 :（ 1 ） 环境适应性研制试验 (EnvironmentalDevelopment Test)这类
9、试验是提高产品对未来使用环境适应性的固有能力的试验， 是工程研制试验的一部分， 其目的是通过收集到的故障信息， 最大限度地发现设计缺陷以便及早采取改进措施， 该试验应能在最短的时间内提供设计缺陷信息， 因此使用的环境应力应是能迅速揭示设计问题的加速应力。 应力的加速通过增大试验量值或增加高应力施加频度来实现， 当然应力加速的程度应不改变产品的失效机理或引入新的失效机理。（ 2 ） 安全性环境试验在产品研制阶段， 环境适应性研制试验和环境鉴定试验之间， 对于机载设备来说一般应安排飞行试验。 飞行试验有利于及早发现现场问题， 并研制和生产中的可靠性试验与环境试验分析43国防技术基础2007 年 1
10、1 月 第 11 期与实验室试验结合寻找设计缺陷， 加快研制进度。为了防止在使用环境的影响下产品可能出现的安全性故障， 机载产品在装机试飞前要在地面进行一定项目的安全性环境试验。 目前对这种试验的试验项目及量值的确定尚无标准， 一般进行温度、振动、 冲击、 加速度、 低气压等试验。（ 3 ） 环境合格鉴定试验 (EnvironmentalQulification Test)该试验是产品研制大纲中最重要的必不可少的环境试验， 一般安排在研制阶段后期 (S 阶段 ) 进行， 此时产品的结构设计已基本确定， 其目的是鉴定产品对环境的适应性 , 确定产品耐环境设计是否符合合同要求。 环境合格鉴定试验涉
11、及产品使用中遇到的大部分对其有较重要影响的环境， 产品试验时应根据寿命期内将遇到的环境及其受影响程度， 从 GJB 150 等标准中选取一定的试验项目， 一般至少取 10 个以上的项目。 环境合格鉴定试验所用的环境应力基本上采用极值， 即产品寿命周期中可能遇到的最极端的环境作为试验条件。试验中一旦出现故障就认为受试产品通不过试验，试验即告停止并进行相应的决策， 因此在进行环境合格鉴定试验之前应进行详细的环境适应性设计， 充分进行环境适应性研制试验。 然而， 现实中往往由于没有进行充分的环境适应性研制试验，鉴定试验常常成为工程研制试验和鉴定工作的混合， 从而在计划管理和数据评估方面产生矛盾。 环
12、境合格鉴定试验应本着做全做严的原则， 以防遗留环境设计问题。（ 4 ） 环境验收试验 (Environmental Accep-tance Test)批生产阶段的环境验收试验是验证产品生产中制造过程控制是否仍能保证产品性能符合要求的试验， 它同环境合格鉴定试验一样是抽样进行的。 环境验收试验一般只进行 1 2 种最关键环境项目 ( 通常是温度和振动 ) ， 试验过程中受试产品不允许出故障， 否则判批产品不合格。 由于通过验收试验的产品要投入使用， 为了保证试验不损害其寿命， 与环境合格鉴定试验相比其应力水平和应力施加的时间都应适当减小。（ 5 ） 环境例行试验 (Environmental R
13、ou-tine Test)例行试验又称为定期试验， 它模拟产品在运输、 贮存、 工作等过程中可能遇到的环境条件与工作状态， 通常是把产品出厂后可能遇到的复杂综合应力分解成单一应力或一两种复合应力， 以检验产品在一定应力状态下的性能稳定性， 检查制造过程中工艺质量控制和质量管理的稳定性，是产品验收工作的一部分 , 仅适用于生产定型后成批生产的产品或按军工产品定型工作条例只进行设计定型， 而后有少量生产的产品。例行试验几乎采用与环境合格鉴定试验相同的试验项目和应力水平， 几乎是重复进行鉴定试验， 其目的是评价承制方的生产质量控制能力是否符合要求。 例行试验是按随机抽样的原则进行的， 从产品批中抽取
14、一定数量的产品进行试验， 若受试产品满足技术条件要求， 则批产品作为合格品提交用户 ( 一般说来， 通过例行试验的产品不再作为合格品提交使用 ) ； 若受试产品通不过此试验， 则在分析原因采取纠正措施的基础上再进行加倍抽检， 以判定产品批是否合格。例行试验的试验项目较多， 耗费时间长， 且具有破坏性， 因此应尽量通过加强管理和质量控制的方法， 减少引入系统性故障的机会， 降低例行试验的使用频度或甚至取消， 这要视产品批的质量而定， 若多批产品的例行试验均通过 , 场质量反映也较好， 则可免试或延长试验间隔时间或减少试验项目。2. 可靠性试验GJB 451 可靠性维修性术语 明确规定 :“可靠性
15、是产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力”， 由此可见可靠性是一时间性指标。 通过性能试验和环境合格鉴定试验的产品并不能表明在现场使用过程中也能可靠地工作。 因此要进行一系列的可靠性试验， 使其可靠性达到合同规定的指标要求。 可见可靠性试验是在性能试验和环境试验的基础上进一步开展的工作。可靠性试验是为提高、 测定和验证产品的可靠性而进行的试验， 在整个工程研制阶段起着非常重要的作用。 GJB 450 装备研制与生产的可靠性通用大纲 中将可靠性试验分为四类， 即 ： 环44境应力筛选 (ESS) 、 可靠性增长试验 (RGT) 、 可靠性鉴定试验 ( RQT) 和可靠性验收试验 (R
16、AT) 。 需要指出的是研制阶段的可靠性试验， 除了可靠性增长试验和环境应力筛选外 , 还有可靠性研制试验 (RDT) 。 因此这里将可靠性试验分为五大类。（ 1 ） 环境应力筛选 (Environmental StressScreening)环境应力筛选是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力， 将其内部的潜在缺陷加速变成故障， 并加以发现和排除的过程， 是一种排除由元器件缺陷以及制造过程中引入的工艺缺陷引起的产品故障的有效手段。 它一般适用于组件级以上直到整机的筛选。 既然作为一种工艺手段， 产品的环境应力筛选一般不进行抽样， 而是 100% 进行， 只是在批生产中、 后期可根据批量及质量的稳定情况进行抽样筛选。环境应力筛选希望剔除现场使用中会变成故障的缺陷， 对筛选结果一般不进行评估。 因此使用的环境应力以加速缺陷变为故障而又不损坏产品为原则 , 既不模拟真实环境， 也不采用极端环境。 所用的环境应力多为关键性的应力， 若订购方无特殊要求， 一般使用温度循环和随机振动两种应力。 环境应力筛选方案应随着产品的逐步成
