可靠性試驗與環(huán)境試驗（附試驗標(biāo)準(zhǔn)）
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?2020-08-24 05:38:31
在當(dāng)今競爭激烈的市場環(huán)境和全球化的背景下，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。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(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(jìn)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。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。
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(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聯(lián)系的管理、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。可靠性工程主要包括可靠性的管理、研制與生產(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。
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(jìn)，并通過進(jìn)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(jī)進(jìn)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必不可少的手段。
為達(dá)到產(chǎn)品研制合同的要求，試驗、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、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，包括耐受最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(jìn)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(jìn)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。
03
/ 環(huán)境試驗與可靠性試驗的關(guān)系 /
環(huán)境試驗是產(chǎn)品最基本的試驗，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)境試驗看作可靠性研制和增長的早期部分。這些試驗必須在研制初期進(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不可缺少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(jìn)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(jìn)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)。
04
/ 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(jìn)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(jìn)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 ( 或者是貯存溫度能完全暴露產(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(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。但是對空空導(dǎo)彈的可靠性試驗，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(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，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《軍用設(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(bǔ)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(bǔ)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。
05
/ 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。
可靠性試驗是為提高、測定和驗證產(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的試驗。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(jìn)行具體的分析, 從而做到對試驗有所側(cè)重、有所簡化。
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(jìn)行，加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性增長試驗和可靠性增長試驗，嚴(yán)格進(jìn)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。
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)定有指定的ESS 不能起作用的項目( 如低氣壓) , 一般進(jìn)行ESS 后不必進(jìn)行EAT。
06
/ 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，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。
國外在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方法，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，做高效ESS 試驗后，多臺產(chǎn)品經(jīng)受飛行試驗和現(xiàn)場使用的考驗，均未出現(xiàn)故障，平均故障間隔時間從原來十幾小時提高到幾百小時。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、上海自動化儀表所對小型儀表就應(yīng)用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動的方式進(jìn)行篩選都取得了較好的效果。
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，為了證實所研制產(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)境試驗就成為必不可少的手段。這些環(huán)境試驗可用于各種可靠性試驗，此外，還適用于產(chǎn)品研制階段的鑒定試驗和定型后的例行試驗、加速壽命試驗和可靠性增長模擬試驗等。鑒定試驗和例行試驗是環(huán)境試驗的主要組成內(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，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。
加速壽命試驗適用于機(jī)械結(jié)構(gòu)等使用壽命長、故障間隔時間也長的產(chǎn)品，從而節(jié)省時間、經(jīng)費，即在載荷和環(huán)境應(yīng)力上予以強(qiáng)化，溫度、振動或沖擊是常用的環(huán)境因素。通常RGT 是在真實環(huán)境下進(jìn)行，但不是所有的情況都能實現(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，地面系統(tǒng)往往難以找到合適的真實試驗環(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的使用環(huán)境之中，外場暴露的故障模式是比較真實的，因此，內(nèi)場模擬試驗需與外場試驗相結(jié)合。
09
/ 試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) /
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