可靠性強化試驗技術淺析

陳利欽，陳寧，陶智華

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

前言

隨著科技水平的不斷提升，裝備技術日趨復雜，且用戶對裝備可靠性要求也在逐漸提高。如按傳統方法開展可靠性試驗，面臨試驗周期長，成本高的弊病。為了在有限的時間、成本條件下，提升設備的可靠性水平，增加裝備的競爭優勢，必須在研制階段充分激發暴露裝備的缺陷，并進行有效改進，從而提高裝備的可靠性水平。因此，在20世紀90年代波音公司率先提出了可靠性強化試驗技術[1]（Reliability Enhancement Testing，縮寫為RET）。

1 準零剛度隔振器模型

可靠性試驗技術屬于激發試驗，包括步進應力試驗、HALT（High Accelerated Life Test）試驗和HASS（Highly Accelerated Stress Screen）試驗[2]。其通過施加遠超于設備技術文件規定的應力[3]，快速激發潛在缺陷，并結合失效分析手段，查找故障原因，修復缺陷，不斷增加設備的裕度水平（如圖1所示），達到提高設備可靠性水平的目的[4]。

圖1 可靠性強化試驗的應力量級

可靠性強化試驗可在較短時間激發設備潛在缺陷主要依據強化試驗機理及模型，其對可靠性強化試驗技術研究具有重要指導意義[5]。以下就三種主要強化機理及模型進行分析[6]，分別為：①Miner標準模型；②Arrhenius模型；③溫變速率和循環次數的關系。

1.1 Miner 標準模型

振動及其組合應力等機械應力引起的疲勞損傷，可通過 Miner 標準模型表示，其表達公式如下：

式中：

D—敏納累積疲勞損傷函數，為常數；

N—應力循環次數；

S—單應力面積施加的應力；

β—材料特性（一般取8～12）。

從式（1）可以看出，隨著機械應力的提高，疲勞循環次數減少，可盡快暴露設備的缺陷，縮短試驗時間。

1.2 Arrhenius模型

強化試驗過程中，會產生化學反應、電遷移、機械疲勞等現象，這種反應可根據Arrhenius方程得到解釋，其表達式如下：

式中：

R—反應速度；

A—經驗常數；

Ea—活化能，單位：eV；

k—玻爾茲曼常數，8.617×10-5eV/K；

T—溫度值，單位：K。

由式（2）可知，隨著溫度的升高，反應速度逐漸提高，可有效縮短試驗時間，快速暴露設備的潛在缺陷。

1.3 溫變速率和循環次數的關系

溫度循環屬熱疲勞性質，S·Smithson 的研究表明，溫度變化速率與循環次數的關系[7]如式（3）所示：

式中：

Y—溫度變化率；

X—循環次數。

表1為不同溫變速率對應的循環次數，從中可知，溫變速率越高，設備越容易發生疲勞和破壞，試驗時間也越短。

2 試驗順序及剖面設計

可靠性強化試驗項目包括5種[8]，分別為：低溫步進、高溫步進、快速溫變循環、振動步進和綜合應力試驗。

2.1 試驗先后次序的確定

為了充分激發設備的缺陷，應按照損傷程度由輕到重的原則，逐步施加試驗應力，因此通?？煽啃詮娀囼烅樞驗椋旱蜏夭竭M試驗、高溫步進試驗、快速溫變循環試驗、振動步進試驗、綜合應力試驗[9]。

2.2 溫度步進試驗

溫度步進試驗目的是在不改變設備失效機理的前提下，通過不斷降低（提高）試驗溫度，找到設備低溫（高溫）工作極限及破壞極限。需注意的是，溫度步進試驗不是為了找到低溫（高溫）工作或破壞極限而進行，其真正目的是通過失效分析找到故障機理，采用現行技術手段，不斷修復缺陷，提升設備的低溫（高溫）工作或破壞極限，直至在現有技術基礎上無法再改進為止[10]。

溫度步進試驗剖面示意圖如圖2、圖3所示。試驗設計時需注意以下要點：

1）起始溫度選擇：一般以設備設計規范規定的高（低）溫工作溫度減（加）20 ℃為起始溫度。若在35 ℃和0 ℃之間，則以35 ℃和0 ℃作為高溫和低溫步進的起始溫度，其目的是增加溫度應力的累積效應，提高激發缺陷的概率及試驗效能。鑒于0～35 ℃之間的溫度應力對設備損傷極小，往往不設置步進臺階[10]。有時，為了盡快找到設備的工作溫度和破壞溫度極限，可適當提高（降低）高溫（低溫）起始溫度，以縮短試驗時間，提高試驗效率。

表1 溫變速率與循環數之間的關系

2）溫度階梯設置：當溫度到達設備技術文件規定的工作溫度之前，以10 ℃為步長，之后以5 ℃為步長[10]，以提高探索工作極限和破壞極限溫度的精度，降低誤差。

3）每個溫度上保持時間確定：當設備達到溫度穩定后，需繼續保持至少10 min，然后開始檢測設備的功能性能[10]。為提高試驗效率，降低試驗誤差，溫度穩定時間可按照GJB 150.1A-2009規定的實測法確定。

4）通斷電啟動：一般情況下，為考核設備在極端溫度下的啟動能力，在進行功能性能檢測前，需進行3次通斷電啟動[10]。

2.3 快速溫變循環試驗

快速溫變循環試驗目的是找到設備不發生恢復性破壞的極限溫變速率，電子設備開始試驗時的溫變速率一般在30～60 ℃/min之間，一般不小于40 ℃/min[10]。

其試驗剖面示意圖如圖4所示。試驗剖面設計時，需注意以下要點：

1）上限/下限溫度：溫度上限為確定的高溫工作極限溫度減5 ℃，溫度下限為低溫工作極限加5 ℃，如圖4所示；

2）溫度保持時間：設備溫度穩定后繼續保持至少10 min，試驗至少進行5個循環；

3）在溫度上升和下降階段驗證設備的啟動能力，需通斷電3次，之后進行功能性能檢測；

圖2 低溫步進試驗剖面

圖3 高溫步進試驗剖面

圖4 快速溫變循環試驗剖面

4）溫度循環試驗過程中，按照循環循序依次施加上限電壓、標稱電壓和下限電壓，也可根據實際情況改變電壓施加順序。

2.4 振動步進試驗

振動步進試驗目的是通過逐步提高振動應力的方式，激發設備的缺陷，并通過失效分析和現有技術手段進行改進，提高設備的耐振動應力的能力。

目前HALT試驗采用3軸6自由度的方式進行振動步進試驗[7]。而軍用電子設備多在其實際振動譜基礎上，通過不斷提高振動量級的方式進行試驗[11-13]。研究表明[14,15]6自由度振動在頻率范圍、幅值分布、循環峰值加載率以及多軸加載方面優于電磁振動臺。其缺點是低頻段及頻譜低谷區激振能量低，頻譜不可控，設備在臺面各處的振動不均勻。因此需根據設備自身的特點，選擇振動方式。

振動步進剖面圖如圖5所示。

1）針對6自由度振動，步長一般取5 Grms，如果采用電磁振動臺施加振動應力，需根據設備具體情況確定步進量級。

2）每個振動量級下保持時間為10 min或根據相關方協商確定。

3）振動量級達到一定值時，振動完成后續將量級降至起始振動量級（微顫振動，便于充分暴露設備缺陷），圖中時間Tx為完成一次測試的時間。

4）振動過程中應全程通電。

2.5 綜合應力試驗

綜合應力試驗過程中，在升降溫階段施加振動應力，原因是材料的微觀變化在溫度變化過程中，缺陷部位的應力會發生較為劇烈變化。如溫變同時施加振動應力，可有效提升缺陷的惡化速度，提高了試驗效率。

綜合應力試驗剖面如圖6所示。其起振量級為確定振動工作極限量級的1/5，以后每個溫度循環周期中振動量逐級增加，步進值為1/5振動工作極限的。每振動量級下保持時長應與每溫度循環的時間相同。溫度循環同快速溫變循環試驗。試驗過程中全程通電，電應力施加順序同快速溫度循環試驗。

圖5 振動步進試驗剖面

圖6 綜合應力試驗剖面

3 可靠性強化試驗發展及應用

自1988年Hobbs G K博士提出HALT及HASS試驗技術以來，可靠性強化技術在美國等發達國家得到了廣泛應用，顯著提高了設備的可靠性水平，縮短研制周期，并降低了研制成本[16]。國內在可靠性方面起步較晚，但隨著我國對設備質量要求的不斷提高，可靠性強化技術在近些年得到了廣泛認同和應用。目前國內已有多家高校、軍方機構以及研究所將該項試驗技術投入應用。

國防科學技術大學的陳循、陶俊勇等人[17]，將可靠性強化試驗用于某通信設備中，發現“全軸+大溫變率”綜合強化應力在激發設備潛在缺陷上效率最高，并發現不同應力的施加程序，以及強化應力量值和持續時間是可靠性強化試驗的關鍵問題。何文波，張濤等人[18]，在對某機載電子設備的熱分布和振動響應分析的基礎上，采用可靠性強化試驗技術，充分激發了設備的潛在缺陷，通過整改有力提高了設備的可靠性水平。楊立峰、呂瑛及張偉[11]將可靠性強化試驗應用到某型艦空導彈的問題歸零中，不僅實現了薄弱環節的消除，且驗證了可靠性強化試驗的合理性和有效性。楊海峰、胡海峰、翟邵蕾等人，對新一代火箭的控制系統實施了可靠性強化試驗，使其可靠性水平得到了提高，實現了首飛過程中控制系統零問題。

4 結語

可靠性強化技術作為一門新的試驗技術，在激發設備缺陷，提高設備可靠性水平方面具有深刻的意義，有著廣闊的應用前景。針對可靠性強化技術，目前國內已開展大量研究工作，并已投入了實踐應用[19]，取得了顯著效果。但是，對于可靠強化試驗，目前還沒有形成指導性、統一的實施方法或標準。對于試驗中如何把控施加的應力強度、時間具有一定的盲目性。因此，進一步研究缺陷與應力強度、時間定量、溫變速率之間的關系，形成可靠性強化試驗標準，成為亟待解決的問題。

本文旨在收集和分析該領域一些研究成果的基礎上，總結可靠性強化經驗，交流試驗技術。希望達到啟發可靠性強化試驗設計人員的作用。