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檢測知識
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)、第三方檢測機(jī)構(gòu)
日期:2022-08-19 17:54:59作者:百檢 人氣:0
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)(RET)有許多名稱和形式,如步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、應(yīng)力壽命試驗(yàn)(STRIEF)、高加速壽命試驗(yàn)(HALT)等。可靠性測試
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展介紹
1環(huán)境可靠性試驗(yàn)簡要回顧
現(xiàn)代社會隨著競爭的發(fā)展與深化,市場對產(chǎn)品的要求也越來越高,物既要美,價亦要廉,
作為產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性保障重要手段的環(huán)境可靠性試驗(yàn)也相應(yīng)地得到不斷的發(fā)展。
1.1環(huán)境模擬試驗(yàn)
早在1940年代美國就對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開始采用單因素環(huán)境的研制試驗(yàn)與鑒定試驗(yàn),以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量與可靠性[1]。至70年代發(fā)展到采用綜合環(huán)境可靠性試驗(yàn)(CERT)和任務(wù)剖面試驗(yàn)。為檢驗(yàn)工藝則采用不帶設(shè)計(jì)余度的驗(yàn)收試驗(yàn)。
隨著環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展與成熟,各政府部門及軍兵種相繼頒布了一系列的國標(biāo)、軍標(biāo),以嚴(yán)格的法規(guī)形式來保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性,其中*有代表性的如環(huán)境模擬試驗(yàn)軍標(biāo)MIL-STD-810,可靠性試驗(yàn)軍標(biāo)MIL-STD-781和空間飛行器試驗(yàn)軍標(biāo)MIL-STD-1540以及它們的修訂版,具體產(chǎn)品型號則根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)與型號的特點(diǎn)制訂詳細(xì)的試驗(yàn)大綱。長期以來環(huán)境模擬試驗(yàn)便成為保障產(chǎn)品可靠性主要手段。
該技術(shù)的特點(diǎn)是:模擬真實(shí)環(huán)境,加上設(shè)計(jì)裕度,確保試驗(yàn)過關(guān)。因此,環(huán)境模擬的真實(shí)程度和設(shè)計(jì)裕度的大小便成為兩個關(guān)鍵的因素,要提高可靠性就必須對環(huán)境進(jìn)行更*的模擬和加大設(shè)計(jì)裕度,但這樣一來便使難度增大,周期拖長和增大成本。
這種方法的不足之處是對設(shè)計(jì)和工藝缺陷未作專門處理,只分別通過鑒定試驗(yàn)與驗(yàn)收試驗(yàn)解決,因此潛在缺陷殘留量仍不少,隨時都可能在外場使用時出現(xiàn)故障,可靠性的增長靠自然反饋緩慢地實(shí)現(xiàn),這時木已成舟,留給設(shè)計(jì)修改的時間與空間都*其有限,從而使市場競爭的優(yōu)勢大為降低。
1.2環(huán)境應(yīng)力激發(fā)試驗(yàn)
激發(fā)試驗(yàn)(Stimulation)與模擬試驗(yàn)(Simulation)的思路相反,它是用人為的施加環(huán)境應(yīng)力的方法,快速激出并清除產(chǎn)品的潛在缺陷來達(dá)到提高可靠性的目的,因此試驗(yàn)時不僅不求獲得通過,反而求激出潛在缺陷越多越好,這一思路雖早為人知,但發(fā)展卻比模擬試驗(yàn)慢得多。
早在50年代的老化試驗(yàn)便是激發(fā)試驗(yàn)的*初形式,所加應(yīng)力有高溫、溫度循環(huán)和溫度沖擊等,至70年代后發(fā)展成當(dāng)今廣義的環(huán)境應(yīng)力篩選。由于試驗(yàn)的目的是激發(fā)、清除缺陷,故所加應(yīng)力不必模擬真實(shí)環(huán)境,只要激發(fā)的效率越高越好,這樣一來試驗(yàn)就簡單多了,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)至今公認(rèn)為*基本*有效的應(yīng)力是高溫變率的溫度循環(huán)和寬帶隨機(jī)振動。
這里應(yīng)著重指出的是自從1979年美國海軍頒布了海軍生產(chǎn)篩選大綱NAVMATP-9492后收到了驚人的效果,產(chǎn)品可靠性獲得上倍的提高,1982年美國環(huán)境科學(xué)學(xué)會又頒發(fā)了指導(dǎo)性文件《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南》使應(yīng)力篩選進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的時期。在此期間發(fā)表了大量的文獻(xiàn),其中有人也試圖用軍標(biāo)的形式來加速這一技術(shù)的發(fā)展,但這種嘗試是錯誤的也是*其有害的,*易把問題搞混淆,重新把問題拉回到模擬的軌道,把激發(fā)缺陷又變成試驗(yàn)通過。因?yàn)楂@得通過有時是由于篩選方案不當(dāng)或應(yīng)力量級太小所致,而產(chǎn)品的可靠性并未獲得真正的提高,故應(yīng)力篩選只能用指南的形式執(zhí)行,不同的缺陷類型和不同的失效機(jī)理必須使用不同的篩選方案而無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可言。
要強(qiáng)調(diào)的另一點(diǎn)是當(dāng)今的應(yīng)力篩選方法都是在設(shè)計(jì)無缺陷的前提下針對生產(chǎn)過程的缺陷的,實(shí)際上設(shè)計(jì)缺陷除用鑒定試驗(yàn)外并無其它專門的方法檢測和清除,因此專門研究設(shè)計(jì)缺陷的排除以提高產(chǎn)品的可靠性仍有很大的潛力可挖,這就是本文點(diǎn)評的重點(diǎn)。
2可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)(RET)的興起與發(fā)展
80年代初就在應(yīng)力篩選迅速發(fā)展的同時,人們就已經(jīng)注意到由于設(shè)計(jì)潛在缺陷的殘留量仍不少,為可靠性的提高提供了可觀的空間,另外,還有價格和研制周期問題,這是當(dāng)今動態(tài)市場競爭的焦點(diǎn),實(shí)踐證明可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)正是綜合解決這一問題的*好方法。從圖1中可以清楚地看到[2]:RET獲得的可靠性比傳統(tǒng)方法高得多,更可貴的是RET在短時間內(nèi)就獲得早期高可靠性,無需像傳統(tǒng)法那樣需長時間的可靠性增長,從而也降低了成本。
*先從事這方面工作稱得上先驅(qū)者的是G.K.Hobbs,K.A.Gray和L.W.Condra等人,他們稱這種試驗(yàn)為高加速壽命試驗(yàn)(HALT)和高加速應(yīng)力篩選(HASS),前者針對設(shè)計(jì),后者針對生產(chǎn),方法的核心是施加大應(yīng)力,一步步地加,一次次地排除缺陷,故也叫步進(jìn)應(yīng)力法,以此獲得高可靠性,從80年代末至90年代初,相繼在各工業(yè)部門推廣應(yīng)用,無一例外地取得了很大的成功,由于商業(yè)競爭與軍工保密的原因至今許多重大成果仍未解密發(fā)表。連名稱也尚未統(tǒng)一,有的叫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)(StepStress),高加速壽命試驗(yàn)(HALT),應(yīng)力壽命試驗(yàn)(STRIFE),應(yīng)力裕度和強(qiáng)壯試驗(yàn)(SMART)和可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)(RET)等等,波音公司把RET當(dāng)作這一試驗(yàn)技術(shù)的統(tǒng)稱是較為合理的,因?yàn)樗怀隽藦?qiáng)化試驗(yàn)的特點(diǎn)。
RET得到迅速發(fā)展的原因還在于90年代市場可靠性觀念的更新和關(guān)鍵技術(shù)的突破。
L.Condra在其系列論文中說[3],美國生產(chǎn)廠家在80年代認(rèn)識質(zhì)量的重要性,深知市場只接受質(zhì)高價廉的產(chǎn)品,到90年代又認(rèn)識到可靠性的重要性,深知市場對產(chǎn)品不僅要求高的開箱率,而且要求在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)確保性能良好不變。這是新一輪對可靠性的挑戰(zhàn),而RET正是滿足這一挑戰(zhàn)的*好方法。
Condra指出按傳統(tǒng)的可靠性定義去應(yīng)付瞬息萬變的動態(tài)市場顯得太被動了,廠家只對用戶的條件(規(guī)范)負(fù)責(zé),不對產(chǎn)品的使用負(fù)責(zé)必然導(dǎo)致在市場中的失敗。于是90年代的一種進(jìn)取性的市場可靠性定義便應(yīng)時而生:
一種可靠的產(chǎn)品應(yīng)隨時都能完成用戶需其完成的任何任務(wù)。這樣一來,廠家便變被動為主動,了解用戶對產(chǎn)品的要求,關(guān)注市場的發(fā)展,不斷改進(jìn)更新產(chǎn)品,以上乘的質(zhì)量可靠性換取不斷擴(kuò)大的市場占有份額,獲取豐厚的利潤回報(bào),因此可靠性便不再是一種成本負(fù)擔(dān),相反可靠性正是商家追求的一種資產(chǎn)、一種財(cái)富。
但是,傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)既*費(fèi)錢又*費(fèi)時,必須要開發(fā)一種新的經(jīng)濟(jì)有效的替代法來適應(yīng)這一需求,這便是RET法。RET技術(shù)的理論依據(jù)是故障物理學(xué)(Physicsoffailure),把故障或失效當(dāng)作研究的主要對象,通過發(fā)現(xiàn)、研究和根治故障達(dá)到提高可靠性的目的。對當(dāng)今高度復(fù)雜的電子或機(jī)電產(chǎn)品,要發(fā)現(xiàn)潛在故障非易事,特別是一些潛伏*深的或間歇性故障,必須采用強(qiáng)化應(yīng)力的方法強(qiáng)迫其暴露,實(shí)踐證明RET法效果顯著。
GreggK.Hobbs先生曾就強(qiáng)化應(yīng)力的效果問題設(shè)計(jì)了一種金屬試件,對疲勞壽命進(jìn)行了研究[4],發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度增加1培時,疲勞壽命降低為1/1000,在實(shí)際應(yīng)用時振動引起的失效就屬這一類型,除了施加強(qiáng)化應(yīng)力外,由于有缺陷產(chǎn)品的應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)2--3倍,從而使疲勞壽命相應(yīng)降低好幾個數(shù)量級,這樣就使產(chǎn)品內(nèi)的有缺陷組件與無缺陷組件在相同的強(qiáng)化應(yīng)力下疲勞壽命拉大了擋次,使缺陷迅速暴露的同時無缺陷組件損傷甚小,這一理想的效應(yīng)正是我們所需要的。
對于溫度循環(huán)則屬熱疲勞性質(zhì),S.Smithson先生在《效率與經(jīng)濟(jì)性》一文中[5]也給出了類似的效果,若以兩個不同的溫變率為例,一個5℃/min,另一個強(qiáng)化到40℃/min,則它們的疲勞壽命效率比為4400∶1,對其它溫變率的情況見下表:
────────────────────────────────
溫變率℃/min51015203040
循環(huán)數(shù)400551772.21
min/每循環(huán)66332216.5118
總時間h4403061.90.40.1
───────────────────────────────
根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看到RET的綜合效果是:大幅提高可靠性,高度壓縮時間,從而也降低了成本。
要實(shí)施強(qiáng)化應(yīng)力必須要有相應(yīng)和設(shè)備,沿用傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行RET也能取得某種程度的成功,但由于現(xiàn)有溫箱的溫變率偏低,多在5~10℃左右,振動臺只有單軸臺,試驗(yàn)時需換向,價格也貴,無法滿足RET的要求。因此,一種嶄新的高效價廉設(shè)備的應(yīng)時推出配合了RET技術(shù)的發(fā)展,新設(shè)備由高溫變率溫箱和氣動式3軸6自由度(6DOF)振動臺組成,高溫變率用液氮致冷取得,這本非新技術(shù),但由于過去人們誤對液氮成本過高的擔(dān)心,致使長期被擱淺,現(xiàn)經(jīng)全面比較,因RET的高效率的時間和高壓縮而反使成本有所降低,從而得以確認(rèn)使用。
6DOF臺由氣動反復(fù)沖擊機(jī)發(fā)展而成,該機(jī)原用于模擬炮射沖擊環(huán)境,因其有6自由度空間和價廉的特點(diǎn),被看中用來改裝模擬隨機(jī)振動,經(jīng)過不斷的改進(jìn)發(fā)展獲成功,關(guān)鍵技術(shù)主要有二,一是錘頭擊打頻率f=30~50Hz和錘頭擊打力度可隨機(jī)調(diào)制(通過沖程),這樣由若干個錘頭和一個臺面構(gòu)成的氣動振動臺便可產(chǎn)生一種非高斯型的準(zhǔn)隨機(jī)激勵。二是累積疲勞系數(shù)(AFF)分析方法在該類激勵的成功應(yīng)用。根據(jù)G.Henderson引用Lambert,R.G.的研究成果[6],累積疲勞損傷主要由大于2的應(yīng)力峰所造成,而6DOF臺具有豐富的遠(yuǎn)大于2的峰值概率分布,故具有*強(qiáng)的激發(fā)缺陷的能力,根據(jù)對AFF的計(jì)算結(jié)果,6DOF臺的效率與單軸振動臺比為2百檢∶1。
原擔(dān)心作為6DOF臺的缺點(diǎn)的試驗(yàn)均勻性和重復(fù)性問題,經(jīng)G.Hobbs和惠普公司等進(jìn)行了長達(dá)一年多的試驗(yàn)研究也得到了很好的解決。
3可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)
3.1可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)(RET)的目的
RET是故障防治策略中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),與應(yīng)力篩選針對生產(chǎn)缺陷不同,它的目標(biāo)主要針對設(shè)計(jì)缺陷或設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié),旨在通過強(qiáng)化試驗(yàn)手段查找設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié),分析原因,采取改進(jìn)措施,徹底排除,不許重現(xiàn),以獲預(yù)期的設(shè)計(jì)高可靠性。RET在設(shè)計(jì)完成后但未投產(chǎn)前進(jìn)行。
3.2RET的內(nèi)容與應(yīng)力參數(shù)
RET包括步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)。應(yīng)力參數(shù)以溫度循環(huán)和隨機(jī)振動為基礎(chǔ),根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)再酌增工作應(yīng)力(電應(yīng)力)或其他應(yīng)力如加濕。
應(yīng)力量級按步長逐步遞增,直到遠(yuǎn)超出規(guī)范范圍甚至達(dá)到破壞*限。以下參數(shù)供選用參考:
溫度循環(huán)
溫度范圍:高低溫步長各10~15℃,至*大為-60~+125℃
溫變率:步長2~3℃/min,至*大30℃/min
端點(diǎn)保溫時間:~10min
在保溫段同時進(jìn)行通、斷電試驗(yàn)。
隨機(jī)振動(3軸6自由度)
頻率范圍:5~5000Hz
振動量級:步長2~3gRMS,從2起至28gRMS
振動時間:每步~10min
結(jié)束試驗(yàn)的原則:
(1)至破壞*限,
(2)根據(jù)對設(shè)計(jì)余度的要求確定,
(3)出現(xiàn)非正常失效,如材料熔化。
3.3強(qiáng)化應(yīng)力篩選
強(qiáng)化應(yīng)力篩選的目的與傳統(tǒng)的應(yīng)力篩選相同,是針對生產(chǎn)過程的工藝和元器件缺陷,但所用的應(yīng)力量級要大,根據(jù)RET的結(jié)果即破壞*限來確定,以下參數(shù)供選用參考:
溫度循環(huán):端點(diǎn)溫度取破壞*限的~80%;
隨機(jī)振動:取破壞*限的50%或更低一些;
篩選方案驗(yàn)證:旨在驗(yàn)證該方案的合理性,即快又徹底地激出缺陷,但又不損傷好的硬件。做法為選取至少3個樣件,每個樣件反復(fù)試驗(yàn)10~20次,以不再出現(xiàn)故障為準(zhǔn)。
4關(guān)于RET技術(shù)的應(yīng)用與展望
在民用產(chǎn)品方面已成功地應(yīng)用在通訊、電子、電腦、能源、汽車等工業(yè)部門。這類產(chǎn)品的可靠性增長過去主要靠用戶的自然反饋信息進(jìn)行,周期長、更新?lián)Q代慢,因此,RT主要被用于新產(chǎn)品的開發(fā)和老產(chǎn)品改型中關(guān)鍵部件的改進(jìn)以及預(yù)先研究。例如有名的福特汽車和惠普公司就是使用RET技術(shù)獲得產(chǎn)品的高可靠性和快速更新?lián)Q代的。
由于民用產(chǎn)品類別繁多,性能要求各異,在使用該技術(shù)時需靈活掌握,應(yīng)力量級可高可低,以獲得所需的可靠性、成本和周期的綜合優(yōu)化值,在排除設(shè)計(jì)、工藝缺陷時,既可分別處理,也可綜合處理,視要求而定。十幾年來這一技術(shù)是在應(yīng)力篩選的統(tǒng)稱下發(fā)展起來的,因而學(xué)科上形成了一個新的分支,叫商用應(yīng)力篩選(CSS)??梢詳嘌?,RET技術(shù)將成為民用產(chǎn)品創(chuàng)造名牌的重要手段。
在軍工、航空、航天方面的應(yīng)用要晚一些,近幾年來應(yīng)用越來越多,發(fā)展也快。航空方面波音公司已于1994年在波音-777飛機(jī)上應(yīng)用,獲得了成功。接著計(jì)劃在波音-737新一代應(yīng)用。航天方面參加1995年11月波音公司召開的故障防治策研討會就有9家,其中AlliedSignalAerospace和OlinAerospace公司就是選用TVC-9試驗(yàn)系統(tǒng)作這類試驗(yàn)的。據(jù)CHISystems公司透露,在航天工業(yè)有時也采用RET技術(shù)做衛(wèi)星整星或?qū)梻}段試驗(yàn),但必須將專用激振錘安裝到結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定部位上,以形成一種分布式激勵系統(tǒng)。
由于航天航空產(chǎn)品對可靠性要求高,因此必須把RET與模擬試驗(yàn)結(jié)合起來,用RET技術(shù)獲得大的設(shè)計(jì)余度,確保高可靠性,用模擬技術(shù)按軍標(biāo)或國標(biāo)規(guī)定的條件進(jìn)行鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn),以確認(rèn)設(shè)計(jì)可靠性和驗(yàn)收產(chǎn)品。
有越來越多的實(shí)踐證明,經(jīng)RET和強(qiáng)化應(yīng)力篩選的產(chǎn)品已獲得足夠高的可靠性,往往使鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)變成一種形式或橡皮圖章。由此,我們有理由斷言,隨著經(jīng)驗(yàn)的積累,RET技術(shù)與模擬技術(shù)必然朝著相輔相成、取長補(bǔ)短、互相滲透、簡化取代以獲取可靠性、經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度三者的*隹綜合效益的方面發(fā)展。
第三方檢測機(jī)構(gòu),可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)(RET)有許多名稱和形式,如步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、應(yīng)力壽命試驗(yàn)(STRIEF)、高加速壽命試驗(yàn)(HALT)等??煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)(RET)的目的是通過系統(tǒng)地施加逐漸增大的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力,來激發(fā)故障和暴露設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié),從而評價產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性。因此,可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)(RET)應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和發(fā)展周期中*初的階段實(shí)施,以便于修改設(shè)計(jì)。