军用通信设备的MTBF可靠性验证试验

: 1 军用通信设备MTBF 可靠性验证试验
杨 光
(总参第 63 研究所 8 室, 南京 210016)
摘要：可靠性是军用通信设备的重要性能之一,为了调查、分析、评价军用通信设备的可靠性就必须进行可靠性试验。

本文以国军标GJB367《军用通信设备通用技术条件 可靠性鉴定试验和验收试验方法》和GJB899《可靠性鉴定和验收试验》为依据,介绍了军用通信设备可靠性验证试验的试验方案和试验条件及周期。

在军用通信设备研制与生产中,可靠性验证试验对于保证和提高军用通信设备的可靠性具有重要意义。

关键词：军用通信设备;可靠性验证试验;平均故障间隔时间(MTBF);可靠度(R)
产品的可靠性就是产品的时间质量,即产品经久耐用、安全可靠的程度。

国军标GJB451《可靠性维修性术语》给出了可靠性的定义:“产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。

可靠性的概率度量亦称可靠度。

注:可靠度的一种度量方法为对可修复产品,是在规定的时间内,无故障持续时间区间长度等于或大于规定值的个数与无故障持续时间区间总个数之比。

对不修复产品,是在规定的时间内,能完成规定功能的产品数与投入工作的产品数之比。

”这里有两点需要说明,第一,定义中的三个“规定”①“规定的条件”通常是指产品使用的应力条件、环境条件、贮存条件等;②“规定的时间”通常是指产品需使用的时间或完成任务的时间;③“规定功能”通常是指该产品所具有的功能中的部分或全部。

第二,就“功能”来说,单纯定性的理解是不够科学的,还应对“能力”给出定量的评价。

这就需给出衡量可靠性的度量,可靠性的常用度量有三种——可靠度、平均寿命和失效率。

可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段,它的目的是:①发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷;②为改善产品的完好性、提高任务成功性、减少维修费用及保障费用提供信息;③确认产品是否符合可靠性定量要求。

可靠性试验分为工程试验和统计试验两大类。

工程试验包括环境应力筛选(environmental stress screening,即ESS)和可靠性增长试验(reliability growth test)。

程试验的目的在于暴露产品的缺陷并加以排除(或使其出现率低于容许水平)。

统计试验包括可靠性测定试验(reliability determination test)和可靠性验证试验(reliability compliance test)。

统计试验的目的在于测定或验证产品的可靠性特征值。

可靠性验证试验是为确定产品的可靠性特征值是否符合规定的可靠性要求而进行的试验,分为可靠性鉴定试验(reliability qualification test)和可靠性验收试验(reliability acceptance test)。

可靠性鉴定试验是为确定产品可靠性与设计要求的一致性而进行的试验,以此作为产品能否定型等的依据;可靠性验收试验是为确定产品是否符合规定的可靠性要求而进行的试验,以此作为产品能否交付的依据。

军用通信设备一般包括地面、舰载、机载通信设备和航空导航设备,它在大类上属于电
工电子产品。

军用通信设备是部队作战指挥、保障联络的特殊产品,可靠性是其重要性能之
一。

为了调查、分析和评价军用通信设备的可靠性,就必须进行可靠性试验。

国军标GJB367.《军用通信设备通用技术条件 设计制造要求》中明确指出:“各类通信设备均应根据设备战术技术要求或设备技术条件和本标准的规定进行可靠性设计。

其最后设计和制造应能提供与现行技术水平相适应的最大可能的固有可靠度。

”同时规定:“设备应经可靠性试验并合格。

”
1试验方案
GJB367.3《军用通信设备通用技术条件可靠性鉴定试验和验收试验方法》给出了两类统计试验方案。

第一类试验方案——定时截尾和序贯截尾统计试验方案,共包括五个具体方案:定时截尾方案、高风险率定时截尾方案、序贯截尾方案、高风险率序贯截尾方案、全数可靠性试验方案;第二类试验方案——序贯截尾成功率和定数截尾成功率统计试验方案,共包括两个具体方案:序贯截尾成功率方案和定数截尾成功率方案。

第一类试验方案适应于验证寿命
为指数分布或合理地认为服从指数分布的以平均故障间隔时间MTBF为指标的设备;第二类试验方案适应于验证寿命为指数分布或非指数分布的以可靠度R为指标的设备。

1.1方案类别选择
(1)对于寿命分布为指数分布或合理地认为服从指数分布,以平均故障间隔时间MTBF为指标的设备,一般应优先选择第一类试验方案。

若事先必须知道精确的试验时间和费用,可选用定时截尾方案或高风险率定时截尾方案;若试验时间关系不大,可选用序贯截尾方案或高风险率序贯截尾方案。

进行可靠性鉴定试验时,一般应选用定时截尾方案或高风险率定时截尾
方案,若确有必要选用序贯截尾方案或高风险率序贯截尾方案而又不是选择综合应力时,对应力类型、应力施加程序、合格判决前必须进行的主要应力循环的时间和次数应当事先作出规定。

进行可靠性验收试验时,若事先未规定试验时间,并希望尽早对MTBF作出接收或拒收判决时,可选用序贯截尾方案或高风险率序贯截尾方案。

试验方案类别详见GJB367.3中表1～表6。

(2)在可靠性验收试验中,若要求对每台设备都进行试验和判决时,应选择全数可靠性试
验方案。

(3)对于以可靠度R为指标,以累积成功次数来判断是否符合可靠性要求的设备,可不受
寿命分布的限制,选用序贯截尾成功率方案或定数截尾成功率方案。

对于重复使用、有预防
性维护要求的设备,在两次相继试验之间,可以按GJB367.3中9.4条进行合理的维护;设备允
许连续工作,以某一规定的时间间隔作为试验次数加以累积,对R作出评价。

1.2方案参数选择
(1)样本大小。

受试设备数量应按合同规定,或由承制、订购双方商定。

对于可靠性鉴定
试验,受试设备一般至少为2台,设备不足3台时,允许1台;对于可靠性验收试验,每批的受试
设备至少为3台,推荐的数量为每批的10%,一般不超过20台;全数可靠性试验对全部设备进
行试验。

(2)试验时间。

试验时间按试验目的和要求不同,分为设备通电工作时间与设备承受各种
规定应力时间。

试验过程中的维修时间,转换试验应力的间隔时间,一般不计入试验时间。

每台受试设备的试验时间至少应为所有受试设备平均试验时间的一半。

具体试验时间由不同的试验方案确定。

值得注意的是,这里时间表示寿命单位,即设备使用持续期的度量,可以是小时、次数等。

(3)MTBF检验值的下限值H1(或R检验值的下限值R1)。

MTBF检验值的下限值H1(或R检验值的下限值R1)是不可接受的MTBF(或R)值,当设备MTBF(或R)的真值接近H1(或
R1)时,标准试验方案以高概率拒收设备。

应使H1(或R1)等于设备最低可接受的MTBF(或R)值。

(4)判决风险率(生产方风险率A、使用方风险率B)。

选择判决风险率较小的试验方案通常需要较长的总试验时间,但接收不合格设备及拒收合格设备的概率也小。

在制定试验方案
时应力求使方案实际判决风险率接近指定的风险率并使方案的A、B尽可能接近。

(5)鉴别比dm(或dr)。

鉴别比越大,试验作出判决就越快,必须慎重地选择鉴别比。

例如以MTBF为指标的设备,选择鉴别比dm过大而导致MTBF检验值的上限值H0过大,使设计难以实现。

1.3其它方面
(1)设计试验方案时,可以设计利用环境试验、性能试验等试验数据的试验方案,甚至可以将可靠性验证试验与这些试验综合起来;一般应以设备典型的模拟寿命模型设计试验方案,如果需要,可以利用加速方法设计试验方案,但必须经过订购方同意。

(2)设计试验方案时,应综合考虑下列因素:设备试验目的及战术技术要求;设备成熟程度及预期寿命;经费;设备进度要求及容许试验时间;试验设备情况;判决风险率;鉴别比对MTBF 检验值的上限值(或R检验值的上限值)的影响;类似设备MTBF(或R)的预计值或验证值;费用——时间的权衡。

2试验条件及周期
2.1试验条件选择
可靠性验证试验的试验条件是根据设备的战斗任务说明和环境说明确定的,即试验剖面环境剖面确定。

(1)采用综合应力时,试验条件应能反映受试设备的战斗任务及现场使用环境;采用部分综合应力或单项应力循环施加时,要按比例模拟设备现场使用寿命期内起支配作用的工作条件和环境条件。

受试设备产品标准中规定的最严酷条件,在试验剖面中一般应以一定的时间比出现;除确因加速需要外,各类试验应力的类型和等级都不得选用现场使用不会出现或超过现场使用与产品标准中规定的最严酷条件。

(2)当设备是用于单一或相同类型的战斗任务时,试验条件可以模拟整个战斗任务期间设备所承受的各种主要应力类型、等级及所占的时间比;当设备用于几种不同类型的战斗任务或几种不同的环境条件时,则试验条件应是不同战斗任务或环境条件的综合,其应力类型、等级和持续时间应按设备使用寿命期内预计每一战斗任务或几种环境条件所占的时间比来分配;如设备无固定的战斗任务或使用条件,可选择推荐的试验条件进行试验。

(3)试验条件选择的优先顺序为:
①实测应力。

根据受试设备的安装位置、用途及执行典型战斗任务时所测得的环境应力来确定;
②估计应力。

采取相似战斗任务、相似用途及相似位置的实测环境应力来确定;
③推荐应力。

若订购方没有规定应力的数据,应采用GJB367.3中附录B(补充件)的试验条件。

2.2试验周期选择
GJB367.3规定使用综合应力试验周期,若条件不具备,可以采用机械、气候等各项环境应力与电应力部分综合或单项应力循环施加的方法。

(1)试验周期选择应考虑的问题
①每个试验周期中累计试验时间不得小于各项规定环境应力达到稳定后的持续时间之和。

②大型设备试验周期数一般不少于3个,机载设备一般不少于8个,其余设备一般不少于5个。

(2)试验周期应考虑的应力及因素
①电应力。

应包括设备的通断电循环、规定的工作模式及工作周期、规定的输入标称电压及最大允许偏差。

②振动应力。

应按设备的现场使用类别、安装位置和预期使用情况确定。

至少应考虑以下因素:振动类型(正弦复合或随机);频率范围;振幅;振动施加方式与轴向。

③温度应力。

应真实地模拟设备在使用中经历的实际环境。

至少应考虑以下因素:起始
温度(热浸、冷浸)和接通电源(加热)时间;工作温度(范围、变化速率和变化频率);每次执行战斗任务过程中温度循环次数;冷却气流源(速度及波动)。

④湿度应力。

温度循环期间的湿度应力应能模拟现场使用中可能遇到的冷凝和霜冻现象。

试验期间内湿度不必保持恒定。

(3)单项应力循环施加顺序
如果已知设备实际使用遇到的环境顺序,则应以该顺序作为制定单项应力循环施加顺序
的主要依据。

一般情况下,推荐的单项应力循环施加顺序为:低温贮存→低温工作→高温工作→振动→高温贮存→高温工作→低温工作→振动→湿热。

综合应力试验周期下地面移动设备的典型循环试验示意图见图1。

图1地面移动设备的典型循环试验
注:①每工作1h振动15min。

“A”表示除非另有规定,试验箱温度变化速率为平均5℃ömin。

②温度循环期间可以增加湿
度应力,但试验周期内湿度不必保持恒定。

3结束语
可靠性验证试验的目的是为了验证产品的可靠性,主要不在于暴露产品的可靠性缺陷。

当然,对于可靠性验证试验中暴露出来的可靠性缺陷,承制方有责任找到原因并采取纠正措施。

军用通信设备的可靠性验证试验之前,必须对元器件、零部件及整机进行环境试验(environmental test),即用容许的边缘环境条件考核产品。

环境试验项目可以包括温度、湿度、冲击、振动、沙尘、盐雾、加速度等。

将军用通信设备置于容许的最严酷环境条件下,在相
对不太长的时间内,一般会暴露出一些在较长时间的可靠性验证试验中不易暴露出来的故障
机理,这对于提高军用通信设备的可靠性具有特别意义。