可靠性強化試驗技術在機電產品中的應用研究

王學孔，張鐘文，鐘云龍

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣東　廣州　510610；3.廣東省電子信息產品可靠性與環境工程技術研究開發中心，廣東　廣州　510610）

可靠性強化試驗技術在機電產品中的應用研究

王學孔1，2，3，張鐘文1，2，3，鐘云龍1，2，3

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣東廣州510610；3.廣東省電子信息產品可靠性與環境工程技術研究開發中心，廣東廣州510610）

機電產品是軍用、民用裝備的重要的組成部分，如何快速地縮短該裝備的研制周期、提升其整體可靠性水平，是現代裝備研制過程中急需解決的問題，可靠性強化試驗技術可在這方面發揮重要的推動作用。闡述了如何開展機電產品的可靠性強化試驗的方法，提出了機電產品可靠性強化試驗三步走的思路，并制定了機電產品相應的可靠性強化試驗方案與試驗流程。結果表明，該方法能夠快速、高效地暴露機電產品的設計和工藝缺陷，以及薄弱環節，對于提高機電產品的可靠性具有一定的參考價值。

可靠性強化試驗；機電產品；應用方法

0　引言

自從日本首次提出機電這一概念以來，機電一體化技術得到了飛速的發展。隨著計算機技術、控制技術的飛躍進步，機電產品不斷地進入到了人們生產、生活的各個領域，例如:家電、制造、醫學、交通、航空、航天和船舶等領域，在人類社會進步的道路上起到了非常重要的作用。但是，機電產品不同于一般的機械產品或電子產品，它有著不一般的可靠性特點。

機電產品主要由機械本體、動力單元、控制單元、檢測單元和執行單元等組成，構成系統的要素包括機、電、液、氣、光和磁等，而機械與電子是機器的重要組成部分。但是，機電產品并不是機械和電子的簡單疊加，而是兩者的有機結合，因此，其故障模式比兩者之中的任何一個的故障模式都要復雜，甚至會出現新的故障模式。同時，隨著科學技術的發展，使用方對機電產品的可靠性指標提出了更高的要求。要在短時間內發現產品潛在的故障并不容易，特別是一些潛伏較深的故障。傳統環境模擬試驗的試驗周期長、費用高且不能完全暴露機電產品的設計和工藝缺陷，以及薄弱環節。為此，需要研究或引入一種能夠快速、高效地激發機電產品的設計和工藝缺陷，以及薄弱環節的試驗技術。

1　可靠性強化試驗技術

可靠性強化試驗技術的理論基礎是故障物理學，它把故障和失效當作主要的研究對象，通過發現、研究和根治故障來達到提高產品可靠性的目的。其具體的做法是:通過施加一種高于產品規范規定的環境應力來快速地激發產品的缺陷，以及暴露產品設計的薄弱環節，找到并提高產品的工作極限和破壞極限；同時，通過對試驗過程中出現的故障和失效的機理進行分析，采取改進措施，從而達到盡早地發現缺陷并改正缺陷的目的［1-3］。

可靠性強化試驗采用步進的方式向產品施加應力，通常從技術規范的應力極限開始 （或在技術規范應力極限內選定幾個臺階）逐步地增大應力等級。其中，溫度步進應力試驗中每個溫度段的停留時間取決于受試產品，停留僅用于產生有效的熱應力，最大應力發生在溫度轉變時，因此停留時間一般以使受試產品內部的溫度達到需要的溫度為準；振動步進應力試驗在每個應力量級停留10 min左右；對于機電產品，還需要施加工作應力，但需要根據產品的特點進行具體的設計。同時在可靠性強化試驗過程中需要對發生的每一個故障都進行分析，并提出相應的處理措施，以提高產品的固有可靠性［4-6］。

2　機電產品試驗故障的特點

如上所述，機電產品一般包括兩個部分，即機械部分和電子部分。其中，機械部分除了要經受溫度、振動和濕度等環境應力的作用以外，同時還要經受負載力、轉速、壓力、油溫、頻率和行程等多種工作應力的作用，并且其經受的工作應力的量值一般較大；而電子部分則主要承受溫度、振動和濕度等環境應力的作用，幾乎沒有承受工作應力。因此，機械部分的失效模式具有多樣性和復雜性。其失效模式與材料、具體的結構形狀及其大小和載荷性質及其大小等都有密切的關系，并且各種失效模式之間還存在著極強的耦合性。例如:機械部分采用不同的結構形式來實現同一種功能時，其各種零部件所承受的應力會大為不同；機械部分的失效形式可以是損壞、失調、滲漏、堵塞、老化和松脫，以及它們的組合等多種表現形式；同一個零部件可能有多種失效模式，同一失效模式又可能發生在不同的部位，從而大大地增加了失效模式分析的難度和復雜性。電子部分的失效模式比較簡單，主要有開路、短路、擊穿、器件損壞和接觸不良等。各種失效模式之間比較獨立，耦合性不強，比較容易分析，基于上述分析發現，對機電產品開展可靠性強化試驗是非常必要的，其不僅可以降低產品外場的故障率，還可以搞清楚新研機電產品常見的故障模式，以便有針對性地提出改進與預防措施。

3　機電產品可靠性強化試驗的流程

3.1機電產品可靠性強化試驗的總體思路

通過對機電產品的結構進行分析，我們可以看出，機電產品既包括電子部分，又包括機械部分，兩部分所承受的應力類型不同，其應力大小也不盡相同。因此，為了更充分地激發機電產品的設計和工藝缺陷，以及薄弱環節，首先需要對機電產品的結構特點進行分析，通常分兩種情況進行分析。

a）對于那些機械部分和電子部分可以分離的機電產品，如果可以用兩個強化試驗箱同時開展試驗的，則應統籌地制定機電產品機械部分和電子部分可靠性強化試驗剖面，并將其連接成系統來開展試驗，以便激發機械部分和電子部分耦合設計及工藝缺陷。對于不能同時開展可靠性強化試驗的，首先，分別為電子部分和機械部分設計強化試驗方案，并據此分別開展試驗；然后，再將兩部分組裝在一起開展可靠性強化試驗。即，該類機電產品的可靠性強化試驗應分三步走:

1）首先，對電子部分開展可靠性強化試驗，利用極嚴酷的環境應力充分地暴露其設計和工藝缺陷，以及薄弱環節；

2）其次，對機械部分開展可靠性強化試驗，利用極嚴酷的環境應力和工作應力，充分地暴露其設計和工藝缺陷，以及薄弱環節；

3）最后，根據上述試驗來確定整機系統可靠性強化試驗條件并開展可靠性強化試驗，充分地暴露其電子部分和機械部分交互作用時的設計和工藝缺陷，以及薄弱環節。

b）對于那些機械部分和電子部分不可以分離的機電產品，需要充分地考慮電子部分所能承受的環境應力極限，即環境應力的截止條件一般以電子產品耐環境條件設定，同時對機械部分施加工作應力，工作應力的截止條件根據機械部分耐工作條件來設定。

3.2電子部分的可靠性強化試驗的流程

電子部分的可靠性強化試驗包括:試驗前的準備工作、低溫步進應力試驗、高溫步進應力試驗、快速溫度循環試驗、振動步進應力試驗、綜合環境應力試驗和回歸驗證7個階段。可靠性強化試驗的順序如圖1所示。

圖1　可靠性強化試驗順序示意圖

3.2.1試驗前的準備工作

在開展可靠性強化試驗前，應采用紅外熱成像儀對受試產品進行非接觸式溫度調查或采用溫度巡檢儀對受試產品進行接觸式溫度調查，以便了解受試產品的熱分布及溫升情況，為試驗中溫度傳感器的布置提供參考；原則上，溫度傳感器應布置在受試產品電路板熱集中點上或設計師關注的部位上。同時，也應對受試產品進行振動響應調查，初步了解受試產品的振動響應特性；振動傳感器應布置在對振動較敏感的元器件上或附近、或受試產品相對薄弱的結構件上，以便獲取該測試點的振動量值，為試驗中的故障排除提供參考。

3.2.2溫度步進應力試驗

溫度步進應力試驗的要求如下所述，試驗剖面如圖2-3所示。

a）在不影響受試產品的功能及性能的情況下，盡量地將其密封蓋板或外殼取下。

b）一般情況下，以受試產品設計規范規定的工作溫度減 （加）20℃作為溫度步進的起始溫度。

c）在溫度達到受試產品規范規定的工作溫度（例如:-55℃或70℃）之前，以10℃為步長；之后，以5℃為步長。

d）每個溫度臺階上的停留時間不小于受試產品達到溫度穩定時間+10 min+測試時間。

e）受試產品達到溫度穩定后，保溫10 min，進行3次起動檢測以考核其在極端溫度條件下的起動能力，3次起動后對受試產品進行功能及性能檢測，測試完畢后斷電。

圖2　低溫步進應力試驗剖面

圖3　高溫步進應力試驗剖面

f）溫度步進應力試驗終止條件:以-80℃（或110℃）或者以已經找到的受試產品的溫度工作極限或破壞極限為溫度步進試驗的結束溫度。

3.2.3溫度步進應力試驗

溫度步進應力試驗的要求如下，試驗剖面如圖4所示。

a）在不影響受試產品的功能及性能的情況下，盡量地將其密封蓋板或外殼取下。

b）快速溫度循環試驗從低溫階段開始，溫度范圍為低溫工作極限溫度加5℃～高溫工作極限溫度減5℃。

c）循環次數:一般不少于5個完整的循環周期。

d）溫度變化速率不小于40℃/min。

e）每個循環中低溫和高溫階段的停留時間不小于受試產品達到溫度穩定時間+10 min。

f）每個循環升溫或降溫開始時進行3次起動檢測，以考核受試產品在快速溫度變化下的起動能力，3次起動檢測后對受試產品進行測試直至測試結束后斷電。

g）在每個循環的測試階段，受試產品的電應力按 “上限值-下限值-標稱值-上限值-下限值”的變化順序施加。

圖4　快速溫度循環試驗剖面

3.2.4振動步進應力試驗

振動步進應力試驗的要求如下所述，試驗剖面如圖5所示。

a）振動形式:氣錘式三軸向六自由度超高斯隨機振動。

b）起始振動量級:5 g。

c）步長:5 g。

d）每個振動量級的持續時間為10 min，在每個振動步進臺階都需要進行測試，受試產品施加標稱電壓。

e）在振動步進應力試驗時，當振動量值超過20 g后，在每個振動量級臺階結束后將振動量值降至微顫振動量值5 g，振動持續時間一般以能夠完成一個完整的測試為準。

f）振動步進應力試驗終止條件:以50 g或者以找到的產品的振動工作極限 （包括直接找到或者通過找到產品的振動破壞極限間接確定的振動工作極限）為振動步進應力試驗結束量值。

圖5　振動步進應力試驗剖面

3.2.5綜合環境應力試驗

綜合環境應力試驗的要求如下所述，試驗剖面如圖6所示。

a）在不影響受試產品的功能及性能的情況下，盡量地將受試產品不承力的密封蓋板取下，或不過分地影響承力蓋板及外殼剛度的情況下鉆一定數量的孔。

b）循環次數:不少于5個完整的循環周期。

c）溫度應力的施加方式與快速溫度循環的一致。

d）以受試產品的振動工作極限 （若工作極限超過50 g，以50 g作為工作極限）除以5得到的值作為振動步進的起始振動量級 （若振動工作極限除以5所得到的值小于5 g時，以5 g作為振動步進的起始振動量級），每次增加該值作為下一個循環的振動量級，第五次循環振動量級為振動工作極限減5 g；每個振動量級對應一個溫度循環周期。

e）在每個循環的升溫段開始前5 min施加相應的振動量級直至降溫段結束，然后將振動量級降至5 g并維持5 min。

f）在每個循環的升溫 （降溫）開始時對變頻器受試產品進行測試直至測試結束后斷電。

g）每個循環中低溫和高溫階段的最少停留時間:變頻器受試產品達到溫度穩定時間+10 min。

h）變頻器受試產品各循環電應力按 “上限值-下限值-標稱值-上限值-下限值”的變化順序施加。

3.3機械部分的可靠性強化試驗的流程

機械部分的可靠性強化試驗的流程包括:試驗條件確定階段、工作應力強化試驗、環境應力強化試驗和回歸驗證試驗等階段。

3.3.1機械部分的可靠性強化試驗應力的確定

機電產品機械部分除了經受環境應力外，同時還經受工作載荷，例如:壓力、轉速、扭矩、油壓、頻次、油液污染和行程等。這些工作載荷對機械零部件可靠性的高低有很大的影響。

圖6　綜合環境應力試驗剖面

不同類型的機電產品所承受的工作載荷也不同，例如:飛機駕駛桿、腳蹬和各組成零部件承受拉壓應力，其在該拉壓應力往復作用下將會產生疲勞失效；液壓系統既承受外部阻力，也受到液壓力的作用，同時還受到油液污染帶來的磨損；飛機用非金屬材料經常會承受壓應力和油液浸泡，致使其老化失效；電動機系統主要的工作載荷為轉速、扭矩和啟停頻次等。

機電產品機械部分經受的環境應力也比電子產品嚴酷，例如:輔助動力裝置中的進口壓力傳感器、滑油溫度傳感器和排氣溫度傳感器，其工作溫度分別為180℃、180℃和300℃。

因此，在對機電產品的機械部分開展強化試驗時，需要對其開展故障模式、故障機理和敏感應力分析，并根據工作載荷對機電產品的損傷影響程度的大小進行排序，同時考慮可靠性強化試驗應力施加的可行性，以確定機電產品中機械部分可靠性強化試驗中需要施加的應力類型，可靠性強化試驗條件的確定流程如圖7所示。

為了達到充分地激發機械部分的設計及工藝缺陷、發現其薄弱環節的目的，應在試驗前搜集相關信息，分析確定其敏感環境應力和工作應力，形成 “可靠性強化試驗強化應力確定分析報告”，以便進一步地確定可靠性強化試驗的試驗應力類型、應力量級和試驗剖面。

3.3.2機械部分的可靠性強化試驗剖面的確定

試驗剖面是可靠性強化試驗大綱的核心和關鍵，應根據上述分析來得到可靠性強化試驗的備選應力，綜合考慮這些應力對薄弱環節的激發效果，結合試驗設備的能力和研制進度要求，由此確定出可靠性強化試驗應力集合、應力的施加方式等試驗剖面的設計要素，并設計出可行的可靠性強化試驗剖面。

研究發現，環境應力和工作應力對機電產品的累計損傷作用的特性基本上是一致的，兩種應力耦合作用的效果在一般情況下是加速產品累計損傷的。因此，制定可靠性強化試驗方案時需要考慮兩種應力的施加方式應該是加速產品缺陷部位的損傷速率的。

圖7　可靠性強化試驗條件的確定流程

在可靠性強化試驗設備允許的條件下，一般要求同時施加環境應力和工作應力，施加方式需要考慮加速缺陷部位轉換成故障的速率，環境應力試驗實施流程及應力方式參照上述電子產品，工作應力也采用步進方式施加。當可靠性強化試驗設備不允許時，可以先開展環境應力可靠性強化試驗，再開展工作應力可靠性強化試驗；反之亦然。總之，應力的施加順序需要考慮如何加速地暴露缺陷。兩種情況的試驗順序如圖8所示。

圖8　機電產品中機械部分可靠性強化試驗順序

3.4整機系統的可靠性強化試驗的流程

結合上述電子部分可靠性強化試驗和機械部分可靠性強化試驗的結果來設計整機系統的可靠性強化試驗的剖面，其環境應力的施加流程及其方式可參照電子部分可靠性強化試驗的5個階段；其工作應力的施加流程和方式參照機械部分的應力施加方式。試驗應力的截止條件可根據上述兩類組成部分分別試驗的結果進行確定。

4　結束語

機電產品在整個軍用、民用裝備中占有很大的比例，并在裝備性能方面發揮著重要的作用，如何提高裝備的完好性和成功性，是整個行業上上下下都非常重視的問題。可靠性強化試驗技術可以在降低裝備在外場使用時的故障率，縮短裝備的研制周期方面發揮巨大的作用，為我國裝備的進一步發展起到一定的推動作用。

［1］鄺志禮.應用可靠性強化試驗技術提高產品的可靠性［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2002，20（6）:1-5.

［2］李勁，時鐘.可靠性強化試驗在高可靠產品中的應用探討 ［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2011，29（5）: 10-14.

［3］溫熙森，陳循，張春華，等.可靠性強化試驗理論與應用 ［M］.北京:科學出版社，2007.

［4］GREGG K Hobbs.Accelerated reliability engineering:HALTandHASS［M］.Manhattan:John Wiley&Sons Ltd，2000.

［5］馬杰.可靠性強化試驗技術及方法研究 ［D］.北京:北京航空航天大學，2003.

［6］蔣培.全軸隨機振動環境的疲勞強化機理研究 ［D］.長沙:國防科技大學，2004.

Research on the Application of Reliability Enhancement Test in Electromechanical Products

WANG Xue-kong1，2，3，ZHANG Zhong-wen1，2，3，ZHONG Yun-long1，2，3
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology，Guangzhou 510610，China；3.Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliability and Environment Engineering Technology，Guangzhou 510610，China）

The electromechanical products is an important part of military and civil equipments. How to quickly shorten the development cycle and improve the overall reliability of the equipments is an urgent problem to be solved in the development process of modern equipments，and the reliability enhancement test technology can play an important promoting role in this field.The method of how to carry out the reliability enhancement test of electromechanical products is described，and the threestep idea of reliability enhancement test of electromechanical products is proposed.Besides，the corresponding reliability enhancement test plan and test process of electromechanical products are developed.The results show that the method can quickly and effectively expose the design and process defects and weakness of electromechanical products，which has a certain reference value in improving the reliability of electromechanical products.

reliability enhancement test；electromechanical product；application method

TB 114.39

A

1672-5468（2016）05-0051-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.05.011

2016-05-17

王學孔 （1982-），男，河南信陽人，工業和信息化部電子第五研究所可靠性與環境工程研究中心工程師，碩士，主要從事可靠性試驗技術、可靠性強化試驗技術、耐久性試驗技術、振動控制技術和可靠性仿真試驗技術方面的研究工作。