某推進監(jiān)控裝置可靠性加速試驗方法

孫成，黃泳樟，王超，丁昌鵬，陳中青，錢文

（1.中國船舶集團有限公司第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業(yè)電工電子設備環(huán)境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

網(wǎng)絡控制技術(shù)的發(fā)展和應用對船舶自動化領(lǐng)域有著深遠的影響，推進監(jiān)控裝置是船舶自動化系統(tǒng)的重要組成部分[1,2]，對推進系統(tǒng)實施自動控制、安全保護和監(jiān)測報警，保障推進系統(tǒng)根據(jù)操作人員的指令安全可靠運行，同時通過一體化網(wǎng)絡與其他相關(guān)系統(tǒng)進行信息交互。

現(xiàn)代電子設備的MTBF（平均故障間隔時間）指標經(jīng)常在1 000 h 以上，若采用傳統(tǒng)的基于GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》的可靠性三綜合試驗方法，具有試驗時間長、試驗經(jīng)費高的特點，無法滿足電子設備發(fā)展的要求。可靠性加速試驗結(jié)合設備的故障失效模式，通過施加超出正常應力水平的加速環(huán)境，從而縮短了試驗時間，降低了試驗成本，提高了試驗驗證效率[3]。

某推進監(jiān)控裝置是一種典型的水面艦船電子設備，本文針對某推進監(jiān)控裝置的指標要求和設備特點，開展了可靠性加速試驗方法研究。基于溫度應力加速模型，確定了加速因子、制定了加速試驗剖面，同時針對部分樣品數(shù)量不足的情況基于樣品緊縮比進行試驗時間規(guī)劃。本文解決了工程應用中的實際問題，為高MTBF 指標的電子設備可靠性指標驗證問題提供了解決思路。

1 可靠性加速試驗總體思路

本文中可靠性加速試驗總體思路主要包括以下五個步驟。

1）故障分析：找出設備的故障模式和故障機理；

2）加速應力：結(jié)合設備的主要故障模式，確定加速試驗應力的類型，并根據(jù)設備的特點，得到加速應力的極限應力信息；

3）加速模型：按照相應標準，利用加速應力的失效物理加速模型，確定可靠性加速模型；

4）試驗實施：根據(jù)前面步驟中的加速應力和加速因子，得到加速應力剖面和試驗時間要求，以此開展加速試驗；

5）結(jié)果評估：根據(jù)試驗實施的結(jié)果和數(shù)據(jù)對設備進行可靠性評估。

2 可靠性加速試驗方案

本文以某推進監(jiān)控裝置為例，針對受試樣機特點和指標要求等設計了相應的加速試驗方案。

2.1 統(tǒng)計試驗方案

針對樣機研總中MTBF 最低可接受值≥1 300 h 的要求，試驗選用GJB 899A-2009 中定時截尾統(tǒng)計試驗方案[5]，選用方案號30-1，有效試驗時間為MTBF 最低可接受值的1.2 倍，0 責任故障情況下進行接收判決，否則拒收。按照方案號30-1，本次某推進監(jiān)控裝置可靠性試驗的總有效試驗時間應不低于1.2′1 300 h ＝1 560 h。

本次提交可靠性試驗的受試樣機為緊縮設備（部分組成設備的受試樣機數(shù)量小于裝備數(shù)量），覆蓋了裝備的所有實現(xiàn)其功能的物理硬件組成。對于每一組成設備，裝備的數(shù)量與參加試驗的樣機數(shù)量比值為該組成設備的緊縮比。最大緊縮比為所有設備中緊縮比的最大值。

本次可靠性試驗采取采用基于最大緊縮比的序進結(jié)尾統(tǒng)計試驗方案，計算出某推進監(jiān)控裝置正樣機各組成設備的試驗時間，詳見表1 所示。

表1 各組成設備情況表

針對緊縮比為2 的設備C、設備D，其有效試驗時間應不低于1.2′1 300 h×2 ＝3 120 h；緊縮比為1 的設備A、設備B，其有效試驗時間應不低于1.2′1 300 h ＝1 560 h。

2.2 確定加速應力

設備安裝于水面艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境，其試驗剖面是按照GJB 899A-2009 中的水面艦船設備的艙內(nèi)有溫控試驗剖面執(zhí)行。剖面中包含濕度、溫度、電應力和振動四種應力，溫濕度和電應力循環(huán)性變化，振動應力在每循環(huán)定時施加。對于某推進監(jiān)控裝置，結(jié)合相應實船使用情況，各設備均配備有減震器，振動應力對某推進監(jiān)控裝置的耗損程度相對較小，溫度應力是造成耗損的主要因素，尤其在擴大溫差和提高溫變速率兩種情況下。根據(jù)某推進監(jiān)控裝置的安裝位置和使用條件，考慮本次試驗對溫度循環(huán)進行加嚴達到試驗加速的目的。

圖1 可靠性加速試驗總體流程

2.3 確定加速模型

溫度循環(huán)加速模型：按照GB/T 34986-2017《產(chǎn)品加速試驗方法》附錄B，加速試驗剖面為熱循環(huán)試驗剖面，因此考慮前三個循環(huán)采用正常的試驗剖面，以驗證其經(jīng)歷低溫貯存和高溫貯存后的功能性能是否正常，其試驗時間計入總有效試驗時間，加速因子為1.0；后續(xù)循環(huán)則為去掉貯存階段的試驗剖面，這樣實際上的溫度應力是熱循環(huán)試驗，溫度循環(huán)加速因子的計算方法如下[4]：

式中：

NUse—根據(jù)統(tǒng)計試驗方案確定的試驗時間（樣機實際使用情況下）；

NTest—實際加速試驗下的試驗時間（樣機承受加速應力情況下）；

△NUse—溫度變化范圍（樣機實際使用情況下），℃；

△NTest—溫度變化范圍（樣機承受加速應力情況下），℃；

ζUse—溫度變化速率（樣機實際使用情況下），℃/min；

ζTest—溫度變化速率（樣機承受加速應力情況下），℃/min；

mt—取2.5。

實際使用情況下/按照研總規(guī)定的工作溫度范圍，某推進監(jiān)控裝置正常工作在（-10 ～45）℃，溫度變化值為55 ℃，溫變率為0.306 ℃/min。

對原溫變循環(huán)加速后的應力為：加速試驗在（-15 ～55）℃，新的溫變率為3.5 ℃/min。

加速因子的計算：

經(jīng)計算，ATC=4.117。

2.4 試驗剖面和試驗時間

1）試驗剖面

前3 個循環(huán)采用了包含冷浸和熱浸的試驗剖面，按照GJB 899A-2009 中的水面艦船設備的艙內(nèi)有溫控試驗剖面的要求執(zhí)行，每個循環(huán)24 h，冷熱浸循環(huán)采用的是常規(guī)應力（加速因子為1），如圖2 所示。

圖2 冷浸和熱浸試驗剖面圖

試驗從第4 個循環(huán)開始，按照加速試驗剖面進行，如圖3 所示。

圖3 加速試驗剖面

2）試驗時間要求

針對緊縮比為2 的設備，加速試驗時間為（3 120-72）÷4.117=740.4 h，因此總試驗時間應不少于（72 h+740.4 h）812.4 h；針對緊縮比為1 的設備，加速試驗時間為（1 560-72）÷4.117=361.5 h，因此總試驗時間應不少于（72 h+361.5 h）433.5 h。

所有設備在同一個三綜合試驗箱內(nèi)進行試驗，各組成設備的責任故障統(tǒng)計時間如下：

緊縮比為2 的設備，統(tǒng)計0 h ＜T ≤812.4 h 內(nèi)的責任故障數(shù)；

緊縮比為1 的設備，統(tǒng)計0 h ＜T ≤433.5 h 內(nèi)的責任故障數(shù)，在433.5 h ＜T ≤812.4 h 內(nèi)，均作為陪試品參加試驗，不統(tǒng)計期間發(fā)生的故障。

2.5 試驗結(jié)果

緊縮比為2 的設備共進行了816 h 的試驗（前72 h為冷熱浸循環(huán)），試驗前后及試驗中的功性能檢測均合格；緊縮比為1 的設備共進行了456 h 的試驗（前72 h 為冷熱浸循環(huán)），試驗前后及試驗中的功性能檢測均合格，在（457 ～816）h 期間內(nèi)隨緊縮比為2 的設備一起進行試驗無故障發(fā)生，但是按大綱的規(guī)定不計入其有效試驗時間。

經(jīng)加速因子換算后，緊縮比為1 的設備總有效試驗時間為1 652.928 h，緊縮比為2 的設備總有效試驗時間為3 135.048 h。

綜上，兩者從嚴選取后，某推進監(jiān)控裝置等效總有效試驗時間為1 567.524 h。

2.6 可靠性評估

某推進監(jiān)控裝置經(jīng)加速因子換算后，等效總有效試驗時間為1 567.524 h，責任故障數(shù)為0，其可靠性指標MTBF（70 %置信度）的單邊置信下限估計值為1 301.9 h，滿足可靠性指標MTBF 的最低可接受值不低于1 300 h 的要求。

3 結(jié)論

本文針對某推進監(jiān)控裝置的可靠性MTBF指標驗證，研究了可靠性加速試驗方法，確定了加速模型、加速因子、制定了加速試驗剖面，給出了不同緊縮比的受試設備的時間要求。通過本次加速試驗案例可以看出，可靠性加速試驗方法具有縮短試驗周期、降低成本的優(yōu)勢，綜合考慮進度、費效比的情況下，尤其為高可靠性指標樣品的指標驗證提供了參考。