机械可靠性试验技术研究现状和展望

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Journal of Mechanical Strength

2007 ,29 (2) :256～263

机械可靠性试验技术研究现状和展望

PRESENT STATE AND PROSPECTS FOR MECHANICAL REL IABIL ITY TESTING TECHNIQUE STUDY
喻天

翔ΞΞ 　 宋笔锋 　　 万方义 　　 冯蕴雯 ( 西北工业大学 航空学院 ,西安 710072)

YU TianXiang 　SON G BiFeng 　 WAN FangY 　FEN G YunWen i

( College of Aeronautics , Northwestern Polytechnical University , Xi′ 710072 , China ) an
摘要 　 相对电子产品可靠性试验而言 ,机械产品可靠性试验理论问题还处于不成熟的阶段 。文中对当前机械可靠 性的特点和争议进行介绍 ,从 Bayesian 理论 、 FMECA (failure mode effects and criticality analysis) 和疲劳可靠性试验等三个方 面总结机械可靠性试验技术相关的重要理论问题及其发展 ,并阐述可靠性增长试验 、 加速试验和微机械可靠性试验技术 的国内外发展 。最后总结机械可靠性试验技术研究存在的问题及其发展趋势 。结论指出 ,只有把宏观上的可靠性统计 、 试验技术等问题与微观的材料失效机理及其老化过程等问题研究联合起来共同解决 ,才会更有助于推进机械可靠性技 术的发展 。 中图分类号 　 TB114. 3 关键词 　 可靠性试验 　 机械系统 　 加速试验 　 疲劳可靠性试验 　 微机械

ing on the problem of mechanical reliability testing , the disputed and difficulties on mechanical testing are pointed out. The key theory about mechanical reliability testing and its development are summarized according to the Bayesian theory , FMECA(failure mode effects and criticality analysis) and fatigue reliability testing. Then the development of mechanical reliability growth testing , accelerated testing ments in future is presented. The conclusion that mechanical reliability problems can be solved by integrating macroscopical research on reliability statistics and testing technique with microcosmic research on failure mechanism and aging process is drawn. Key words 　Reliability testing ; Mechanical system; Accelerated reliability testing ; Fatigue reliability testing ; Micromach2
Corresponding author : YU TianXiang , E2mail : ytx0216 @ . com . cn , Tel :ΠFax : + 86 229 288494056 sina

1　 引言

评价的一种手段 。其目的是发现产品在设计 、 材料和 工艺方面的各种缺陷 ,为改善产品的战备完好性 ,提高 任务成功率 ,减少维修费用及保障费用提供信息 ,确认 是否符合可靠性定量要求 。当设备刚生产出来时 , 在 理想情况下 ,它应该满足合同或任务书对它的可靠性

要求 ,实际情况远非如此 。对于复杂系统来说 ,可靠性 问题是很突出的 。美国一个报告指出 , 大型的电子 —

Ξ 喻天翔 ,男 ,1977 年 1 月生 ,河南省商城县人 ,汉族 。西北工业大学航空学院博士研究生 , 主要研究方向为系统可靠性评估和机械产品可靠性 Ξ
试验方法研究 。通信地址 : 西北工业大学 120 信箱 。

Ξ 20050512 收到初 稿 , 20050714 收 到 修 改 稿 。国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 10402035) 、 军 基 础 技 术 预 研 项 目 ( N3BK0501) 和 航 空 基 金 空
(03B53008) 。

and MEMS( micro2electronic2mechanical system) reliability testing technique are described in detail. At last , the trend of its develop2 ine (No. N3BK0501) and the Aviation Foundation (No. 03B53008) . Manuscript received 20050512 ,in revised form 20040714.

可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、 分析和

? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

The project supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 10402035) ,the Air2Force Basic Technical Project

Abstract 　 Compared with reliability testing of electronics product , the theory of mechanical reliability testing is immature. Focus 2

机械的首台样机 ,初期的平均故障间隔时间 ( mean time between failures ,MTBF) 只有要求的十分之一左右 ,必须 经过一系列的可靠性试验 , 发现及判明存在的缺陷 。 据统计 ,元器件 、 零部件的缺陷 ,工艺缺陷 ,设计缺陷大 体上各占三分之一左右 ,纠正这些缺陷 ,使产品的可靠 性逐步增长到要求的值 , 所花费的可靠性试验时间大 体上是要求 MTBF 的 5 到 25 倍左右 。 可靠性试验可分为工程试验和统计试验两大类 , 工程试验的目的在于暴露产品的可靠性缺陷 , 并采取 纠正措施加以排除 ( 或使其出现率低于许可水平) 。这

Ξ



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种试验由承制方进行 ,以研制样机为受试产品 ,包括环 境应力筛选试验及可靠性增长试验 。环境应力筛选是 施加环境应力到产品 , 以发现和排除不良零件 、 元器 件、 工艺缺陷等潜在缺陷为目的试验方法 。可靠性增 长试验是为了暴露产品的可靠性薄弱环节 , 并证明改 进措施能防止可靠性薄弱环节再现而进行的一系列可 靠性试验方法 。 长期以来 ,随着电子技术的发展和电子产品可靠 性理论的成熟 ,电子产品可靠性的相对稳定 ,电子产品 的可靠性试验技术已经发展的相对成熟 ; 机械可靠性 试验技术则由于存在理论难题而发展相对较慢 。为了 机械可靠性的切实发展 , 美国可靠性分析中心 ( Reli2 ability Analysis Center , RAC) 一直坚持鼓励其组织机构 广泛收集机械产品可靠性数据 。同时美国可靠性分析 中心在提到的关于将来安全相关技术发展备选课题 ( selected topic in assurance related technologies ,START) , 在可靠性领域中把机械可靠性作为三大课题 ( 另外两 个是加速试验和软件可靠性 ) 之一 。机械可靠性试验 技术是机械可靠性技术中一个关键的问题 , 因此被广 泛关注 。

表 《军用电子设备可靠性》 “AGREE ( Advisory group on 的 the reliability of electronic equipment) 报告” 以来 ,可靠性 工程已经发展将近 60 年 ,电子产品可靠性的发展已臻 于成熟 。但是 60 、 年代美国将可靠性技术引入汽 70 车、 发电设备 、 拖拉机 、 发动机等机械产品以后 ,人们不 得不考虑机械产品的复杂性和特殊性 。以现有的电子 产品的模型和试验方法 , 对机械产品的可靠性试验是 否适用 ,一直以来被人们讨论着 。 1977 年 ,美国联合后勤指挥部可靠性 、 有用性和 维修性技术小组 (JLCG RAM) 下属的机械系统可靠性 2 试验小组专门对非电产品的可靠性试验方法进行了调 研 ,以便得出关于非电产品试验技术的共识和技术上 的缺陷 。通过对国防系统和工业界的调查 , 结果表明 现有军标 MIL2STD2781 不完全适合于以耗损故障为主
[2 ]

的非电子设备的可靠性试验等 。上世纪 80 年代 ,美 国罗姆航空研究中心也专门进行了一次非电子设备可 靠性应用情况的调查分析 , 得出类似的结论 。上世纪 [3 ] 90 年代 ,日本日立公司总工程师额田启三 来中国讲 学 ,认为传统的建模方法对机械可靠性是危险的 ,理由

2　 机械可靠性试验的特点

机械可靠性发展缓慢 ,至今仍然处于 “摇篮期”这 , 主要是由于机械产品的特殊性 。因此也导致了机械可 靠性试验有着自己的特点 ,主要表现在下面几个方面 : ( 1) 一般对于机械产品的可靠性试验来说 ,很难得 到较大子样容量 ,并且费资 、 费力 ,备件费用大 ,试验周 期长 。 (2) 机械失效机制的多样性和对 “环境因素” 的依 赖性 ,机械系统中决定机械寿命和性能劣化的因素 ,不 仅与应力因素有关 , 还取决于环境因素 。同时对于机 械产品的外场环境与试验环境相比更为复杂 、 更为恶 劣。 ( 3) 机械可靠性理论难度大 ,大多数电子产品故障 多属随机性 、 寿命服从指数分布 ; 而机械产品的零部件 大多是耗损性失效为主 ,现已颁发的一些可靠性设计 、 试验和分析方法或标准 ,是根据电子产品失效制定的 , 这些方法或标准对机械类产品不完全适宜 。 ( 4) 机械零部件一般都是为特定用途设计 ,通用性 不强 ,不易积累共用数据 。所以缺少数据导致非电产 品的可靠性评估遇到困难 。 ( 5) 由于没有标准的可靠性筛选试验 ,机械产品的 早期故障不能应用像电子产品经过环境应力筛选试验 [1 ] 排除 ,这增加了可靠性增长模型描述的困难 。

是试验不能包括故障机理的实际应力 。机械产品试验 不可以用增加样本数量的办法缩短试验时间 , 而应用 少量样品做长期试验 。机械产品失效的失效概率密度 [4 ] 分布的认知也各有不同 ,Bochi W. J . 曾提出零件的 失效概率密度分布近似服从指数分布 , 并给出几个原 因 ,指出指数分布评估机械产品寿命偏保守 。不过大 [5～7 ] 多数研究表明 , 机械产品类失效概率密度分布服 从对数正态分布和威布尔分布 。

4　 机械可靠性试验的关键技术及其发展
4. 1 　 机械可靠性理论问题

Bayes 理论解决小样本统计问题 —— — 解决机械可

靠性试验的数据处理问题中一个非常重要的问题是解 决小样本数据统计分析与评估方法问题 ,Bayes 理论应 用显的尤为重要 。Bayes 理论的应用在美国争论很多 , 应用上相对比较谨慎 , 例如 1989 年 IEEE ( Institute of Electrical and Electronics Engineers ) 可 靠 性 专 刊 主 编
Evans R. A. 在 4 月号的 “编者的话” , 以 Bayes is for 中 “ ( the Birds”Bayes 没什么意思) 为题列举了一些 Bayes 方

法难以克服的问题 。但是尽管如此 ,Bayes 的应用还是

3　 机械产品试验的争议

得到不少研究人员的青睐 , 人们对这种方法解决小样 本问题仍然给予厚望 。 机械可靠性试验的数据往往基于小子样 , 甚至极 小子样 ,进行可靠性分析评估的时候要借助经验和其 他信息 ,才能给出有效的分析评估 。Bayes 理论方法能 够融合试验信息和其他数据 , 在可靠性试验数据分析 中得到广泛的应用 。在寿命试验中 , 在加速寿命试验


自 1957 年 6 月 ,美国 “电子设备可靠性顾问组” 发

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机 　　 　　 　　 械 强 度

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过程中利用了贝叶斯理论 ,进行参数估计 。Somerville 、 Dietrich 和 Mazzuchi 提出基于 Direchlet 先验分布的贝叶 [8 ] 斯分析在加速寿命试验中的应用 。张志华和茆诗松 给出竞争失效产品加速寿命试验的贝叶斯估计 , 充分 利用产品各 失 效 机 理 在 正 常 应 力 水 平 下 的 先 验 信 [9 ] [10 ] 息 。Pulcini G. 等 应用 Bayes 方法评估大修周期对 可修机械系统的影响 , 并建立一个复杂随机点过程评 [11 ] [12 ] 估模型 ,给出模型推理过程 。Mocko G. M. 等 融合 机械系统的故障模式影响分析 、 失效树分析以及零件 可靠性分析结果等信息 , 构建部件征兆联合概率矩阵 ( component2indication joint probability matrix ,CIJ PM) 作为 先验信息 ,应用 Bayes 理论 , 提出相应的机械系统故障 诊断分析方法 ,并能分析预测全寿命周期中与失效隔 离相关费用 。同时在可靠性增长试验中也得到广泛应
[13 ]

障模式按它的严酷程度予以分类 , 提出可以采用的预 防改进措施 。致命度分析是在 FMEA 的基础上 , 判断 这种故障模式影响的致命程度有多大 , 以全面评价各 种故障模式的影响 , 这是一种非常有效的解决机械产 品可靠性的分析方法 。 目前 , FMEA 方法己普遍应用到机械产品的设计 和制造工艺中 ,成为工程人员必备掌握的技能 。作为 一种公认的有效实用的可靠性分析工具 ,FMECA 方法 被引入美国军标 MIL2STD21629 。在上世纪 90 年代 ,
ISO9000 体系推荐使用设计和过程 FMEA 。FMEA 还是

用 ,Smith 根据 Barlow 、 Proschan & Scheuer 提出的顺序 约束模型 , 首先提出 Baysian 可靠性增长模型 , 应用 Baysian 方法处理二项式可靠性增长的问题 , 假设先验 信息是均匀分布 , 估计系统在研制时期的可靠性 。但 [14 ] 是 Smith 的模型已经表明是不正确的 。周源泉 给出

当今风靡西方工业界的管理理念 —— —“六西格玛” 管理 中不可缺少的环节之一 , 很多大公司不仅自身严格按 “六西格玛” 体系运作 , 而且还要求它们的合作伙伴尤 ( 其供应商提供 “过程 FMEA” process FMEA) 。日本人 将故障模式 、 影响分析 ( FMEA) 等技术引入机械工业的 企业中 ,获得了巨大的成功 。实践证明 FMECA 方法是 提高非电产品可靠性非常重要的手段 。 当前 FMEA 一般有三种类型 , 系统 FMEA 、 设计 FMEA 和过程 FMEA , 它们有相同的结构 , 但是重点不

二项式可靠性增长和指数可靠性增长的贝叶斯方法 , 但是这种模型对数据分类假设缺乏客观性 , 认为故障 经过改进能全部排除 ,这种方法就有冒险性 ,且没有考 虑经过最后一次修正的外场可靠 性 。Wang HuaWei [15 ] 等 提出灵敏的贝叶斯网络方法用于复杂系统的可 靠性增长分析 。Sohn S. Y. 根据获取的产品研制早 期的可靠性和特征数据 , 用贝叶斯理论动态预测产品 研制和保存模型 , 先验分布假设为 beta 分布 , 期望的 可靠度为累积的 Logistic 模型函数 。它将产品的可靠 性分为两个阶段 ,在研制阶段可靠性增加 ,在保存过程
[16 ]

一样 。系统 FMEA 用来分析处于早期设想和设计阶段 的系统及子系统 ,它着重分析因设计造成的系统功能 性的失效模式 ; 设计 FMEA 用来分析部件的设计 ,着重 [20 ] 于分析设计造成的部件功能失效模式 ; 过程 FMEA 用来分析制造和装配工艺过程 , 着重于分析造成生产

中可靠性衰退 ,而这个特性体现在先验分布的 Logistic [17 ,18 ] 模型函数上 。Mazzuchi 和 Soyer 提出先验分布为 Dirichlet 分 布 的 可 靠 性 增 长 的 贝 叶 斯 模 型 , 利 用 Dirichlet 分布的边缘分布和联合分布特性能更好地结 合专家的意见 、 经验和同类产品的试验信息 ,同时还讨 论了可靠性增长管理的问题 ,例如 ,如何在试验前和试 验期间预测研制费用和产品开发周期 , 如何追踪可靠 性增长过程 , 什么时间截止试验等 。Erkanli A 、 Mazzu2 [19 ] chi 和 Soyer 讨论了以 Dirichlet 分布为先验分布的可 靠性增长计算 ,介绍了 MCMC (Markov2Chain Monte Car2 lo ) 在贝叶斯后验分布计算中的应用 。
FMECA —— — FMECA 是机械产品可靠性试验前必

要的分析阶段 ,FMECA 即是故障模式影响与致命度分 析 ,分为 FMEA (failure mode effects analysis) 、 ( critical2 CA ity analysis) 两个阶段 。故障模式影响分析是在产品时 间过程中 ,通过对产品各自单元潜在的各种故障模式 及其对产品功能的影响进行分析 , 并把每一个潜在故

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过程不能达到预期要求的失效模式 。三者之间的相互 关系为 ,设计 FMEA 的失效模式部分来自系统 FMEA , 过程 FMEA 的失效模式部分来自设计 FMEA 原因 。 [21 ] Chiang Alex Chih2Chien 利用自动化的 FMECA 预测机 械可靠性 , 并编制了仿真程序 , 仿真程序包括三个类 提出智能化 FMEA 方法 , 建立失效模 式分析器 、 失效影响分析器和 FMEA 报告生成器三大 部分 ,并开发相应的软件 , 应用于飞机主传动装置系 [23～25 ] 统 。FMECA 技术还在不断的发展 、 完善中 。计算
Tingdi Zhao 等
[22 ]

库 ,机械失效模式库 、 零件失效判据库和仿真算法及支 持技术库 。另外还利用 VDS 软件建立图象化的冲突 检测技术 。利用这种自动化的 FMECA 技术能识别临 界失效零件和失效模式 , 并能利用这些信息更改零件 设计 ,因此能辅助提高机械系统的可靠性 ,给出失效报 告、 系统修正措施和 TAAF ( test analyze and fix) 方法 。

机辅助 FMECA 软件能有效地提高工作效率 , 节省人 力 、 。当前开发出来的 FMECA 分析软件很多 , 美 物力 国 Relex 公司和 Reliasoft 公司较为著名 。FMECA 被应 [26 ] 用于自动实时故障诊断系统技术 ,来自设计 FMECA 的知识库作为推理机嵌入系统 ,用来诊断故障 ,节省全 寿命周期费用 。 疲劳可靠性试验问题 —— — 疲劳失效是机械类产品


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主要失效形式 ,因此疲劳可靠性试验对机械产品来说 是非常重要的 。疲劳是个多学科问题 , 影响机械疲劳 可靠性的因素相对比较多 , 例如工作条件 、 零件状态 、 材料本身等等因素 , 这是至今人们对疲劳问题的认识 尚未很好解决的根本原因 。疲劳问题的研究最初是德 国矿业工程师 W. A. J . Albert 在 1829 年前后完成的 ,他 对用铁制作的矿山升降机链条进行反复加载试验 , 以 效验其可靠性 。1852 年～1869 年期间 ,Wohler 对疲劳 破坏进行了系统研究 , 他发现由钢制作的车轴在循环 载荷作用下 ,其强度大大低于它们的静载强度 ,提出利 用 S —N 曲 线 来 描 述 疲 劳 行 为 的 方 法 。1910 年 , Basquin O. H. 提出描述金属 S —N 曲线的经验规律 , 指出 ,应力与疲劳循环数的双对数图在很大的应力范 围内表现为线性关系 。1945 年 Miner M. A. 提出疲劳 线性累积损伤理论 , 并得到广泛应用 。随着疲劳研究 的发展 ,研究人员不断探索能更好预测结构和机械疲 [27 ,28 ] 劳寿命的分析方法 。疲劳寿命的失效是一个潜在 的过程 ,达到一定临界就必然引起失效 ,从外界难以察 觉 。因此针对结构和机械的疲劳裂纹扩展 , 对疲劳裂 纹的无损监测技术也在迅速发展 。Tsyfansky S. L. 、 2 Be [29 ] resnevich V. I. 研究了含裂纹的飞机机翼在外界激励 时的振动仿真 ,发现由于裂纹的非线性影响 ,系统响应 表现出高频谐振状态 ,根据这些高频谐振状态的特性 , 发展了一种新的裂纹检测方法 。Chinnam 、 Ratna Ba2
bu

断暴露出来各种缺陷 ,而经过分析和改进之后 ,产品的 可靠性能不断提高 , 这就是可靠性增长试验 。一直以 来可靠性增长试验是电子类产品的专利 , 为提高机械 产品的可靠性 ,可靠性增长也逐渐应用在机械产品上 。 Rabon L. M. 对军用工程建筑机械设备 FAMECE (family of military engineer construction equipment) 进行了可靠性 [31 ] 增长分析 ,试验数据来源 3 个试验阶段 ,PQT2C (pro2 duction qualification test at the contractor’ plant ) 、 2G s PQT (production qualification test by the government ) 和 OT2 Ⅱ (operational test Ⅱ ,通过分析表明 ,这些数据不适合进 ) 行可靠性增长分析 ,经过数据处理分析 ,改进后的数据 符合增长模型 。这个研究表明 , 在任何试验前必须有 一个严格 、 仔细的可靠性增长计划 ,在所有试验阶段中 需要 经 历 试 验 — 析 — 正 的 过 程 。Sineanth R. 分 修
[32 ]

程结构 ,必须通过试验确定整个产品的最终寿命 ,如飞 机的全机疲劳试验 。而试验分析法 , 是依据材料疲劳 性能 ,对照结构所受的载荷历程 , 按分析模型 ( 疲劳累 积损伤法则) 确定机械的疲劳寿命 。 4. 2 　 可靠性增长试验 产品的研制初期 , 必须经过反复试验 — 改进 — 再 ( text ,fix ,test ,TFT) 的过程 , 在这个过程中 , 产品不 试验

提出了有效的老化征兆预测模型 ,把零件失效精 确地定义在老化预兆空间 ,然后进行可靠性预测 ,并给 出切削工具的可靠性在线预测和疲劳裂纹增长的可靠 性预测 。早在上世纪 80 年代日本就大力发展装在产 品内的诊断装置技术 ( bite2built2in test equipment ) ,这种

[30 ]

技术可以监控机械或结构的健康状况 , 可以隔离 90 % 的失效 。同时 ,一直以来人们对用健康监控系统来解 决疲劳裂纹扩展问题给予厚望 。 确定机械疲劳寿命的方法主要有两类 , 试验法和 试验分析法 。试验法确定疲劳寿命完全依靠试验 , 是 最传统的方法 ,它直接通过与实际情况相同或是相似 的试验来获取所需要的疲劳数据 。这种方法虽然可 靠 ,但是在设计阶段或复杂机械等情况下 ,无论从人力 还是物力 , 还是从试验周期上来讲 , 它都是不大可行 的 ; 但是对于疲劳寿命有明确要求和复杂的机械与工

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阐述了机械系统的可靠性增长试验计划 ,例如任 务剖面的分析 、 成功Π 失效的选择标准和失效分类等 等 ,讨论了发现早期失效的边际成功分析技术 ( margin2 ality of success analyses) 、 失效分析和闭环的失效报告 , [33 ] 并用 Duane 模型评估可靠性增长过程 。Shewfelt 等
M.

增长技术也在发展过程中 。Shor 和 Donald L. Wietzk2 [35 ] e 应用加速可靠性增长计划提高电厂的运行可靠 [36 ] 性 。Thinniah G. 和 Robert P. S. 提出 122step six2sigma 过程实现产品设计阶段的加速可靠性增长问题 。国内 [37～41 ] 周源泉 研究了加速可靠性增长问题 ,根据加速寿 长试验 ,由于变样本 、 多重失效机理叠加 , 因此关于加 速可靠性增长问题还有待深入研究 。 4. 3 　 加速试验( 强化试验) 当今 ,许多产品 ( 特别机械产品 ) 都能在极端严酷 的环境应力下无故障地运转上千小时 , 为了暴露设计 缺陷或者验证预计的寿命 , 传统的试验方法已经不再 胜任 。以往 , 传统的可靠性试验 ( 包括环境应力筛选


命试验的加速因子指出不同应力水平下 , 加速可靠性 增长产品有相同的失效机理 , 同时根据失效机理不变 原理推导出不同可靠性增长模型对应的加速因子 。 MIL2HDBK 189 对加速可靠性数据利用 K ( K2factor ) 因 2 子方法进行处理后进行评估 。然而对于加速可靠性增

提出一种对复杂机械系统 —— — 飞机环境控制系统的加 速可靠性增长试验 ,应用 Miner2Palmgren 损伤理论增加 试验应力水平 , 实现缩短试验周期 。张学富和陈兆 [34 ] 能 对溢流阀进行可靠性增长试验 , 使其寿命提高 3 倍 ,但是没有用可靠性增长模型来评估 ,只对改进前后 产品做两次寿命评估 。机械可靠性增长试验是提高其 可靠性的一个重要途径 , 但是由于机械产品以损耗性 失效为主 、 寿命长的特性 ,所以常规模拟环境的可靠性 增长试验方法已不能满足需要 。对机械类产品应用加 速应力情况下的增长试验是合理的 , 目前加速可靠性

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机 　　 　　 　　 械 强 度

2007 年 　

( environmental stress screening ,ESS) 、 可靠性增长试验和 ) 大多是在模拟环境下进行的试验 。 可靠性鉴定试验等

一般都有以下几个缺点 , ① 试验周期长 ,例如可靠性增 长试验选用模拟现场实际的综合环境条件进行 , G JB 1407 — 《可靠性增长试验》 92 规定可靠性增长的总试验 时间一般为 ( 5 ～ 25 ) MTBF 。 ② 试验费用昂贵 , 需要大 量的人力物力 。 ③ 后期维修费用高 , 研制产品时通常 把技术条件规定的应力极限值作为鉴定或考核产品的 条件 。即使产品已顺利通过设计阶段的鉴定试验和生 产阶段的验收试验 ,残留的潜在缺陷仍然很多 ,因此大 量产品使用时可靠性差 、 平均故障间隔时间 ( MTBF) 短、 外场返修频繁 ,导致担保费用 、 维修费用居高不下 , 用户或客户不满意 , 严重影响研制部门和制造厂商的 信誉 。当今 ,价格和研制周期已成为市场激烈竞争的 焦点 ,对于一个生产厂家来说 ,提高产品研发效率和可 靠性 ,无疑会提高其竞争能力 。因此 ,人们开始研究先 进、 、 快速 经济有效的试验方法与技术 。 加速寿命试验技术 ( 用高应力水平例如温度 、 高电 压、 、 、 压强 腐蚀 振动幅度 、 超负载 ) 通过物理原因统计 模型外推获得正常应力水平下的产品寿命 。加速寿命 试验按照功能可以分为 , 定性的加速可靠性试验和定 量的加速试验 。定性的可靠性增长试验仅仅得到的是 失效信息 ( 失效模式) , 通过暴露可能失效模式而增加 可靠性 ,不能解决产品的可靠度多大 、 有些失效模式在 实际中可能不可能出现的问题 。定量的可靠性加速寿 命试验为设计提供产品或是系统的可靠性信息 , 例如 失效间隔时间 。最常用的定量加速寿命试验是连续使 用加速 ( 这种方法不能用于高使用率的产品 ) , 对于高 使用率的产品要提高应力 ,以增加失效的出现 ,即是过 应力加速 ,这里涉及到试验应力的选择问题 ; 选择试验 应力能够加速失效模式的出现 ( 在预想的情况下 ) , 并 且不能产生实际使用情况不可能出现的失效模式 ( 应 力足够高 ,能够在许用的试验时间内观察到足够的失 效) 。如何描述应力水平和寿命特征值的关系 ,如何用 在加速试验中得到的度量来推断正常使用条件下的性 能 ,这就是加速寿命模型 。加速寿命模型有三个基本 的假设 ,寿命分布同族假设 、 失效机理一致性假设和 Nelson 假设 。常见的几种加速寿命模型有 , 逆幂率定 律模型 ( inverse power law) 、 阿列纽斯加速模型 ( Arrhe2 nius acceleration model ) 、 迈因纳法则 (Miner’ rule ) 、 2 s Ey
ring 模型和 Cox’ 模型 。当前国内外的加速寿命研究 s

优化分析 ,直接实现优化目标 。在试验优化技术的发 展基础上 ,加速寿命试验最优设计研究引起人们的关 注 ,Park J . W. 、 B. J . 、 Yun Lixia Jiao 等在加速寿命试验 的优化设计问题上展开了相关研究工作 。对于 验后的试验数据的统计分析 , 国内外相关研究相对非 常多 ,包括参数估计 、 寿命计算和拟合检验等等 。 [46 ] 在国外 提出了新的可靠性试验方法即是高加 速寿命试验 ( high accelerating life testing , HALT) 和高加 速应力筛选 ( high accelerating stress screening , HASS) ,它 们都是由美国 Hobbs 工程公司的 Gregg K Hobbs 博士研 究并于 1988 年在讲授 “筛选技术” 课程时提出来的 。 从上世纪 90 年代开始 HALT 和 HASS 获得推广应用 。 与传统的可靠性试验不同 , HALT 试验的目的是激发 故障 ,即把产品潜在的缺陷激发成可观察的故障 。因 此 ,它不是采用一般模拟实际使用环境进行的试验 ,而 是人为施加步进应力 , 在远大于技术条件规定的极限 应力下快速进行试验 , 找出产品的工作极限甚至最终 达到的损坏极限 。然后 , 根据 HALT 确定的极限来制 订 HASS 方案 ,通过 HASS 剔除生产制造缺陷 , 使产品 快速达到高可靠性 。美国 QualMark 加速可靠性试验 中心 HALTΠ HASS 研究报告表明 , HALT 实质上是产品 的设计加固过程 ,在加速把产品潜在的故障以失效形 式暴露出来 ,然后对所有失效进行基本原因失效分析 , 接着对产品改进以消除这些失效 , 这样增加了产品与 必须在一定的平台或者环境内进行 , 目前加速试验设 备在国外已经进入使用阶段 。 John Hanse 最先研制成 功强化试验设备 ,其采用汽锤反复冲击式激振和液氮 制冷方式 ,可产生宽带全轴随机振动激励 ,并具有大范 围温度变化试验能力 , 但是只能控制激振信号均方根 值 ,不能控制振动谱形 。对此不足 ,1999 年 Entela 公司 推出 新 型 强 化 试 验 设 备 FMVT machine 技 术 ( failure mode verification testing ,FMVT) ,其全轴振动是可重复及 可控的 。此外 ,美国 Envirotronics 公司 、 意大利 Angelan2 toni 公司和英国 Cape Engineer 等公司也具有生产加速 强化试验设备的能力 。到目前为止 , 国内关于加速试 验设备方面的研究相对薄弱 。 4. 4 　 MEMS 可靠性试验 目前微机械和微机电系统 ( micro2electro2mechanical system ,MEMS) 的开发和应用如火如荼 。微电子机械系

[42～45 ]

使用环境之间的容限 ,增加了产品的可靠性 。HASS 用 于快速检测因生产过程引入的失效 、 产品的薄弱环境 及 HALT 中没有发现的失效 , 这个过程确保产品在 HALT 中获得的高可靠性得以保持 。 加速试验技术离不开相关设备的支持 , 加速试验

主要在两个方面 ,试验前的优化设计和验后的统计分 析 。试验优化设计是在最优化思想的指导下 , 通过广 义试验 ( 包括实物试验和非实物试验) 进行最优设计的 一种优化方法 ,它从不同优良性出发 ,合理设计试验方 案 ,有效控制试验干扰 , 科学处理试验数据 , 全面进行

统 ,是指尺寸在毫米到微米范围之间 ,区别于传统的大 于 1 cm 尺度的机械 , 但并未进入物理上的微观层次 。

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微机械通常基于 ( 但不限于) 硅微加工技术制造 , 与微 电子芯片类似 ,可大批量 、 低成本生产 , 使性价比比传 统的机械制造技术大幅度提高 。微机械中的机械不限 于狭义的机械力学中的机械 , 它代表一切具有能力转 换、 传输等功能的效应 , 其中包括力 、 、 、 、 , 乃 热 声 光 磁 至化学 、 生物等 ; 微机械系统的目标使微机械与 IC ( in2 tegrated circuit) 集成的微系统 —— — 具有智能的微系统 。 MEMS 技术表现为多学科前沿高度综合 、 交叉和渗透 , 应用领域非常广泛 ,目前 ,仅汽车电子 MEMS 的市场销 售额就达到 241 亿美元 。 正是随着微电子机械系统技术的兴起和发展 , MEMS 器件大量应用于国防和民用产品中 , 采用这些 新型的微型产品要求高的可靠性 , 然而目前看到的实 际情况是这些新产品的可靠性较低 。许多这样的新产 件的可靠性进行全面 、 系统的分析研究 , 美国 Sandian 国家实验室以物理学为基础 , 自行研制了一套 MEMS [47 ] 器件可靠性测试系统 , 一次可以试验 256 个 MEMS 器件 , 并能发现失效的原因 、 失效时间及位置 。MEMS 器件可靠试验相关研究主要在两个方面 , 一是试验方 法研究 ,由于微机械力学特性不能用常规方法测试 ,试 样非常微小 ,安装困难 , 受外界影响大 , 应变的测试极 为困难 ; 二是失效机理的研究 , 与宏观机械相比 , 微机 械呈现一些新的特点 ,如表面粘附 ,摩擦和静电对可靠 [48 ] 性的影响 。目前关于 MEMS 器件的可靠性相关研 究在国外相当热门
[49～51 ]

理模型 ,应用失效机理的物理参数作为预计参数 ,为机 械产品可靠性的预计指出了研究方向 。 3) 机械产品可靠性试验是小样本 , 有时候甚至是 零失效 ,因此利用其老化数据的获取对小样本或无失 效数据的可靠性评估方法的研究也是一个重要的发展 方向 。 4) 机械产品和电子产品不同 , 有着更为复杂的环 境应力 ,因此环境应力对机械系统材料老化 、 损耗过程 的影响和机械材料失效机理与环境应力的关系研究也 是非常重要的问题 。 5) 加速可靠性增长目前还没有具体 、 权威的解决 模型 ,对于机械类产品 ,应用高应力进行加速可靠性增 长试验是非常有必要的 。但是加速可靠性增长的失效 数据 ,具有变母体 、 变环境特点 , 因此如何确定其加速 增长模型也是一个很迫切的问题 。 6) 美国可靠性分析中心 ( RAC) 一直坚持鼓励其组 织机构广泛收集机械产品可靠性数据 。在美国已经建 立了三大机械产品可靠性数据库 NPRD291 ( Nonelec2 tronic Parts Reliability Data 1991 ) , RADC Nonelectronic 可靠性统计 、 试验技术等问题和微观上材料的失效机 理及其老化过程等问题研究联合起来 、 共同解决 ,才会 更有助于推进机械可靠性技术的发展 。
参考文献 ( References)
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品没有提供希望的或预期的可靠性 。和大型机械系统 对比 ,微机械和微机电系统的失效机理涉及到力 、 、 热 声、 、 光 磁等多个方面 , 更为复杂 。而且 MEMS 技术正 处于快速发展阶段 ,人们对其失效机理知之甚少 ,因此 微机械的可靠性试验就非常重要了 。为了对 MEMS 器

国内还没有如此系统的机械产品的可靠性数据体系 。 7) 微型零件在医学领域 、 汽车行业 、 空间开发 、 飞 机工业等领域的应用日见广泛 。微型机械的失效机理 和宏观的失效机理有很大变化 , 因此微型机械的可靠 性问题也是非电产品可靠性未来发展的一个焦点问 题。 综上表明 ,机械可靠性试验技术问题的解决还存 在大量具有挑战性的问题需要研究 , 只有把宏观上的

,国内这方面研究相对较少 。

5　 结束语

正是因为非电产品失效有疲劳、 老化 、 磨损 、 腐蚀 等以耗损性故障为主的特点 ,并且试验周期长 、 花费巨

大且小子样 。因此在目前机械的可靠性试验技术中存 在以下问题需要研究 。 1) 机械产品的可靠性试验有着自己的特色 , 目前 的可靠性标准 、 规范主要是针对电子产品而言的试验 规范和试验程序 ,没有一个完善的针对机械产品的可

实施的可靠性试验方案 。 2) 机械可靠性产品的预计问题 , 目前在可靠性预 计技术上 , 对电子产品来说有一系列方法 , 其中包括 G JBZ 299B — 、 — 98 MIL HDBK — 217 和美国可靠性公司 近些年提出的 PRISM 软件方法等等 。但是对于机械 产品的可靠性预计方法还处于静态预测 , 不能考虑衡 量其磨损老化过程 , 目前国外提出的可靠性概率 — 物

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  本文关键词：机械可靠性试验技术研究现状和展望，由笔耕文化传播整理发布。