朱永

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230000）

0 引言

可靠性增长试验是指为暴露产品的薄弱环节，有计划、有目标地对产品施加模拟实际环境的综合环境应力及工作应力，以激发故障，分析故障和改进设计与工艺，并验证改进措施有效性而进行的试验[1]。近年来，由于电子设备复杂程度的提高和对环境适应性的苛刻要求，可靠性工作越来越受到重视，可靠性指标要求高并作为设计指标纳入设计环节[2]，而可靠性增长试验就是系统地提高产品可靠性的有效和切实可行的手段。可靠性增长试验是国军标GJB 450的一个工作项目，是保证武器装备可靠性达到型号研制任务书要求和设计水平的重要手段和正规途径。可靠性增长试验是一个有目标、有计划的试验—分析—改进 （TAAF：Tests Analyzer And Fix）的迭代过程。在这个过程中，产品处在实际的使用环境或模拟环境条件下经受试验，以便暴露潜在的、由于设计与制造的薄弱环节引起的系统性故障模式；进行故障分析及确定故障原因；针对故障模式采取相应的纠正措施来消除薄弱环节；通过再试验，以验证纠正措施的有效性；从而使产品的可靠性得到增长，以满足规定的可靠性目标要求[3]。工程实践表明，开展型号研制阶段的可靠性增长试验，发现问题，改进设计、工艺是提高产品可靠性的一项重要而基本的措施，它明显地降低了产品故障率，提高了产品的固有可靠性和使用可靠性，虽然需要一定的经费投入，但收效甚大，有较高的效费比[4]。

1 可靠性增长试验方案设计

可靠性增长试验方案设计是可靠性增长试验成功的关键，而增长模型、可靠性指标预计、试验时间计算、试验剖面设计和故障处理方法是核心。

1.1 增长模型的确定

在工程实践中，一次性使用的产品属于成败型产品，产品任务时间短，如果完全按照国军标GJB 1407-92《可靠性增长试验》中推荐的Duane模型和AMSAA模型对其进行可靠性增长试验，就会在具体的实施过程中暴露出试验周期长、费用高、试验资源冲突等方面的问题。GJB 1407中除了有推荐的上述两种模型之外，还提供了无模型的可靠性增长试验方案。没有模型的可靠性增长试验方案，并不是说它没有试验时间T的计算公式和对试验结果进行评估的方法，只表明它将不按照GJB 1407中所推荐的Duane模型和AMSAA模型来进行可靠性增长试验[5]。对成败型产品进行可靠性增长试验时，可以采用无模型的可靠性增长试验方案。某雷达为典型的成败型产品，其可靠性要求高、子样少、任务时间短、一次使用、试验经费有限和研制周期紧，寿命分布符合指数特征，所以采用指数分布的定时截尾试验方案对其进行可靠性增长试验。

1.2 可靠性预计

电子设备的可靠性预计按照指数寿命特征进行。雷达采用了串联、并联和表决3种可靠性数学模型。根据GJB 813[6]的要求，可靠性数学模型建立如下。

a）串联模型

b）并联模型

各单元的可靠性相同时：

c）系统表决模型

表决系统定义：由m个单元组成的系统，其中任意n个正常，工作系统就正常工作，称为m中取n系统。

各单元的可靠性相同时：

由 a）、 b） 和 c）， 可得：

式 （1） - （8） 中：

λi——第i个分系统的故障率；

λs——系统的总失效率；

t——任务时间；

n，m—系统中单元数量；

Rs—系统的总可靠度；

MTBFs——平均故障间隔时间；

MTBCFs——平均严重故障间隔时间。

1.3 试验时间的确定

采用指数分布的定时截尾试验方案，参考QJ 3127，试验时间的计算公式推导如下。

根据阶段的可靠性增长要求值，按公式 （8）计算MTBCF，在这里用θL表示，即：

如果试验中不出现故障 （即Z=0），则总试验时间为：

试验结果的可靠性下限的评估公式为：

将式 （9）变换后，得到：

再由式 （11） 和式 （12）， 得到：

根据工程经验，当电子产品安装部位的振动谱型加速度Grms值大于10 g，以及机电产品高量级振动时，则试验中施加振动的时间TZ按威布尔分布计算。此时，计算公式如下[3]：

式 （9） - （15） 中：

RL——可靠性增长要求值；

t——任务时间；

θL——平均严重故障间隔工作时间；

t——任务时间；

T——总验时间；

TZ——施振验时间；

β——使用方风险；

f——关联故障数；

n——投试数量；

m——形状参数，衡量寿命的离散程度，一般用工程经验判断；

χ2——分布的分布点值， 例如：f=0， β=0.2时，查GB 4086.2《统计分布数值表χ2分布》，可得自由度为2，下侧概率为0.8时，

1.4 试验剖面

环境剖面应能反映受试产品现场使用和任务环境的特征。各种应力施加的时间应按产品寿命周期内会遇到的各种环境应力条件下持续时间的比例来确定，并应明确：选取几种应力及其量值的大小、每个量值的持续时间，还应明确量值次序安排应与任务剖面相对应。在选取应力时参考了QJ 3127等国内外的有关标准，同时也考虑了产品的研制经验及产品的特点和要求。工程上，电子设备通常采用电应力、温度应力、振动应力和潮湿应力相结合的综合环境应力试验剖面，并根据订购方在合同或试验要求中规定的可靠性增长试验过程中所要施加的应力类型、量值及随时间的变化趋势等加以确定。

1.5 故障的分析与处理

可靠性增长试验就是要创造环境条件，充分暴露故障以便系统地解决薄弱环节，提高产品的可靠性。因此，如何分析与处理故障是决定可靠性增长试验能否成功的关键。可靠性增长试验中，应按试验大纲的要求，对监控测试要严格、及时；对故障记录要详细、认真；对故障分析要深入、细致；对故障处理要慎重、准确、符合工程实际；所有的故障均应纳入FRACAS。

试验过程中出现故障后，试验如何往下进行；对试验结果评估时如何处理试验中出现的关联故障等？具体操作时，务必要把握好以下几个要点[7]：

1）采用指数分布的定时截尾试验方案时，只要严格按试验大纲的要求，对总试验时间内出现的关联故障，通过分析找出了原因，采取了纠正措施并经过试验验证其有效后，产品的可靠性得到了增长，即可按试验大纲的要求结束试验；

2）对在总试验时间内出现过的关联故障，经纠正，验证有效后且不再复现，允许全部予以剔除，仍以零故障数对产品的试验结果进行可靠性评估。

1.6 试验结果的评估

根据2.3节推导公式，试验结果的可靠性下限的评估公式如下：

需要特别指出的是，产品中抗高振可靠性服从威布尔分布，因而根据公式 （15），得出评估公式如下：

式 （16）、 （17） 中各参数定义与2.3节相同。

2 应用实例

根据2.1-2.7节的要求，某型雷达的可靠性增长试验方案设计如下所述。

2.1 增长模型

采用指数分布的定时截尾方案。

2.2 参试产品的状态和数量

参试雷达已经通过环境应力筛选，经检验合格，同批次雷达已经通过例行试验；参试产品可靠性指标预计值大于可靠性指标规定值；参试产品的数量n=1。

2.3 可靠性指标

a）目标值

1）发射可靠性指标：发射可靠度置信下限RLl（t0） =0.997 （置信度为 0.8）， 其中 t0=10 min， 为发射准备任务时间；

2）飞行可靠性指标：飞行可靠度置信下限RLl（t′0） =0.996 （置信度为 0.8）， 其中 t′0=30 min， 为飞行任务时间。

b）预计值

利用可靠性数学模型采用应力计算法对雷达各分系统的组成部分进行预计，再通过对各分系统按串联模型进行整机可靠性计算，得出发射可靠度为0.9972，飞行可靠度为0.9968。

2.4 试验时间

a）原始参数

可靠性指标如表1所示，任务时间如表2所示，使用方风险β=0.2，产品形状参数m=2。

b）试验时间

由于发射准备过程中设备无振动，因此，通过加电、加湿、温循条件考核发射可靠性，试验总时间 （总循环次数）按发射可靠度与发射准备任务时间来确定。为了考核飞行可靠性，必须在加电、加湿、温循条件的基础上引入振动条件。通过温度、湿度、振动及电应力的综合作用来考核飞行可靠性，振动总时间根据飞行振动任务时间来确定。根据2.3节中的计算公式，各项试验时间计算结果如表3所示。

表1 参试产品可靠性指标

根据表3的计算结果，结合实际的试验情况（加电结束后进行22 min的干空气吹扫），温循试验时间及循环次数安排如表4所示。

表2 参试产品任务时间

表3 各项试验需要的试验时间

表4 温循试验时间安排

2.5 试验剖面

a）温度应力

高温： （+55±2） ℃； 低温： （-30±2） ℃； 温度变化率：10℃/min。共14个循环，每个循环8 h。

b）湿度应力

（78±3） %。

c）振动应力

振动应力类型和条件如表5所示，其中振动方向选取产品的敏感方向Z向。低振动量级1每次施振的时间为1 h 2 min，低振动量级2每次施振的时间为1 h 3 min；高振动量级1每次施振的时间为11 min 34 s，高振动量级2每次施振的时间为23 min 9 s，高振在最后一个循环施加。

d）电应力

电应力加载方案如表6所示。

表5 振动应力条件

表6 电应力加载方案

2.6 故障处理原则

在试验过程中，一旦产品发生故障，则应立即暂停，对故障进行确认并按照FRACAS的要求，记录故障发生的时间、环境条件、故障现象，分析故障原因，判断故障类型，进行故障确认、定位，必要时召开试中评审会。

对于非责任故障，在恢复性能后，从中断所在的环境/工作应力起始点开始继续进行试验，中断前的试验时间计入总试验时间；对于试验中出现的责任故障：若故障出现在该产品试验的前3个循环内，则采取纠正措施后，进行2个循环的验证试验，确认改正措施有效后，重新进行可靠性增长试验，故障前的试验时间无效；若故障出现在该产品试验的第4个温度循环以后的任意一个温度循环内（包括第4个温度循环），则采取纠正措施后，进行2个相同条件的循环验证试验，确认改正措施有效后，补做剩余试验循环。在这种情况下，故障循环无效，2个相同条件的循环验证试验和故障前循环均有效。由于故障原因定位不准确或纠正措施不当，导致故障重复出现时，两次故障之间的试验时间计为无效。

2.7 试验结果分析及评估

根据产品可靠性增长试验大纲，雷达的可靠性增长试验在某环境可靠性试验与检测中心进行并完成。参加本试验的产品共进行并完成了16个循环的试验 （含2个温度验证试验循环），有效试验循环14个，在试验过程中出现了3次故障，其中2次为责任故障，1次为非责任故障，3次故障均按照故障处理原则和FRACAS系统要求采取了有效的纠正措施，消除了故障机理。

按本文2.6节规定的试验结果评估原则，对试验过程中曾出现的2次关联故障，经纠正、验证有效后，且不再复现，故加以剔除，因此仍可用零故障数对试验结果进行评估。根据2.6节中的评估公式，试验评估结果如表7所示。可靠性评估结果表明该型雷达的可靠性满足产品可靠性目标值的要求。

表7 试验评估结果

工程实践表明，该试验方案合理可行，对试验过程中的故障均按照故障处理原则和FRACAS系统要求采取了有效的纠正措施，消除了故障机理，实现了产品可靠性增长，使产品可靠性达到了目标要求。对试验中出现的问题在参加飞试的产品中进行了反复验证，最终产品在靶场飞试获得圆满成功。

3 结束语

本文提出的电子设备的无模型可靠性增长试验方法 （采用指数分布定时截尾试验方案），对于可靠性要求高、子样少、任务时间短、一次使用的电子设备具有很高的效费比，具有较高的推广价值。但部分电子产品可靠性指标要求极高 （任务可靠度在0.999以上），研制阶段子样少且价格昂贵，在试验经费和进度受限的情况下，这种方法是不合适的[8]。如何针对此类产品确定试验模型和试验时间，采用加速可靠性增长试验方案，使产品的可靠性增长试验时间大幅度地缩短，提高试验效率，是可靠性增长试验的一个重要研究方向。

[1]GJB 451-1990，可靠性维修性术语 [S].

[2]朱曦全.航天产品的可靠性增长试验方法 [J].导弹与航天运载技术，2006（1）：58-61.

[3]QJ 3127-2000，航天产品可靠性增长试验指南 [S].

[4]庞敏，廖崇尧，朱克杰.当前可靠性增长试验存在问题及建议 [J].质量与可靠性，2004，1（1）：23-25.

[5]胡经畬.航天电子产品可靠性增长试验的关键技术浅述[J].电子产品可靠性与环境试验，2001，19（3）：24-29.

[6]GJB 813-1990，可靠性模型的建立和可靠性预计 [S].

[7]安伟光，胡经畬.可靠性增长试验方法的研究 [M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1996.

[8]张青山.可靠性强化试验技术及其应用 [J].电子产品可靠性与环境试验，2003，21（6）：40-42.