環(huán)境試驗在產(chǎn)品全壽命周期的應用

章新瑞，史偉

（1.中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團公司，北京 100022）

環(huán)境試驗技術(shù)在為軍用和民用客戶研制可靠耐用產(chǎn)品的過程中發(fā)揮了巨大的作用。在國外，環(huán)境試驗的發(fā)展有2條路線：軍事工業(yè)中以MIL-STD-810G為基礎(chǔ)，產(chǎn)品環(huán)境試驗使用的應力越來越真實地模擬實際環(huán)境；民用工業(yè)以HALT，HASS 技術(shù)為基礎(chǔ)，在研制階段能更好更快地提高產(chǎn)品的可靠性和環(huán)境適應性，并縮短產(chǎn)品投放市場的時間，同時仍使用810G來驗證產(chǎn)品的環(huán)境適應性。

在國內(nèi)，部分軍品研制單位對環(huán)境試驗的認識不足，僅因為客戶有要求才按標準做試驗，使得大多數(shù)產(chǎn)品處于“被環(huán)境試驗”的狀態(tài)。我國通信、電子、汽車等民用行業(yè)由于市場競爭充分，廠家十分重視產(chǎn)品的環(huán)境適應性，對環(huán)境試驗的應用提出了高費效要求，進而推動了民用產(chǎn)品環(huán)境試驗的發(fā)展。

文中從分析環(huán)境試驗的內(nèi)涵入手，介紹了環(huán)境試驗在產(chǎn)品全壽命期中的應用特點以及如何正確地使用各種環(huán)境試驗，并分析了某產(chǎn)品應用環(huán)境試驗取得成功的案例。

1 環(huán)境試驗的內(nèi)涵

環(huán)境試驗是將產(chǎn)品暴露在自然的或人工的環(huán)境條件下經(jīng)受其作用[1]，以評價產(chǎn)品在實際使用、運輸和貯存環(huán)境條件下的性能，并分析研究環(huán)境因素的影響程度及其作用機理。可以借用質(zhì)量管理中的過程控制圖（如圖1所示）進一步說明：

圖1 環(huán)境試驗過程Fig.1 Environmental test process

對產(chǎn)品研制單位而言，環(huán)境試驗有兩大作用，如圖2所示：

圖2 環(huán)境試驗的兩大作用Fig.2 Two functions of environmental test

對工程技術(shù)人員而言，環(huán)境試驗的內(nèi)涵如圖3所示：

圖3 環(huán)境試驗的內(nèi)涵Fig.3 Connotation of environmental test

2 環(huán)境試驗在產(chǎn)品全壽命期的應用

為便于分析討論，將產(chǎn)品全壽命期按照方案設(shè)計（F）、研制早期（C）、研制后期（S）、設(shè)計定型（D）和批生產(chǎn)（P）5個階段進行分類。

2.1 方案設(shè)計階段

方案設(shè)計階段主要為后續(xù)階段順利開展環(huán)境試驗進行各種準備和策劃工作，主要包括：

1）充分理解用戶的需要，分析并確定產(chǎn)品壽命期歷程及其環(huán)境；

2）確定對產(chǎn)品影響最大的環(huán)境因素，并提出設(shè)計要求；

3）對產(chǎn)品進行FMEA，初步確定產(chǎn)品可能潛在的故障部位和故障機理；

4）根據(jù)環(huán)境要求、試驗設(shè)備資源和用戶需求初步確定試驗項目；

5）收集類似產(chǎn)品在環(huán)境適應性設(shè)計方面的研制經(jīng)驗和教訓，確定是否存在有用信息可以借鑒以及是否可以簡化試驗項目或不進行試驗；

6）確定進行試驗的資源（人、財、物等），并作計劃進行準備。

2.2 研制階段

本階段分為研制早期和后期，其中早期階段試驗主要在實驗室進行而后期則主要結(jié)合外場使用試驗進行綜合評價。

在早期研制階段，可對C 型樣機開展耐環(huán)境設(shè)計和開展工程研制試驗工作。工程研制試驗應集中于產(chǎn)品經(jīng)常遇到的和預期會對產(chǎn)品產(chǎn)生嚴重影響的環(huán)境，同時可適當開展加速應力試驗。

在后期研制階段，可對S 型樣機進行外場試驗（如首飛前地面安全性試驗、飛行試驗等），在外場試驗同時可對產(chǎn)品經(jīng)受的環(huán)境參數(shù)進行實測，從而綜合評價環(huán)境試驗方案。

研制階段的試驗主要為設(shè)計評價試驗，有2 個目的：1）獲取支持產(chǎn)品研制工作所需的工程信息，并盡量減少產(chǎn)品研制中的風險；2）盡可能快地暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，并予以改進及驗證。此階段有4 種不同的環(huán)境試驗類型，其基本特征為[2]：

1）在加載環(huán)境應力時，產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、熱和其他方面的響應特點；

2）產(chǎn)品的強度極限；

3）產(chǎn)品的材料和生產(chǎn)工藝；

4）最佳試驗項目及方法。

產(chǎn)品的設(shè)計評價試驗，在我國開展的情況較差，隨著對環(huán)境試驗認識的進一步深化，部分單位已開始重視此階段工作，開展此類試驗也越來越主動，這也受益于2001 年頒布實施的環(huán)境工程標準GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》。

2.3 設(shè)計定型階段

設(shè)計定型階段的試驗主要包括設(shè)計驗證試驗，多數(shù)評價性試驗已經(jīng)結(jié)束，設(shè)計驗證試驗的目的是集中驗證產(chǎn)品研制階段的所有決策并獲得其置信度。其基本特征[2]如下：

1）實際產(chǎn)品的環(huán)境鑒定試驗；

2）長周期試驗的結(jié)果與總壽命間的關(guān)系。

設(shè)計驗證試驗在國內(nèi)主要開展的是環(huán)境鑒定試驗，而耐久性試驗開展的相對較少。

2.4 批生產(chǎn)階段

批生產(chǎn)階段的試驗一般稱為生產(chǎn)試驗，指對大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品選取環(huán)境應力進行試驗，從而改進生產(chǎn)工藝，并確保生產(chǎn)工藝處于受控狀態(tài)。這一階段，基于此前進行的設(shè)計評價和驗證試驗，產(chǎn)品設(shè)計的置信度水平已經(jīng)較高。這些試驗一般為環(huán)境應力篩選（ESS）和生產(chǎn)驗收試驗，具備以下4個基本特征[2]：

1）環(huán)境應力篩選技術(shù)；

2）在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中進行環(huán)境例行試驗，保證對生產(chǎn)工藝健壯性的評估具有穩(wěn)定的置信度；

3）以最小的成本，最大可能地發(fā)現(xiàn)各種缺陷；

4）有效地保證由供應商提供的產(chǎn)品各類部件具備持續(xù)穩(wěn)固的特性。

生產(chǎn)試驗在國內(nèi)主要是ESS 和生產(chǎn)驗收試驗（交付驗收和例行試驗），航天、航空、電子等行業(yè)的電子產(chǎn)品出廠必須100%進行ESS。交付驗收試驗也是100%進行的，而例行試驗則在某個批次產(chǎn)品中抽樣進行。

對上述各個階段應用的環(huán)境試驗的特點進行總結(jié)見表1。

3 實施環(huán)境試驗的考慮

3.1 試驗目的

環(huán)境試驗目的隨著產(chǎn)品壽命期階段的不同而不同。研制階段早期的試驗目的，較為重要的是獲取產(chǎn)品研制的工程信息，此階段可以選擇一些特別的項目來識別以前知之甚少的、潛在有害的產(chǎn)品特性。環(huán)境研制試驗成功與否的標志是通過這些試驗最終獲得的有關(guān)產(chǎn)品的新信息有多少。

在產(chǎn)品研制階段，新材料或制造工藝也是環(huán)境試驗的對象。受控的試驗可比較不同材料和工藝過程的優(yōu)劣，為早期設(shè)計提供有價值的決策支持信息。這類信息可以防止在選擇材料或工藝時的不成熟決策，從而避免在更高的產(chǎn)品層次上進行試驗時出現(xiàn)問題。研制試驗可以評估采用不同的產(chǎn)品構(gòu)型的效果，或評估環(huán)境試驗設(shè)備和應力加載方法有效性的最好時機。

3.2 試驗輸出

研發(fā)工程師希望得到詳細的試驗技術(shù)結(jié)果，能夠從中獲取產(chǎn)品信息并進而得出結(jié)論。產(chǎn)品管理人員和其它人員更為關(guān)注試驗結(jié)果的含義。

3.3 試驗實施人員的素質(zhì)

一個好的試驗，不僅取決于試驗的設(shè)計是否恰當，還取決于試驗執(zhí)行的技術(shù)質(zhì)量。試驗實施人員必須了解試驗客戶想從試驗中得到什么以及在實際試驗中如何最大限度地滿足試驗用戶的需要，為此試驗實施人員也必須不斷自我學習和培訓提高，不斷地提高自己的技術(shù)水平。

4 案例分析[3]

某多普勒導航系統(tǒng)為引進英國雷卡公司多普勒導航系統(tǒng)的國產(chǎn)化產(chǎn)品，主要裝備某直升機，1996年完成設(shè)計定型。該產(chǎn)品定型試飛和適應性試飛均為一次通過，開創(chuàng)了研制單位機載產(chǎn)品試飛高質(zhì)量、高速度、一次成功的先例。為在產(chǎn)品研制各個階段應用GJB 150進行了全面的工程研制和鑒定試驗，極大地提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應性和可靠性。其經(jīng)驗見表2。

表1 產(chǎn)品全壽命期的環(huán)境試驗特點Table 1 Feature of environmental test in product full life cycle

從表2 可以看出，該產(chǎn)品研制單位在產(chǎn)品全壽命期主要開展工作有：

1）產(chǎn)品研制管理層高度重視，在研制早期的宣傳教育工作十分成功，使設(shè)計人員不再對環(huán)境試驗有畏難情緒，不再認為試驗是給研制工作找麻煩，而是要將耐環(huán)境設(shè)計融入到研制早期階段；

2）在研制早期制定了2 個規(guī)范性文件，為設(shè)計人員、管理人員和試驗人員開展環(huán)境設(shè)計和試驗工作提供了良好的基礎(chǔ)；

3）在研制階段的產(chǎn)品級環(huán)境試驗沒有充分起到暴露產(chǎn)品缺陷并改進缺陷的作用，這導致鑒定試驗變成了研制試驗，使得鑒定試驗周期拉長到3 a，軍廠雙方對在鑒定試驗中出現(xiàn)問題不放過，把鑒定試驗工作做得扎扎實實。

由此可以知道，在產(chǎn)品全壽命期扎實開展環(huán)境試驗工作對產(chǎn)品的環(huán)境適應性和可靠性的提升是相當有益的。

5 結(jié)語

對環(huán)境試驗在產(chǎn)品全壽命期內(nèi)的應用進行了介紹和總結(jié)，并對有效實施環(huán)境試驗的相關(guān)問題進行了探討，根據(jù)目前的產(chǎn)品環(huán)境試驗現(xiàn)狀，提出以下建議：

1）加強在產(chǎn)品方案設(shè)計時期的試驗基礎(chǔ)準備工作，并做好試驗規(guī)劃與資源的配備；

2）明確試驗目標，試驗的價值在試驗實施前就應該確定；

3）重視試驗技術(shù)文檔工作，并建立產(chǎn)品的相關(guān)信息庫；

4）加強產(chǎn)品研制各部門之間的協(xié)同；

5）加強試驗技術(shù)人員的培訓，并按層次規(guī)劃培養(yǎng)試驗隊伍，如可按照環(huán)境工程專家（試驗規(guī)劃與總體目標制訂）、試驗工程師（試驗設(shè)計、試驗數(shù)據(jù)分析）、試驗實施人員（準確地實施試驗）的3個層次來培養(yǎng)試驗隊伍。

表2 某多普勒導航系統(tǒng)研制單位在產(chǎn)品各研制階段開展環(huán)境試驗工作的經(jīng)驗Table 2 Environmental test experiences in different developing stage from certain Doppler navigation system developing company

[1]GJB 150，軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法[S].

[2]HANK C. 環(huán)境可靠性試驗概述[C]. 美國：美國R&M 年會，1996.

[3]王志忠，范永明，劉漢生. 多普勒導航系統(tǒng)研制中應用GJB 150的成功嘗試[C]//GJB150實施十周年研討會論文集.1997.