可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)淺析

陳利欽，陳寧，陶智華

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

前言

隨著科技水平的不斷提升，裝備技術(shù)日趨復(fù)雜，且用戶對裝備可靠性要求也在逐漸提高。如按傳統(tǒng)方法開展可靠性試驗(yàn)，面臨試驗(yàn)周期長，成本高的弊病。為了在有限的時間、成本條件下，提升設(shè)備的可靠性水平，增加裝備的競爭優(yōu)勢，必須在研制階段充分激發(fā)暴露裝備的缺陷，并進(jìn)行有效改進(jìn)，從而提高裝備的可靠性水平。因此，在20世紀(jì)90年代波音公司率先提出了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)[1]（Reliability Enhancement Testing，縮寫為RET）。

1 準(zhǔn)零剛度隔振器模型

可靠性試驗(yàn)技術(shù)屬于激發(fā)試驗(yàn)，包括步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、HALT（High Accelerated Life Test）試驗(yàn)和HASS（Highly Accelerated Stress Screen）試驗(yàn)[2]。其通過施加遠(yuǎn)超于設(shè)備技術(shù)文件規(guī)定的應(yīng)力[3]，快速激發(fā)潛在缺陷，并結(jié)合失效分析手段，查找故障原因，修復(fù)缺陷，不斷增加設(shè)備的裕度水平（如圖1所示），達(dá)到提高設(shè)備可靠性水平的目的[4]。

圖1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的應(yīng)力量級

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)可在較短時間激發(fā)設(shè)備潛在缺陷主要依據(jù)強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)理及模型，其對可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究具有重要指導(dǎo)意義[5]。以下就三種主要強(qiáng)化機(jī)理及模型進(jìn)行分析[6]，分別為：①M(fèi)iner標(biāo)準(zhǔn)模型；②Arrhenius模型；③溫變速率和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。

1.1 Miner 標(biāo)準(zhǔn)模型

振動及其組合應(yīng)力等機(jī)械應(yīng)力引起的疲勞損傷，可通過 Miner 標(biāo)準(zhǔn)模型表示，其表達(dá)公式如下：

式中：

D—敏納累積疲勞損傷函數(shù)，為常數(shù)；

N—應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

S—單應(yīng)力面積施加的應(yīng)力；

β—材料特性（一般取8～12）。

從式（1）可以看出，隨著機(jī)械應(yīng)力的提高，疲勞循環(huán)次數(shù)減少，可盡快暴露設(shè)備的缺陷，縮短試驗(yàn)時間。

1.2 Arrhenius模型

強(qiáng)化試驗(yàn)過程中，會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)、電遷移、機(jī)械疲勞等現(xiàn)象，這種反應(yīng)可根據(jù)Arrhenius方程得到解釋，其表達(dá)式如下：

式中：

R—反應(yīng)速度；

A—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

Ea—活化能，單位：eV；

k—玻爾茲曼常數(shù)，8.617×10-5eV/K；

T—溫度值，單位：K。

由式（2）可知，隨著溫度的升高，反應(yīng)速度逐漸提高，可有效縮短試驗(yàn)時間，快速暴露設(shè)備的潛在缺陷。

1.3 溫變速率和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

溫度循環(huán)屬熱疲勞性質(zhì)，S·Smithson 的研究表明，溫度變化速率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系[7]如式（3）所示：

式中：

Y—溫度變化率；

X—循環(huán)次數(shù)。

表1為不同溫變速率對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，從中可知，溫變速率越高，設(shè)備越容易發(fā)生疲勞和破壞，試驗(yàn)時間也越短。

2 試驗(yàn)順序及剖面設(shè)計

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)項(xiàng)目包括5種[8]，分別為：低溫步進(jìn)、高溫步進(jìn)、快速溫變循環(huán)、振動步進(jìn)和綜合應(yīng)力試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)先后次序的確定

為了充分激發(fā)設(shè)備的缺陷，應(yīng)按照損傷程度由輕到重的原則，逐步施加試驗(yàn)應(yīng)力，因此通?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)順序?yàn)椋旱蜏夭竭M(jìn)試驗(yàn)、高溫步進(jìn)試驗(yàn)、快速溫變循環(huán)試驗(yàn)、振動步進(jìn)試驗(yàn)、綜合應(yīng)力試驗(yàn)[9]。

2.2 溫度步進(jìn)試驗(yàn)

溫度步進(jìn)試驗(yàn)?zāi)康氖窃诓桓淖冊O(shè)備失效機(jī)理的前提下，通過不斷降低（提高）試驗(yàn)溫度，找到設(shè)備低溫（高溫）工作極限及破壞極限。需注意的是，溫度步進(jìn)試驗(yàn)不是為了找到低溫（高溫）工作或破壞極限而進(jìn)行，其真正目的是通過失效分析找到故障機(jī)理，采用現(xiàn)行技術(shù)手段，不斷修復(fù)缺陷，提升設(shè)備的低溫（高溫）工作或破壞極限，直至在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上無法再改進(jìn)為止[10]。

溫度步進(jìn)試驗(yàn)剖面示意圖如圖2、圖3所示。試驗(yàn)設(shè)計時需注意以下要點(diǎn)：

1）起始溫度選擇：一般以設(shè)備設(shè)計規(guī)范規(guī)定的高（低）溫工作溫度減（加）20 ℃為起始溫度。若在35 ℃和0 ℃之間，則以35 ℃和0 ℃作為高溫和低溫步進(jìn)的起始溫度，其目的是增加溫度應(yīng)力的累積效應(yīng)，提高激發(fā)缺陷的概率及試驗(yàn)效能。鑒于0～35 ℃之間的溫度應(yīng)力對設(shè)備損傷極小，往往不設(shè)置步進(jìn)臺階[10]。有時，為了盡快找到設(shè)備的工作溫度和破壞溫度極限，可適當(dāng)提高（降低）高溫（低溫）起始溫度，以縮短試驗(yàn)時間，提高試驗(yàn)效率。

表1 溫變速率與循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系

2）溫度階梯設(shè)置：當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)備技術(shù)文件規(guī)定的工作溫度之前，以10 ℃為步長，之后以5 ℃為步長[10]，以提高探索工作極限和破壞極限溫度的精度，降低誤差。

3）每個溫度上保持時間確定：當(dāng)設(shè)備達(dá)到溫度穩(wěn)定后，需繼續(xù)保持至少10 min，然后開始檢測設(shè)備的功能性能[10]。為提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)誤差，溫度穩(wěn)定時間可按照GJB 150.1A-2009規(guī)定的實(shí)測法確定。

4）通斷電啟動：一般情況下，為考核設(shè)備在極端溫度下的啟動能力，在進(jìn)行功能性能檢測前，需進(jìn)行3次通斷電啟動[10]。

2.3 快速溫變循環(huán)試驗(yàn)

快速溫變循環(huán)試驗(yàn)?zāi)康氖钦业皆O(shè)備不發(fā)生恢復(fù)性破壞的極限溫變速率，電子設(shè)備開始試驗(yàn)時的溫變速率一般在30～60 ℃/min之間，一般不小于40 ℃/min[10]。

其試驗(yàn)剖面示意圖如圖4所示。試驗(yàn)剖面設(shè)計時，需注意以下要點(diǎn)：

1）上限/下限溫度：溫度上限為確定的高溫工作極限溫度減5 ℃，溫度下限為低溫工作極限加5 ℃，如圖4所示；

2）溫度保持時間：設(shè)備溫度穩(wěn)定后繼續(xù)保持至少10 min，試驗(yàn)至少進(jìn)行5個循環(huán)；

3）在溫度上升和下降階段驗(yàn)證設(shè)備的啟動能力，需通斷電3次，之后進(jìn)行功能性能檢測；

圖2 低溫步進(jìn)試驗(yàn)剖面

圖3 高溫步進(jìn)試驗(yàn)剖面

圖4 快速溫變循環(huán)試驗(yàn)剖面

4）溫度循環(huán)試驗(yàn)過程中，按照循環(huán)循序依次施加上限電壓、標(biāo)稱電壓和下限電壓，也可根據(jù)實(shí)際情況改變電壓施加順序。

2.4 振動步進(jìn)試驗(yàn)

振動步進(jìn)試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^逐步提高振動應(yīng)力的方式，激發(fā)設(shè)備的缺陷，并通過失效分析和現(xiàn)有技術(shù)手段進(jìn)行改進(jìn)，提高設(shè)備的耐振動應(yīng)力的能力。

目前HALT試驗(yàn)采用3軸6自由度的方式進(jìn)行振動步進(jìn)試驗(yàn)[7]。而軍用電子設(shè)備多在其實(shí)際振動譜基礎(chǔ)上，通過不斷提高振動量級的方式進(jìn)行試驗(yàn)[11-13]。研究表明[14,15]6自由度振動在頻率范圍、幅值分布、循環(huán)峰值加載率以及多軸加載方面優(yōu)于電磁振動臺。其缺點(diǎn)是低頻段及頻譜低谷區(qū)激振能量低，頻譜不可控，設(shè)備在臺面各處的振動不均勻。因此需根據(jù)設(shè)備自身的特點(diǎn)，選擇振動方式。

振動步進(jìn)剖面圖如圖5所示。

1）針對6自由度振動，步長一般取5 Grms，如果采用電磁振動臺施加振動應(yīng)力，需根據(jù)設(shè)備具體情況確定步進(jìn)量級。

2）每個振動量級下保持時間為10 min或根據(jù)相關(guān)方協(xié)商確定。

3）振動量級達(dá)到一定值時，振動完成后續(xù)將量級降至起始振動量級（微顫振動，便于充分暴露設(shè)備缺陷），圖中時間Tx為完成一次測試的時間。

4）振動過程中應(yīng)全程通電。

2.5 綜合應(yīng)力試驗(yàn)

綜合應(yīng)力試驗(yàn)過程中，在升降溫階段施加振動應(yīng)力，原因是材料的微觀變化在溫度變化過程中，缺陷部位的應(yīng)力會發(fā)生較為劇烈變化。如溫變同時施加振動應(yīng)力，可有效提升缺陷的惡化速度，提高了試驗(yàn)效率。

綜合應(yīng)力試驗(yàn)剖面如圖6所示。其起振量級為確定振動工作極限量級的1/5，以后每個溫度循環(huán)周期中振動量逐級增加，步進(jìn)值為1/5振動工作極限的。每振動量級下保持時長應(yīng)與每溫度循環(huán)的時間相同。溫度循環(huán)同快速溫變循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中全程通電，電應(yīng)力施加順序同快速溫度循環(huán)試驗(yàn)。

圖5 振動步進(jìn)試驗(yàn)剖面

圖6 綜合應(yīng)力試驗(yàn)剖面

3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)發(fā)展及應(yīng)用

自1988年Hobbs G K博士提出HALT及HASS試驗(yàn)技術(shù)以來，可靠性強(qiáng)化技術(shù)在美國等發(fā)達(dá)國家得到了廣泛應(yīng)用，顯著提高了設(shè)備的可靠性水平，縮短研制周期，并降低了研制成本[16]。國內(nèi)在可靠性方面起步較晚，但隨著我國對設(shè)備質(zhì)量要求的不斷提高，可靠性強(qiáng)化技術(shù)在近些年得到了廣泛認(rèn)同和應(yīng)用。目前國內(nèi)已有多家高校、軍方機(jī)構(gòu)以及研究所將該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)投入應(yīng)用。

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳循、陶俊勇等人[17]，將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)用于某通信設(shè)備中，發(fā)現(xiàn)“全軸+大溫變率”綜合強(qiáng)化應(yīng)力在激發(fā)設(shè)備潛在缺陷上效率最高，并發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力的施加程序，以及強(qiáng)化應(yīng)力量值和持續(xù)時間是可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的關(guān)鍵問題。何文波，張濤等人[18]，在對某機(jī)載電子設(shè)備的熱分布和振動響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，采用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)，充分激發(fā)了設(shè)備的潛在缺陷，通過整改有力提高了設(shè)備的可靠性水平。楊立峰、呂瑛及張偉[11]將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)用到某型艦空導(dǎo)彈的問題歸零中，不僅實(shí)現(xiàn)了薄弱環(huán)節(jié)的消除，且驗(yàn)證了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的合理性和有效性。楊海峰、胡海峰、翟邵蕾等人，對新一代火箭的控制系統(tǒng)實(shí)施了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，使其可靠性水平得到了提高，實(shí)現(xiàn)了首飛過程中控制系統(tǒng)零問題。

4 結(jié)語

可靠性強(qiáng)化技術(shù)作為一門新的試驗(yàn)技術(shù)，在激發(fā)設(shè)備缺陷，提高設(shè)備可靠性水平方面具有深刻的意義，有著廣闊的應(yīng)用前景。針對可靠性強(qiáng)化技術(shù)，目前國內(nèi)已開展大量研究工作，并已投入了實(shí)踐應(yīng)用[19]，取得了顯著效果。但是，對于可靠強(qiáng)化試驗(yàn)，目前還沒有形成指導(dǎo)性、統(tǒng)一的實(shí)施方法或標(biāo)準(zhǔn)。對于試驗(yàn)中如何把控施加的應(yīng)力強(qiáng)度、時間具有一定的盲目性。因此，進(jìn)一步研究缺陷與應(yīng)力強(qiáng)度、時間定量、溫變速率之間的關(guān)系，形成可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，成為亟待解決的問題。

本文旨在收集和分析該領(lǐng)域一些研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)可靠性強(qiáng)化經(jīng)驗(yàn)，交流試驗(yàn)技術(shù)。希望達(dá)到啟發(fā)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)計人員的作用。