電子產(chǎn)品研制階段可靠性增長試驗研究

陽紅成，蘇小光

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

摘要：在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設備和可靠性增長工作的推動下，可靠性技術(shù)和工程實踐得到了深入發(fā)展。結(jié)合工程實際經(jīng)驗，深入討論了可靠性增長過程及實現(xiàn)途徑。在保持試驗條件和改進過程不變的條件下，實施了對具體型號電子產(chǎn)品的可靠性增長試驗，達到了預期的可靠性增長目標，并且利用可靠性增長試驗的數(shù)學模型(AMSAA模型)來評估產(chǎn)品的可靠性增長，對開展可靠性增長與可靠性增長試驗工作具有重要的實際意義。

任何產(chǎn)品的研制設計，都存在某些設計缺陷。大量的工程實踐表明，設計研制出來的整機，開始的可靠性水平(MTBF)通常只有預計值的10%～30%。承制方為了達到使用方要求的使用MTBF，必須通過可靠性增長。可靠性增長的最主要作用就是通過排除系統(tǒng)性失效的原因或者減少失效發(fā)生的概率來提高產(chǎn)品的可靠性水平。

1 可靠性增長試驗

通過不斷地消除產(chǎn)品在設計或制造過程中的薄弱環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品可靠性隨時間而提高的過程，稱為可靠性增長。

產(chǎn)品的固有可靠性是由設計確定并通過制造實現(xiàn)的。由于產(chǎn)品復雜性的不斷增加和新材料、新工藝、新技術(shù)的廣泛應用，產(chǎn)品設計需要有一個不斷認識、不斷改進、完善的過程。樣機在試驗或運行當中，不斷暴露出薄弱環(huán)節(jié)，再不斷糾正、改進，從而提高產(chǎn)品的可靠性水平，逐步達到可靠性目標值。

有計劃地激發(fā)失效，分析失效原因和改進設計，并證明改進措施的有效性而進行的試驗，稱為可靠性增長試驗。大量工程實踐證明，可靠性增長試驗是提高產(chǎn)品可靠性非常重要的途徑。GJB1407-92也強調(diào)，可靠性增長試驗是GJB450 的一個工作項目，是實現(xiàn)可靠性增長的正規(guī)途徑和主要手段。

可靠性增長是保證現(xiàn)代復雜系統(tǒng)投入使用后具有所要求的可靠性的一種有效途徑，貫穿于產(chǎn)品壽命周期的各個階段。在不同的壽命周期階段，可采用不同的方法及技術(shù)實現(xiàn)可靠性增長。

圖1直觀地表示一個理想的可靠性增長過程。

圖1 理想的可靠性增長過程

第一階段：研制階段。第一臺樣機研制出來時，由于存在設計缺陷等系統(tǒng)性薄弱環(huán)節(jié)，初始的平均故障間隔時間(MTBF)較低(A點)。在可靠性增長研制試驗以及其他試驗中，不斷地暴露出系統(tǒng)性失效，通過分析，有針對性地采取糾正措施，進行設計更改，一直到研制階段結(jié)束，可靠性在不斷增長，達到B點。

第二階段：試生產(chǎn)階段。由于設計階段樣機數(shù)量較少，設計缺陷很難充分暴露出來，特別是批次性的元器件缺陷不能充分暴露出來；設計階段元器件由設計人員掌握，設計更改、元器件更換隨意性較大，往往會掩蓋設計方面的不足和元器件方面的缺陷；樣機的應力篩選試驗很充分，而生產(chǎn)階段的產(chǎn)品不可能有如此長的環(huán)境應力篩選周期。所以，在試生產(chǎn)開始的時候，使產(chǎn)品的可靠性低于樣品研制結(jié)束時的可靠性，從B點下降到C點。在試生產(chǎn)過程中，通過繼續(xù)采用糾正、改進措施，可靠性將不斷增長，達到D點。

第三階段：批生產(chǎn)和使用階段。在批生產(chǎn)開始的時候，由于工藝缺陷、裝配缺陷以及質(zhì)量控制問題，可能使批生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性水平從D點下降到E點。隨著關(guān)鍵問題的不斷解決，各種工藝缺陷、裝配缺陷得到糾正，可靠性將繼續(xù)增長，達到規(guī)定的MTBF。

由以上可知，實現(xiàn)可靠性增長是反復設計、反復糾正的結(jié)果。隨著設計的成熟，研究確定實際存在(通過試驗)的或潛在(通過分析)的故障源，進一步的設計工作應當放在改正這些問題上。從理論上講，產(chǎn)品壽命期的各個階段都可以實現(xiàn)可靠性增長，但是對于各階段所進行的可靠性增長，在經(jīng)濟性和及時性方面又都各不相同。

研制階段實現(xiàn)可靠性增長的主要優(yōu)點是費用低，更改設計方便、及時。研制階段進行可靠性增長的主要信息來源有3個方面。

(1) 經(jīng)驗信息

包括同類產(chǎn)品使用信息、同類產(chǎn)品可靠性增長經(jīng)驗、歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)、技術(shù)經(jīng)驗、各種數(shù)據(jù)庫及出版物。這些信息在方案設計階段就可利用，以通過更改早期設計來實現(xiàn)可靠性增長，因此具有很好的及時性和經(jīng)濟性。

(2) 分析信息

在對新產(chǎn)品的研制進行方案論證時，對新研制系統(tǒng)進行分析、產(chǎn)品研制成熟程度、研究及評審所獲得的信息，如可行性研究、權(quán)衡分析、可靠性預計、FMECA、故障樹分析、以及設計評審等所獲得的信息。利用分析信息實現(xiàn)可靠性增長的優(yōu)點是及時性和經(jīng)濟性較好，特別是對于高可靠性要求的產(chǎn)品，可以減少或避免某些費時和昂貴的試驗。

(3) 試驗信息

產(chǎn)品在研制階段可利用的試驗信息種類多、范圍廣。研制過程各個階段、各個層次的產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下進行各種類型的試驗都能提供有價值的信息。試驗信息是實現(xiàn)可靠性增長最為通用的信息源，利用試驗信息實現(xiàn)可靠性增長的主要優(yōu)點是具有很高的確實性。盡管試驗費用是影響利用試驗信息實現(xiàn)可靠性增長的主要障礙，但是，在實現(xiàn)可靠性增長的過程中，最經(jīng)濟有效的方法仍是在研制階段合理安排各種可靠性試驗，比如可靠性增長試驗，他便于在產(chǎn)品研制早期確定故障模式，設計更改更容易，試驗費用和風險更低，具有更好的及時性和經(jīng)濟性。其與環(huán)境試驗及性能試驗相比，具有更系統(tǒng)、全面和深入發(fā)現(xiàn)故障，確實性好，效費比更高的優(yōu)點，因此，可靠性增長試驗是目前國外在實現(xiàn)可靠性增長過程中廣泛采用的方法。

2 可靠性增長試驗的AMSAA模型

AMSAA模型假設產(chǎn)品在開發(fā)期(0，t]內(nèi)失效次數(shù)N(t)是具有均值函數(shù)EN(t)=abt及瞬時強度λ(t)=abtb-1的非齊次Poisson過程，參數(shù)a>0，b>0。a和b分別稱為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。當b=1，λ(t)=a，非齊次Poisson過程退化為Poisson過程，失效時間間隔服從指數(shù)分布，產(chǎn)品可靠性沒有趨勢，既不增長也不下降。當b<1時，A(t)遞減，表明可靠性增長。當b>1時，A(t)遞增，表明可靠性下降。

對于時間截尾，給定Tj，在(0，T)內(nèi)發(fā)生n>1次失效，失效時間為0

則:

lnL(t1,t2,…,tn)

可得：

因此，解方程組得b和a的極大似然估計為:

在時刻T，產(chǎn)品MTBF的極大似然估計為的無偏估計值為在時刻T，產(chǎn)品MTBF的無偏估計值為

3 利用AMSAA模型對某型產(chǎn)品的可靠性增長試驗分析

某臺產(chǎn)品在可靠性增長試驗中共發(fā)生了52次失效，失效發(fā)生時刻(h)分別在2，5，9，16，18，19，21，25，38，40，42，45，47，65，89，97，104，105，120，193，214，217，250，261，285，287，289，305，329，357，372，374，393，403，466，521，556，571，621，628，642，684，732，735，754，790，805，807，830，835，872，972。試驗在T=1 000 h結(jié)束，現(xiàn)對失效數(shù)據(jù)進行分析，并且求出試驗結(jié)束時的MTBF。

(1) 趨勢分析

(2) 參數(shù)估計

(3) MTBF的估計

(4)b的置信區(qū)間

對置信水平γ=0.90，形狀參數(shù)b的置信區(qū)間[bLbU]為:

通過可靠性增長試驗，到試驗結(jié)束時刻產(chǎn)品的MTBF比初始MTBF增長了近10倍，達到可靠性的目標值。

4 結(jié) 語

在產(chǎn)品研制過程中，除了可靠性試驗外，還經(jīng)常會進行許多試驗，如工程設計試驗、性能試驗、環(huán)境試驗等。這些試驗當中含有大量失效信息，各方應盡可能地利用產(chǎn)品各個階段的資源與信息，將各種試驗信息結(jié)合起來，進行科學的可靠性增長管理，經(jīng)濟、高效地促使產(chǎn)品達到預定的可靠性目標。

來源 |《現(xiàn)代電子技術(shù)》

審核編輯：湯梓紅