可靠性增长试验.docx
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可靠性增长试验
可靠性增长试验
可靠性增长试验
1概述
1.1基本概念
众所周知，装备的可靠性是由设计决定的。
但是，由于受到各种原因的影响，设计缺陷总是难免的，产品在研制阶段往往达不到用户的可靠性要求，因此必须开展可靠性增长活动。
必须指出，可靠性增长活动不是针对设计低劣的产品的，而是针对经过认真设计仍然由于某些技术原因达不到要求的产品，而且可靠性增长活动比可靠性设计活动所需的资源和时间都多，因此，管理者往往只对通过可靠性设计评审的产品才安排可靠性增长计划。
那种把可靠性水平寄托在增长活动上的态度是错误的。
可靠性增长的核心是消除影响产品可靠性水平的设计缺陷。
可靠性增长的关键是发现影响产品可靠性水平的设计缺陷。
为此，必须通过试验或运行的途径来实现产品故障机理的检测。
常见的可靠性增长有，一般性的可靠性增长和可靠性增长管理。
一般性的可靠性增长，是指事前未给出明确的可靠性增长目标，对产品在试验或运行中发生的故障，根据可用于可靠性增长资源的多少，选择其中的一部分或全部实施纠正措施，以使产品可靠性得到确实提高的过程；它通常不制定计划增长曲线，也不跟踪增长过程，而是采用一两次集中纠正故障的方式，使产品可靠性得到提高。
由于增长过程通常不能满足增长模型的限度条件，增长后的产品可靠性水平需要通过可靠性验证试验才能进行定量评估。
置于实际使用的环境（模拟工作环境或加速变化的环境）应力条件下经受一定时间的试验，使产品的设计缺陷暴露为故障。
可靠性增长试验以管理过程请参阅图3-1-1。
启动（调试、试验、考机、运行）反馈给
生产单位
记录故障或进行
OKY元器件早期可靠性
评审N人因?
Y操作错?
缺陷失效物理分析
N
修改操作损坏?
失效分析筛选应力不当?
Y
规程NYN
Y制造设计热设计修改
操作错Y软件故障?
缺陷缺陷降额元器件
N设计大纲
修改原因不明修改修改Y不当N
软件继续试验工艺设计?
评审
NOK
评审N记入N
关联失效评审随机失效筛选
OKOK
试验数据处理落实纠正措施修复
编制试验报告编制增长文件
图3-1-1可靠性增长工作流程示意图
1.4可靠性增长试验与环境应力筛选的对比
可靠性增长试验与环境应力筛选同为装备研制生产的可靠性工程试验，它们的目标都是为了暴露产品缺陷，但在具体任务上有明显区别，前者旨在暴露某些设计缺陷，纠正后提高产品固有可靠性水平；后者旨在暴露工艺和元器件、原材料的缺陷，消除产品潜在的早期失效，并非为了提高产品的固有可靠性水平。
表3-1-1列出了它们的主要对比项目。
1.5可靠性增长试验与可靠性鉴定试验的关系
可靠性鉴定试验是可靠性统计试验工作项目，它作为产品在工程研制阶段的全部可靠性工作成果的考核，可以判定产品可靠性是否达到了预期的目标。
可靠性增长和可靠性增长管理虽然可以帮助人们了解产品的可靠性水平，并不能取代可靠性鉴定试验，因此可靠性鉴定试验仍然要作为重要工作项目列入可靠性大纲。
只有当可靠性增长试验成功、满足以下条件，并能用数理统计方法对产品可靠性进行评估时，经过定购方的许可，才可以用可靠性增长试验替代可靠性鉴定试验。
a）可靠性增长的试验剖面与可靠性鉴定试验规定的试验剖面相同；
b）可靠性增长试验记录完整，试验过程跟踪严格；
c）有完善的故障报告、分析和纠正闭环系统，故障纠正过程有可追溯的详细记录；
d）可靠性增长试验结果的评估是可信的，即评估所用的数学方法恰当，置信水平选取符合要求，产品可靠性评估结果高于或等于计划的可靠性增长目标。
表3-1-1可靠性增长试验与环境应力筛选对比
对比项目
环境应力筛选
可靠性增长试验
目的
暴露和消除设计和制造缺陷
确定和纠正设计缺陷
进行时间
在生产过程中进行
一般在研制过程进行
试验时间
一般10分钟随机振动和10个温度循环
产品MTBF值的几倍
样品数
一般100%进行
至少2个产品
通过判据
无（最大限度消除早期失效）
判据与增长模型相关
2可靠性增长计划
2.1制定可靠性增长计划的原则
装备承制单位在产品的研制与生产过程中，都要致力于促进产品的可靠性增长。
产品可靠性的有计划增长，就是人们预期的可靠性增长，其特点是在产品研制各阶段和生产过程都设有相应的增长目标值。
为此，人们必须制定一个完整的可靠性增长计划。
制定可靠性增长计划的原则是，围绕可靠性增长曲线安排工作内容、进度、资源、经费等。
确定产品可靠性增长曲线的方法是，根据同类产品研制所得的数据，经过分析，建立可靠性增长模型，确定其可靠性增长试验的时间长度；同时根据产品的可靠性指标，作为点估计值拟定可靠性增长曲线；据此安排试验项目、时间起点、预定的可靠性增长率等。
2.2可靠性增长计划的主要内容
a）试验的目的和要求；
b）受试产品及其应进行的试验项目；
c）试验剖面、产品技术状况、性能和循环工作周期；
d）试验进度安排；
e）试验设备和装置的说明及要求；
f）用于改进设计所需要的资源和时间要求；
g）试验数据的收集和记录要求；
h）故障报告、分析和纠正措施；
i）试验结果和产品的最后处理；
j）其它有关事项。
2.3研制生产和使用阶段的可靠性增长
如前所述，可靠性增长管理，把可靠性增长活动已经打破某些标准的规定界限，从研制阶段延伸到生产阶段，扩展到使用阶段，形成一种动态的工程过程。
这既保持了有关标准规定的可靠性增长的内涵，遵循“试验——分析——改进”的规律；又灵活地运用了产品的故障信息，发挥故障审查组织和故障报告、审查与纠正措施系统的作用，使得可靠性增长活动变得生动活泼，成果日新月异。
2.3.1研制生产阶段的可靠性增长
研制与生产阶段的可靠性增长是某些标准所规定的工作项目，它必须通过试验暴露设计缺陷，才能达到增长的目标。
然而，研制阶段与生产阶段的可靠性增长又有所区别：
前者完全靠可靠性增长试验发现设计缺陷，完全靠改进设计来达到增长的目的；后者则可以通过环境应力筛选或老练活动暴露设计和工艺及元器件的缺陷，不仅要消除产品的早期失效，还可以消除某些设计缺陷，以此达到增长目的。
2.3.2使用阶段的可靠性增长
装备使用阶段的可靠性增长，某些标准把它作为可靠性增长管理的部分工作，这主要是通过可靠性信息管理中的故障报告、分析和纠正措施系统与故障审查组织的作用去实现。
其中设计缺陷由故障审查组织通过分析产品现场使用的故障信息发现；纠正措施由该组织提出，经过装备的承制单位或使用单位实施和验证后得到确认；验证信息由信息管理系统反馈后，由有关单位发出该纠正措施的技术更改通知给产品的生产单位、经销单位、使用单位等方面一并落实，至此才完成了可靠性增长的完整过程。
3可靠性增长试验的实施
可靠性增长试验的实施就是落实可靠性增长计划，要根据产品可靠性工作大纲制定试验计划，要确定试验剖面，要准备样品，准备试验设备和检测仪表及记录表格，要编制试验操作规程，准备纠正设计缺陷和排除故障所需的资源，要对参加试验的人员进行培训等等。
其中主要工作如下。
3.1试验剖面的确定
可靠性增长试验的目的是暴露产品在使用状态下的问题和缺陷，因此试验剖面要模拟实际的使用环境条件。
实际使用环境条件又称任务剖面。
对某些产品来说，可能有多种任务剖面，此时可取其中有代表性的典型任务剖面作为可靠性增长试验的试验剖面。
如果选择不到典型任务剖面，则选取环境条件最恶劣的任务剖面作为可靠性增长试验剖面，这样最有利于暴露设计缺陷。
3.2试验记录与故障分析
3.2.1试验记录
无论在何种状况下进行可靠性增长试验，都必须对试验的全过程进行详细记录，要记录样品的技术状况和故障表现。
这些资料是分析和判定设计缺陷、提出纠正措施的基本依据。
记录的内容可参考有关标准导则所附的表格，以便统一可靠性增长试验和可靠性增长管理及可靠性信息系统所用的表格。
3.2.2故障分析和处理
可靠性增长试验中记录的故障，并非都是由于设计缺陷造成的，有的可能是由于早期失效或元器件的随机失效产生的。
可靠性增长活动所关心的是由于设计缺陷引起的故障。
为了弄清故障原因，必须进行故障分析。
故障分析工作主要由直接研制产品的人员或产品总体设计人员负责。
分析工作从故障表现人手，首先分辨和排除人员操作不当引发的故障，再分辨和排除元器件质量问题导致的故障，余下的故障要分析和检测是由于元器件参数使用不当（包括降额设计不到位）还是由于环境条件苛刻（包括环境防护设计、热设计、减振设计）所至，必要时要对分析结论进行验证，为正确的纠正措施提供依据。
凡不需要采取纠正措施的故障，都按照通常的维修加以排除；需要采取纠正措施消除的故障则按照下一节的要求进行处理。
3.3纠正措施的确定与验证
故障分析列出了设计缺陷引起的故障和消除这些缺陷的方法，把它编写成为设计更改通知，就成为可靠性增长的纠正措施。
但是必须注意，纠正措施必须优先针对那些会降低产品的作战效能、增加维修和后勤保障费用的故障。
纠正措施必须先在试验样品上实施，之后对样品施加使用环境应力（即可靠性增长试验剖面）试验，验证该设计缺陷是否消除。
如果仍然发生该缺陷引发的故障，则说明增长无效，需要重新分析故障原因和纠正措施，按照上述程序再来一遍，直至该缺陷被消除。
当经过验证纠正措施有效，设计缺陷已经消除，此时应及时把设计更改通知上升为产品正式技术文件，并且要求其它产品也按此文件实施，做到图文一致、图文和实物一致。
如果可靠性增长试验是对某些装备进行“可靠性补课”，则纠正措施要上升为技术更改通知发到已经持有该产品和正在生产该产品的单位，要求所用产品都按照此文件进行更改和生产，以受到可靠性增长的目的。
3.4注意事项
3.4.1关于可靠性增长的数学模型
就可靠性增长的内涵而言，在制定可靠性增长试验计划之前，要根据产品可靠性目标和刚研制完成产品的可靠性估计值设计增长模型，并要作出计划曲线。
目前，在可修产品的可靠性增长试验中，普遍使用杜安（Duane）模型，为使模型的适合和使最终评估结果具有较坚实的统计学依据，也用AMSAA模型作为补充。
本章实例采用AMSAA模型，读者可结合实例和参考有关书籍和资料去熟悉这些数学模型。
3.4.2关于可靠性增长的试验时间
可靠性增长的总试验时间包括：
把产品设计缺陷诱发为故障的时间和验证故障纠正措施是否有效的时间。
因此，没有足够的试验时间是达不到预期目标的。
试验时间直接关系到可靠性增长资源的需求，因此发生供需矛盾。
总试验时间可以根据增长目标和增长模型进行计算，但模型中有一些参数也不是完全确定的，因此往往经验数据在起作用。
工程实践经验表明，可靠性增长的总试验时间等于增长目标（Mabj）的5～25倍。
在实际应用该经验关系式时，要根据产品情况决定倍数，对高可靠性目标的产品和高增长率的产品，可以选取低倍数，减少总试验时间，但可能会增大可靠性增长试验达不到预期目标的风险。
此外，还必须注意，总试验时间应包括纠正措施的验证时间。
3.4.3关于试验样品
可靠性增长试验的样品，从工程研制的产品中选取。
而工程研制的产品数量有限，往往要作为多种试验项目的样品来使用。
因此，必须适当地安排各种试验的程序，以免拖延研制进度。
按照通常的要求，试验程序是：
首先进行环境应力筛选，消除工艺和元器件、原材料的缺陷，而且有利于缩短以后试验项目的试验时间；其次按照GJB150的规定进行环境试验；最后进行任务剖面或寿命剖面的综合环境应力的可靠性增长试验或鉴定试验。
4可靠性增长活动的管理工作
4.1建立故障信息管理系统
开展装备的可靠性增长活动必须建立故障信息管理系统，统一管理装备故障信息。
承制单位一般都要建立全厂（所）的信息中心，建立产品和元器件、原材料的数据库。
装备的故障信息可纳入这些数据库进行管理。
故障信息管理系统必须制定严密的信息收集、发布、刷新、交接处理等规章制度。
一般要求所有装配等级的产品从装配完成之后发生的所有故障都要填写故障信息表格，实时传递给信息中心；信息中心除了及时录入数据库之外，还要实时向产品技术管理部门发布，向计划管理部门和质量（可靠性）管理部门通报。
4.2建立以装备为对象的故障审查组织
承制单位信息中心收集故障数据的目的不仅仅是为了建立数据档案，为开展产品论证提供依据；更重要的是为产品的质量改进和可靠性增长提供依据。
最直接应用故障信息的是产品研制生产部门。
为了有针对性地应用故障信息，建立以装备型号为对象的故障审查组织是最好的办法。
因为他们最了解装备的技术状况，对故障信息最敏感，对故障原因和解决办法最有发言权，因而可以用最少的资源去实现可靠性增长的目的。
产品故障审查组织一般由总设计师负责，产品各有关部分的设计师参加，信息管理系统也应派员参加。
该组织为非常设机构，但在可靠性增长中起着十分重要的作用。
因此承制单位必须及时建立每个型号产品的故障审查组织，制定该组织的管理规章制度，并重视发挥他们的作用。
4.3纠正措施的追踪
故障纠正措施一经确立和验证，设计更改文件发出，管理者必须对已有的产品进行跟踪，直至每一部装备都落实这些纠正措施为止。
落实纠正措施是扩大可靠性增长试验成果的重要步骤，其难度也很大，因为产品分布面可能很广。
发挥各方面的力量，尤其要发挥用户和维修系统的作用，有可能使纠正措施得到顺利落实。
4.4验证信息的收集
当产品通过可靠性增长管理的方式进行增长时，纠正措施的验证往往是在使用现场实现的。
此时验证信息需要通过管理渠道进行收集，这是需要注意的。
因为信息管理系统主要收集故障数据，验证数据属于专项工作，需要进行专项管理才能做好。
4.5可靠性增长报告
无论采取什么方式使产品可靠性获得增长，最终都需要编制可靠性增长报告，作为技术资料存档。
报告内容要符合有关标准的要求，要把试验过程、故障状况、分析结果、纠正措施及其实施、验证结论、增长后产品可靠性评估（数据处理）等内容详细记载其中，使报告具有良好的参考价值和可追溯性。
5实例
5.1 基本情况
我国航空电子设备的可靠性工作起步较晚，为了摸清主要机载电子设备的可靠性定量水平和提高其可靠性水平，“六五”后期国防科工委和空军给电子部（当时为机械电子工业部）下达了部分机载电子装备可靠性补课的任务。
为了完成此项前所未有的任务，部军工司把任务下达给电子系统可靠性专业研究所——第五研究所。
五所工程中心领受了此项任务后，在国内外很少报导过可靠性补课工作具体方法的情况下，学习消化了GJB450《装备研制与生产的可靠性通用大纲》和GJB899《可靠性鉴定和验收试验》以及国外有关标准，针对不同装备设计了各自的“可靠性增长和测定试验方案”，从“七五”初期开始试验，用了三年多时间，对10种50多台机载电子设备进行了累计6000多小时的综合应力试验（15300多装备台时），顺利地完成了可靠性增长和测定任务，取得了良好效果，使受试产品可靠性水平普遍提高了2～10倍，摸清了它们的可靠性定量水平。
他们的具体做法是：
按可靠性鉴定要求拟制试验方案，在试验中与装备承制单位共同分析发生的故障，并对其中关键故障采取切实可行的纠正措施，在承制方落实纠正措施后，在征得用户同意后，对试验发生的所有故障重新进行失效分类，经过数据处理，获得设备可靠性定量值和增长率等参数。
这一整套可靠性补课工作方法，既坚持可靠性工作的严肃性和科学性，又充分考虑国情，充分利用综合环境应力试验的数据，发挥承制、定购、试验三方的积极性，巧妙地把可靠性鉴定试验和可靠性增长试验、可靠性增长试验和可靠性增长管理的工作结合在一起，用最少的资源达到可靠性补课的目标，受到各级管理机关和用户的好评。
5.2可靠性补课工作的主要内容与程序
5.2.1主要工作内容
根据上级主管部门的要求，不同设备的可靠性补课工作的内容有一些差别，但要求测定产品的可靠性定量水平和实现可靠性增长方面是一致的。
可靠性补课工作，无论是从时间上还是从工作程序上，我们都不可能象对新研制产品一样要求按《装备研制与生产的可靠性通用大纲》去操作；而只能从实际出发，按主管机关和订购方的要求，选择主要工作项目，排出每项工作的操作程序，按分工制定各自的工作计划，分头去实施。
5.2.2有关各方的主要工作
a）装备承制方的主要工作
装备承制方的主要工作是：
在五所的指导下，对进行可靠性补课的产品重新开展可靠性预计和可靠性设计评审，进行工艺标准化、元部件的检验筛选，整机“三防”处理，单元和整机的环境应力筛选等工作，切实消除产品的早期失效；进行专用检测仪表的计量、性能参数测试记录表格的准备；试验中负责性能参数的测试，故障的排除。
b）五所的主要工作
五所承担任务的人员的主要工作是：
熟悉可靠性补课产品的战术技术性能，了解其可靠性现状，指导承制方做好产品可靠性鉴定试验的准备工作；根据空军主管机关或用户提供的任务剖面研制试验剖面，编制鉴定试验方案（内容包括：
样品数量、试验剖面、承制方和定购方的风险系数α、β,可靠性置信上限值θ0、下限值θ1，鉴别比d、失效判据、接收相关失效数r、总试验时间、性能参数检测内容等），报军方主管机关和上级主管部门审批，并抄送承制方；做好试验设施的准备，试验中保证综合环境应力符合方案要求等。
c）军方主管机关和工业部主管部门的主要工作
军方主管机关和工业部主管部门的主要工作是：
负责组织向五所提供产品的任务剖面，以便制定试验剖面；在收到五所上报的鉴定试验方案后，及时组织有关专家和参加试验各方进行评审；及时协调各方的工作进度；指派产品军代表参加试验工作；适时拔付经费；补课工作结束组织会议，评审或总结可靠性补课工作。
5.2.3试验程序
在各方都做好准备、试验方案通过评审、各方参加试验人员和产品到达五所之后，组成试验小组，开始可靠性鉴定与增长试验工作。
一般试验程序为：
a）组织参试人员熟悉试验方案和有关规定，明确分工；
b）在实验室常温条件下检测和记录全部试验样品的性能参数；
c）安装试验产品于试验设备之中；
d）一般进行一个循环的试运行，若未发现异常则开始进入正式试验程序；如有异常情况则在排除之后再进入；
e）严格按照规定进行综合应力试验，进行性能测试、记录；
f）当样品发生故障时，待温度循环到常温值时暂停试验和拆卸故障样品，以排除故障；同时安装备用样品，继续试验；
g）故障由承制方和其它各方的参试专家共同分析，如果确认属于设计缺陷时，提出纠正措施，并由承制方负责实施；完成后在后续的试验中验证措施是否有效；
h）在各方都确认纠正措施有效后，便可把该故障模式已被消除的结论记录在案，实现了可靠性增长；否则把该故障判定为相关失效，影响产品可靠性定量水平和接收或拒收的结论；
i）试验结束后，由五所进行试验数据的处理，并出具可靠性增长试验报告和可靠性测定试验报告及总结材料。
j）最后由军方主管机关和上级主管部门组织召开总结会议，请专家和领导对该产品的可靠性补课工作进行评审。
5.2.4制定试验方案
现以某机载雷达为例，五所工程中心参照GJB899和美军标MIL-HDBK-781，征得军方和承制单位的同意，选取了标准型定时截尾试验方案17，具体参数是：
判断风险标称值α=β=20％；
承制方实际风险值α’=17.5%，定购方实际风险值β’=19.7%；
鉴别比ｄ=θ0/θ1=3.0；
试验截尾时间，即总试验时间T=4.3θ1=645小时（定购方与承制方协商确定的可靠性目标值θ1=150小时）；
接收判据：
失效次数r≤2；拒收判据：
失效次数r≥3；
失效判据按雷达技术说明书确定；样品数为3；
试验剖面按上级批准的执行；
根据总试验时间和试验剖面，实际需试验94个循环周期，每周期为7小时（指施加综合应力时间），共658小时。
5.3试验实施情况记录
5.3.1试验中样品发生的失效情况
在试验时间T内，样品共发生了7次失效（见表5-3-1）。
表3-5-1某机载雷达可靠性增长试验失效记录
序
失效
失效
故障
后
失效
修理或
验证
号
时间
应力
状态
果
原因
纠正措施
情况
1
83.6h
+55℃
测速分机
丧失功能
可能是安装
更换新品
未见异常
.008g2/Hz
R9断腿
时损伤
2
132.7h
+10℃
天线K1
丧失功能
设计.8mm
改.5光线为
验证有效
.001g2/Hz
27V断线
实物.5mm
.8mm多股线
验证有效
3
167.7h
+55℃
测速分机
丧失功能
结构设计
改R9引线安
验证有效
.008g2/Hz
R9断腿
丧失功能
缺陷
改结构
验证有效
4
265.9h
+55℃
天线开关
丧失功能
解剖开关
更换新品
未见异常
.008g2/Hz
K1失效
5
293.5
+55℃
干扰分机
丧失功能
原因未详
更换新品
未见异常
.008g2/Hz
6C4断腿
6
384.3
+55℃
测距G1和
丧失功能
结构设计
修改结构
验证时间
.008g2/Hz
G3各断腿
缺陷
设计
不够充分
7
412.3
+55℃
3分机
丧失功能
耐压设计
耐压63V
验证时间
.008g2/Hz
3C8击穿
可能过低
改为160V
不够充分
5.3.2故障分析与纠正
经分析,上述7个故障中可以采取纠正措施消除掉5个：
a）序号1和3的失效属重复失效，在五所试验现场采取措施后，经过其后的试验，充分验证该模式已经消除；
b）序号2的失效模式，在五所试验现场采取措施纠正后，经过其后的试验，充分验证已经消除；
c）序号4和5的失效，未分析出准确的原因，认为是随机性故障，暂时无法采取措施消除，不予增长；
d）序号6的失效模式，现场无法采取措施纠正结构设计，但可在承制单位采取纠正措施予以消除，试验现场只作恢复性修理，未验证；
e）序号7的失效，经分析属降额设计缺陷，电容器电压降额系数选取过小，耐压由设计的63V改为160V后该模式可以消除，采取纠正措施后所余试验时间已不多，验证不充分（由于本试验方案主要为可靠性鉴定设计而不是专门为可靠性增长设计的，因此按定时截尾结束试验）。
以上所有有效的纠正措施都改变了产品的技术状态，使其可靠性获得了增长。
5.3.3可靠性增长数据处理
一般说来，承制方在进行样品准备的环境应力筛选中，已经暴露了一部分设计缺陷，并采取了纠正措施，产品的可靠性已经获得了初步的增长。
但在可靠性鉴定试验阶段，样品要在综合环境应力试验设备上经受模拟任务剖面的考验，仍然会发生新的失效。
我们从实际情况出发，根据可靠性增长的内涵，对试验中发生的失效及时进行分析，凡是确认为设计缺陷的、可以采取纠正措施的失效，都由承制方在五所试验现场落实纠正措施，并在余下的试验时间内验证；在五所试验现场没有条件落实纠正措施的作为跟踪项目由承制方在试验后落实。
因此，试验数据的处理，除了按照可靠性鉴定试验要求处理增长后（对失效从新分类）的MTBF值之外，还在假定失效率为指数分布的前提下，用AMSAA模型进行了可靠性增长的数据处理工作，从研究的角度出发，还采用了定数截尾/定时截尾方法进行产品增长前的MTBF值的求解，以便求解可靠
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