電子產(chǎn)品研制階段可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)研究

陽(yáng)紅成，蘇小光

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)備和可靠性增長(zhǎng)工作的推動(dòng)下，可靠性技術(shù)和工程實(shí)踐得到了深入發(fā)展。結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，深入討論了可靠性增長(zhǎng)過(guò)程及實(shí)現(xiàn)途徑。在保持試驗(yàn)條件和改進(jìn)過(guò)程不變的條件下，實(shí)施了對(duì)具體型號(hào)電子產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的可靠性增長(zhǎng)目標(biāo)，并且利用可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型(AMSAA模型)來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)與可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)工作具有重要的實(shí)際意義。

任何產(chǎn)品的研制設(shè)計(jì)，都存在某些設(shè)計(jì)缺陷。大量的工程實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)研制出來(lái)的整機(jī)，開(kāi)始的可靠性水平(MTBF)通常只有預(yù)計(jì)值的10%～30%。承制方為了達(dá)到使用方要求的使用MTBF，必須通過(guò)可靠性增長(zhǎng)?？煽啃栽鲩L(zhǎng)的最主要作用就是通過(guò)排除系統(tǒng)性失效的原因或者減少失效發(fā)生的概率來(lái)提高產(chǎn)品的可靠性水平。

1 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)

通過(guò)不斷地消除產(chǎn)品在設(shè)計(jì)或制造過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品可靠性隨時(shí)間而提高的過(guò)程，稱(chēng)為可靠性增長(zhǎng)。

產(chǎn)品的固有可靠性是由設(shè)計(jì)確定并通過(guò)制造實(shí)現(xiàn)的。由于產(chǎn)品復(fù)雜性的不斷增加和新材料、新工藝、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要有一個(gè)不斷認(rèn)識(shí)、不斷改進(jìn)、完善的過(guò)程。樣機(jī)在試驗(yàn)或運(yùn)行當(dāng)中，不斷暴露出薄弱環(huán)節(jié)，再不斷糾正、改進(jìn)，從而提高產(chǎn)品的可靠性水平，逐步達(dá)到可靠性目標(biāo)值。

有計(jì)劃地激發(fā)失效，分析失效原因和改進(jìn)設(shè)計(jì)，并證明改進(jìn)措施的有效性而進(jìn)行的試驗(yàn)，稱(chēng)為可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。大量工程實(shí)踐證明，可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)是提高產(chǎn)品可靠性非常重要的途徑。GJB1407-92也強(qiáng)調(diào)，可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)是GJB450 的一個(gè)工作項(xiàng)目，是實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的正規(guī)途徑和主要手段。

可靠性增長(zhǎng)是保證現(xiàn)代復(fù)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(gè)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(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)。

圖1直觀地表示一個(gè)理想的可靠性增長(zhǎng)過(guò)程。

圖1 理想的可靠性增長(zhǎng)過(guò)程

第一階段：研制階段。第一臺(tái)樣機(jī)研制出來(lái)時(shí)，由于存在設(shè)計(jì)缺陷等系統(tǒng)性薄弱環(huán)節(jié)，初始的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)較低(A點(diǎn))。在可靠性增長(zhǎng)研制試驗(yàn)以及其他試驗(yàn)中，不斷地暴露出系統(tǒng)性失效，通過(guò)分析，有針對(duì)性地采取糾正措施，進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，一直到研制階段結(jié)束，可靠性在不斷增長(zhǎng)，達(dá)到B點(diǎn)。

第二階段：試生產(chǎn)階段。由于設(shè)計(jì)階段樣機(jī)數(shù)量較少，設(shè)計(jì)缺陷很難充分暴露出來(lái)，特別是批次性的元器件缺陷不能充分暴露出來(lái)；設(shè)計(jì)階段元器件由設(shè)計(jì)人員掌握，設(shè)計(jì)更改、元器件更換隨意性較大，往往會(huì)掩蓋設(shè)計(jì)方面的不足和元器件方面的缺陷；樣機(jī)的應(yīng)力篩選試驗(yàn)很充分，而生產(chǎn)階段的產(chǎn)品不可能有如此長(zhǎng)的環(huán)境應(yīng)力篩選周期。所以，在試生產(chǎn)開(kāi)始的時(shí)候，使產(chǎn)品的可靠性低于樣品研制結(jié)束時(shí)的可靠性，從B點(diǎn)下降到C點(diǎn)。在試生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)繼續(xù)采用糾正、改進(jìn)措施，可靠性將不斷增長(zhǎng)，達(dá)到D點(diǎn)。

第三階段：批生產(chǎn)和使用階段。在批生產(chǎn)開(kāi)始的時(shí)候，由于工藝缺陷、裝配缺陷以及質(zhì)量控制問(wèn)題，可能使批生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性水平從D點(diǎn)下降到E點(diǎn)。隨著關(guān)鍵問(wèn)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(zhǎng)，達(dá)到規(guī)定的MTBF。

由以上可知，實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)是反復(fù)設(shè)計(jì)、反復(fù)糾正的結(jié)果。隨著設(shè)計(jì)的成熟，研究確定實(shí)際存在(通過(guò)試驗(yàn))的或潛在(通過(guò)分析)的故障源，進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作應(yīng)當(dāng)放在改正這些問(wèn)題上。從理論上講，產(chǎn)品壽命期的各個(gè)階段都可以實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)，但是對(duì)于各階段所進(jìn)行的可靠性增長(zhǎng)，在經(jīng)濟(jì)性和及時(shí)性方面又都各不相同。

研制階段實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用低，更改設(shè)計(jì)方便、及時(shí)。研制階段進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)的主要信息來(lái)源有3個(gè)方面。

(1) 經(jīng)驗(yàn)信息

包括同類(lèi)產(chǎn)品使用信息、同類(lèi)產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)、歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、各種數(shù)據(jù)庫(kù)及出版物。這些信息在方案設(shè)計(jì)階段就可利用，以通過(guò)更改早期設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)，因此具有很好的及時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性。

(2) 分析信息

在對(duì)新產(chǎn)品的研制進(jìn)行方案論證時(shí)，對(duì)新研制系統(tǒng)進(jìn)行分析、產(chǎn)品研制成熟程度、研究及評(píng)審所獲得的信息，如可行性研究、權(quán)衡分析、可靠性預(yù)計(jì)、FMECA、故障樹(shù)分析、以及設(shè)計(jì)評(píng)審等所獲得的信息。利用分析信息實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)是及時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性較好，特別是對(duì)于高可靠性要求的產(chǎn)品，可以減少或避免某些費(fèi)時(shí)和昂貴的試驗(yàn)。

(3) 試驗(yàn)信息

產(chǎn)品在研制階段可利用的試驗(yàn)信息種類(lèi)多、范圍廣。研制過(guò)程各個(gè)階段、各個(gè)層次的產(chǎn)品在各種環(huán)境條件下進(jìn)行各種類(lèi)型的試驗(yàn)都能提供有價(jià)值的信息。試驗(yàn)信息是實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)最為通用的信息源，利用試驗(yàn)信息實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是具有很高的確實(shí)性。盡管試驗(yàn)費(fèi)用是影響利用試驗(yàn)信息實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的主要障礙，但是，在實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)的過(guò)程中，最經(jīng)濟(jì)有效的方法仍是在研制階段合理安排各種可靠性試驗(yàn)，比如可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，他便于在產(chǎn)品研制早期確定故障模式，設(shè)計(jì)更改更容易，試驗(yàn)費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)更低，具有更好的及時(shí)性和經(jīng)濟(jì)性。其與環(huán)境試驗(yàn)及性能試驗(yàn)相比，具有更系統(tǒng)、全面和深入發(fā)現(xiàn)故障，確實(shí)性好，效費(fèi)比更高的優(yōu)點(diǎn)，因此，可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)是目前國(guó)外在實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)過(guò)程中廣泛采用的方法。

2 可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)的AMSAA模型

AMSAA模型假設(shè)產(chǎn)品在開(kāi)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(shí)強(qiáng)度λ(t)=abtb-1的非齊次Poisson過(guò)程，參數(shù)a>0，b>0。a和b分別稱(chēng)為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。當(dāng)b=1，λ(t)=a，非齊次Poisson過(guò)程退化為Poisson過(guò)程，失效時(shí)間間隔服從指數(shù)分布，產(chǎn)品可靠性沒(méi)有趨勢(shì)，既不增長(zhǎng)也不下降。當(dāng)b<1時(shí)，A(t)遞減，表明可靠性增長(zhǎng)。當(dāng)b>1時(shí)，A(t)遞增，表明可靠性下降。

對(duì)于時(shí)間截尾，給定Tj，在(0，T)內(nèi)發(fā)生n>1次失效，失效時(shí)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(jì)為:

在時(shí)刻T，產(chǎn)品MTBF的極大似然估計(jì)為的無(wú)偏估計(jì)值為在時(shí)刻T，產(chǎn)品MTBF的無(wú)偏估計(jì)值為

3 利用AMSAA模型對(duì)某型產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)分析

某臺(tái)產(chǎn)品在可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)中共發(fā)生了52次失效，失效發(fā)生時(shí)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(yàn)在T=1 000 h結(jié)束，現(xiàn)對(duì)失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且求出試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的MTBF。

(1) 趨勢(shì)分析

(2) 參數(shù)估計(jì)

(3) MTBF的估計(jì)

(4)b的置信區(qū)間

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

通過(guò)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻產(chǎn)品的MTBF比初始MTBF增長(zhǎng)了近10倍，達(dá)到可靠性的目標(biāo)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

在產(chǎn)品研制過(guò)程中，除了可靠性試驗(yàn)外，還經(jīng)常會(huì)進(jìn)行許多試驗(yàn)，如工程設(shè)計(jì)試驗(yàn)、性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)當(dāng)中含有大量失效信息，各方應(yīng)盡可能地利用產(chǎn)品各個(gè)階段的資源與信息，將各種試驗(yàn)信息結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行科學(xué)的可靠性增長(zhǎng)管理，經(jīng)濟(jì)、高效地促使產(chǎn)品達(dá)到預(yù)定的可靠性目標(biāo)。

來(lái)源 |《現(xiàn)代電子技術(shù)》

審核編輯：湯梓紅