某推進(jìn)監(jiān)控裝置可靠性加速試驗(yàn)方法

孫成，黃泳樟，王超，丁昌鵬，陳中青，錢(qián)文

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所，揚(yáng)州 225001；2.中國(guó)船舶工業(yè)電工電子設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測(cè)中心，揚(yáng)州 225001）

引言

網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對(duì)船舶自動(dòng)化領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)的影響，推進(jìn)監(jiān)控裝置是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分[1,2]，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)控制、安全保護(hù)和監(jiān)測(cè)報(bào)警，保障推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)操作人員的指令安全可靠運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)一體化網(wǎng)絡(luò)與其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

現(xiàn)代電子設(shè)備的MTBF（平均故障間隔時(shí)間）指標(biāo)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(yàn)收試驗(yàn)》的可靠性三綜合試驗(yàn)方法，具有試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)高的特點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足電子設(shè)備發(fā)展的要求?？煽啃约铀僭囼?yàn)結(jié)合設(shè)備的故障失效模式，通過(guò)施加超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間，降低了試驗(yàn)成本，提高了試驗(yàn)驗(yàn)證效率[3]。

某推進(jìn)監(jiān)控裝置是一種典型的水面艦船電子設(shè)備，本文針對(duì)某推進(jìn)監(jiān)控裝置的指標(biāo)要求和設(shè)備特點(diǎn)，開(kāi)展了可靠性加速試驗(yàn)方法研究?；跍囟葢?yīng)力加速模型，確定了加速因子、制定了加速試驗(yàn)剖面，同時(shí)針對(duì)部分樣品數(shù)量不足的情況基于樣品緊縮比進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)間規(guī)劃。本文解決了工程應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題，為高M(jìn)TBF 指標(biāo)的電子設(shè)備可靠性指標(biāo)驗(yàn)證問(wèn)題提供了解決思路。

1 可靠性加速試驗(yàn)總體思路

本文中可靠性加速試驗(yàn)總體思路主要包括以下五個(gè)步驟。

1）故障分析：找出設(shè)備的故障模式和故障機(jī)理；

2）加速應(yīng)力：結(jié)合設(shè)備的主要故障模式，確定加速試驗(yàn)應(yīng)力的類(lèi)型，并根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)，得到加速應(yīng)力的極限應(yīng)力信息；

3）加速模型：按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，利用加速應(yīng)力的失效物理加速模型，確定可靠性加速模型；

4）試驗(yàn)實(shí)施：根據(jù)前面步驟中的加速應(yīng)力和加速因子，得到加速應(yīng)力剖面和試驗(yàn)時(shí)間要求，以此開(kāi)展加速試驗(yàn)；

5）結(jié)果評(píng)估：根據(jù)試驗(yàn)實(shí)施的結(jié)果和數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性評(píng)估。

2 可靠性加速試驗(yàn)方案

本文以某推進(jìn)監(jiān)控裝置為例，針對(duì)受試樣機(jī)特點(diǎn)和指標(biāo)要求等設(shè)計(jì)了相應(yīng)的加速試驗(yàn)方案。

2.1 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案

針對(duì)樣機(jī)研總中MTBF 最低可接受值≥1 300 h 的要求，試驗(yàn)選用GJB 899A-2009 中定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案[5]，選用方案號(hào)30-1，有效試驗(yàn)時(shí)間為MTBF 最低可接受值的1.2 倍，0 責(zé)任故障情況下進(jìn)行接收判決，否則拒收。按照方案號(hào)30-1，本次某推進(jìn)監(jiān)控裝置可靠性試驗(yàn)的總有效試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不低于1.2′1 300 h ＝1 560 h。

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

本次可靠性試驗(yàn)采取采用基于最大緊縮比的序進(jìn)結(jié)尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，計(jì)算出某推進(jìn)監(jiān)控裝置正樣機(jī)各組成設(shè)備的試驗(yàn)時(shí)間，詳見(jiàn)表1 所示。

表1 各組成設(shè)備情況表

針對(duì)緊縮比為2 的設(shè)備C、設(shè)備D，其有效試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不低于1.2′1 300 h×2 ＝3 120 h；緊縮比為1 的設(shè)備A、設(shè)備B，其有效試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不低于1.2′1 300 h ＝1 560 h。

2.2 確定加速應(yīng)力

設(shè)備安裝于水面艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境，其試驗(yàn)剖面是按照GJB 899A-2009 中的水面艦船設(shè)備的艙內(nèi)有溫控試驗(yàn)剖面執(zhí)行。剖面中包含濕度、溫度、電應(yīng)力和振動(dòng)四種應(yīng)力，溫濕度和電應(yīng)力循環(huán)性變化，振動(dòng)應(yīng)力在每循環(huán)定時(shí)施加。對(duì)于某推進(jìn)監(jiān)控裝置，結(jié)合相應(yīng)實(shí)船使用情況，各設(shè)備均配備有減震器，振動(dòng)應(yīng)力對(duì)某推進(jìn)監(jiān)控裝置的耗損程度相對(duì)較小，溫度應(yīng)力是造成耗損的主要因素，尤其在擴(kuò)大溫差和提高溫變速率兩種情況下。根據(jù)某推進(jìn)監(jiān)控裝置的安裝位置和使用條件，考慮本次試驗(yàn)對(duì)溫度循環(huán)進(jìn)行加嚴(yán)達(dá)到試驗(yàn)加速的目的。

圖1 可靠性加速試驗(yàn)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(yàn)方法》附錄B，加速試驗(yàn)剖面為熱循環(huán)試驗(yàn)剖面，因此考慮前三個(gè)循環(huán)采用正常的試驗(yàn)剖面，以驗(yàn)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(yàn)時(shí)間計(jì)入總有效試驗(yàn)時(shí)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(yàn)剖面，這樣實(shí)際上的溫度應(yīng)力是熱循環(huán)試驗(yàn)，溫度循環(huán)加速因子的計(jì)算方法如下[4]：

式中：

NUse—根據(jù)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案確定的試驗(yàn)時(shí)間（樣機(jī)實(shí)際使用情況下）；

NTest—實(shí)際加速試驗(yàn)下的試驗(yàn)時(shí)間（樣機(jī)承受加速應(yīng)力情況下）；

△NUse—溫度變化范圍（樣機(jī)實(shí)際使用情況下），℃；

△NTest—溫度變化范圍（樣機(jī)承受加速應(yīng)力情況下），℃；

ζUse—溫度變化速率（樣機(jī)實(shí)際使用情況下），℃/min；

ζTest—溫度變化速率（樣機(jī)承受加速應(yīng)力情況下），℃/min；

mt—取2.5。

實(shí)際使用情況下/按照研總規(guī)定的工作溫度范圍，某推進(jìn)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(duì)原溫變循環(huán)加速后的應(yīng)力為：加速試驗(yàn)在（-15 ～55）℃，新的溫變率為3.5 ℃/min。

加速因子的計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，ATC=4.117。

2.4 試驗(yàn)剖面和試驗(yàn)時(shí)間

1）試驗(yàn)剖面

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

圖2 冷浸和熱浸試驗(yàn)剖面圖

試驗(yàn)從第4 個(gè)循環(huán)開(kāi)始，按照加速試驗(yàn)剖面進(jìn)行，如圖3 所示。

圖3 加速試驗(yàn)剖面

2）試驗(yàn)時(shí)間要求

針對(duì)緊縮比為2 的設(shè)備，加速試驗(yàn)時(shí)間為（3 120-72）÷4.117=740.4 h，因此總試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不少于（72 h+740.4 h）812.4 h；針對(duì)緊縮比為1 的設(shè)備，加速試驗(yàn)時(shí)間為（1 560-72）÷4.117=361.5 h，因此總試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不少于（72 h+361.5 h）433.5 h。

所有設(shè)備在同一個(gè)三綜合試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，各組成設(shè)備的責(zé)任故障統(tǒng)計(jì)時(shí)間如下：

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

緊縮比為1 的設(shè)備，統(tǒng)計(jì)0 h ＜T ≤433.5 h 內(nèi)的責(zé)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(yàn)，不統(tǒng)計(jì)期間發(fā)生的故障。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

緊縮比為2 的設(shè)備共進(jìn)行了816 h 的試驗(yàn)（前72 h為冷熱浸循環(huán)），試驗(yàn)前后及試驗(yàn)中的功性能檢測(cè)均合格；緊縮比為1 的設(shè)備共進(jìn)行了456 h 的試驗(yàn)（前72 h 為冷熱浸循環(huán)），試驗(yàn)前后及試驗(yàn)中的功性能檢測(cè)均合格，在（457 ～816）h 期間內(nèi)隨緊縮比為2 的設(shè)備一起進(jìn)行試驗(yàn)無(wú)故障發(fā)生，但是按大綱的規(guī)定不計(jì)入其有效試驗(yàn)時(shí)間。

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

綜上，兩者從嚴(yán)選取后，某推進(jìn)監(jiān)控裝置等效總有效試驗(yàn)時(shí)間為1 567.524 h。

2.6 可靠性評(píng)估

某推進(jìn)監(jiān)控裝置經(jīng)加速因子換算后，等效總有效試驗(yàn)時(shí)間為1 567.524 h，責(zé)任故障數(shù)為0，其可靠性指標(biāo)MTBF（70 %置信度）的單邊置信下限估計(jì)值為1 301.9 h，滿(mǎn)足可靠性指標(biāo)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(duì)某推進(jìn)監(jiān)控裝置的可靠性MTBF指標(biāo)驗(yàn)證，研究了可靠性加速試驗(yàn)方法，確定了加速模型、加速因子、制定了加速試驗(yàn)剖面，給出了不同緊縮比的受試設(shè)備的時(shí)間要求。通過(guò)本次加速試驗(yàn)案例可以看出，可靠性加速試驗(yàn)方法具有縮短試驗(yàn)周期、降低成本的優(yōu)勢(shì)，綜合考慮進(jìn)度、費(fèi)效比的情況下，尤其為高可靠性指標(biāo)樣品的指標(biāo)驗(yàn)證提供了參考。