某推進監控裝置可靠性加速試驗方法

孫成，黃泳樟，王超，丁昌鵬，陳中青，錢文

（1.中國船舶集團有限公司第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業電工電子設備環境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

網絡控制技術的發展和應用對船舶自動化領域有著深遠的影響，推進監控裝置是船舶自動化系統的重要組成部分[1,2]，對推進系統實施自動控制、安全保護和監測報警，保障推進系統根據操作人員的指令安全可靠運行，同時通過一體化網絡與其他相關系統進行信息交互。

現代電子設備的MTBF（平均故障間隔時間）指標經常在1 000 h 以上，若采用傳統的基于GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》的可靠性三綜合試驗方法，具有試驗時間長、試驗經費高的特點，無法滿足電子設備發展的要求?？煽啃约铀僭囼灲Y合設備的故障失效模式，通過施加超出正常應力水平的加速環境，從而縮短了試驗時間，降低了試驗成本，提高了試驗驗證效率[3]。

某推進監控裝置是一種典型的水面艦船電子設備，本文針對某推進監控裝置的指標要求和設備特點，開展了可靠性加速試驗方法研究?；跍囟葢铀倌Ｐ?，確定了加速因子、制定了加速試驗剖面，同時針對部分樣品數量不足的情況基于樣品緊縮比進行試驗時間規劃。本文解決了工程應用中的實際問題，為高MTBF 指標的電子設備可靠性指標驗證問題提供了解決思路。

1 可靠性加速試驗總體思路

本文中可靠性加速試驗總體思路主要包括以下五個步驟。

1）故障分析：找出設備的故障模式和故障機理；

2）加速應力：結合設備的主要故障模式，確定加速試驗應力的類型，并根據設備的特點，得到加速應力的極限應力信息；

3）加速模型：按照相應標準，利用加速應力的失效物理加速模型，確定可靠性加速模型；

4）試驗實施：根據前面步驟中的加速應力和加速因子，得到加速應力剖面和試驗時間要求，以此開展加速試驗；

5）結果評估：根據試驗實施的結果和數據對設備進行可靠性評估。

2 可靠性加速試驗方案

本文以某推進監控裝置為例，針對受試樣機特點和指標要求等設計了相應的加速試驗方案。

2.1 統計試驗方案

針對樣機研總中MTBF 最低可接受值≥1 300 h 的要求，試驗選用GJB 899A-2009 中定時截尾統計試驗方案[5]，選用方案號30-1，有效試驗時間為MTBF 最低可接受值的1.2 倍，0 責任故障情況下進行接收判決，否則拒收。按照方案號30-1，本次某推進監控裝置可靠性試驗的總有效試驗時間應不低于1.2′1 300 h ＝1 560 h。

本次提交可靠性試驗的受試樣機為緊縮設備（部分組成設備的受試樣機數量小于裝備數量），覆蓋了裝備的所有實現其功能的物理硬件組成。對于每一組成設備，裝備的數量與參加試驗的樣機數量比值為該組成設備的緊縮比。最大緊縮比為所有設備中緊縮比的最大值。

本次可靠性試驗采取采用基于最大緊縮比的序進結尾統計試驗方案，計算出某推進監控裝置正樣機各組成設備的試驗時間，詳見表1 所示。

表1 各組成設備情況表

針對緊縮比為2 的設備C、設備D，其有效試驗時間應不低于1.2′1 300 h×2 ＝3 120 h；緊縮比為1 的設備A、設備B，其有效試驗時間應不低于1.2′1 300 h ＝1 560 h。

2.2 確定加速應力

設備安裝于水面艦船艙內有溫控環境，其試驗剖面是按照GJB 899A-2009 中的水面艦船設備的艙內有溫控試驗剖面執行。剖面中包含濕度、溫度、電應力和振動四種應力，溫濕度和電應力循環性變化，振動應力在每循環定時施加。對于某推進監控裝置，結合相應實船使用情況，各設備均配備有減震器，振動應力對某推進監控裝置的耗損程度相對較小，溫度應力是造成耗損的主要因素，尤其在擴大溫差和提高溫變速率兩種情況下。根據某推進監控裝置的安裝位置和使用條件，考慮本次試驗對溫度循環進行加嚴達到試驗加速的目的。

圖1 可靠性加速試驗總體流程

2.3 確定加速模型

溫度循環加速模型：按照GB/T 34986-2017《產品加速試驗方法》附錄B，加速試驗剖面為熱循環試驗剖面，因此考慮前三個循環采用正常的試驗剖面，以驗證其經歷低溫貯存和高溫貯存后的功能性能是否正常，其試驗時間計入總有效試驗時間，加速因子為1.0；后續循環則為去掉貯存階段的試驗剖面，這樣實際上的溫度應力是熱循環試驗，溫度循環加速因子的計算方法如下[4]：

式中：

NUse—根據統計試驗方案確定的試驗時間（樣機實際使用情況下）；

NTest—實際加速試驗下的試驗時間（樣機承受加速應力情況下）；

△NUse—溫度變化范圍（樣機實際使用情況下），℃；

△NTest—溫度變化范圍（樣機承受加速應力情況下），℃；

ζUse—溫度變化速率（樣機實際使用情況下），℃/min；

ζTest—溫度變化速率（樣機承受加速應力情況下），℃/min；

mt—取2.5。

實際使用情況下/按照研總規定的工作溫度范圍，某推進監控裝置正常工作在（-10 ～45）℃，溫度變化值為55 ℃，溫變率為0.306 ℃/min。

對原溫變循環加速后的應力為：加速試驗在（-15 ～55）℃，新的溫變率為3.5 ℃/min。

加速因子的計算：

經計算，ATC=4.117。

2.4 試驗剖面和試驗時間

1）試驗剖面

前3 個循環采用了包含冷浸和熱浸的試驗剖面，按照GJB 899A-2009 中的水面艦船設備的艙內有溫控試驗剖面的要求執行，每個循環24 h，冷熱浸循環采用的是常規應力（加速因子為1），如圖2 所示。

圖2 冷浸和熱浸試驗剖面圖

試驗從第4 個循環開始，按照加速試驗剖面進行，如圖3 所示。

圖3 加速試驗剖面

2）試驗時間要求

針對緊縮比為2 的設備，加速試驗時間為（3 120-72）÷4.117=740.4 h，因此總試驗時間應不少于（72 h+740.4 h）812.4 h；針對緊縮比為1 的設備，加速試驗時間為（1 560-72）÷4.117=361.5 h，因此總試驗時間應不少于（72 h+361.5 h）433.5 h。

所有設備在同一個三綜合試驗箱內進行試驗，各組成設備的責任故障統計時間如下：

緊縮比為2 的設備，統計0 h ＜T ≤812.4 h 內的責任故障數；

緊縮比為1 的設備，統計0 h ＜T ≤433.5 h 內的責任故障數，在433.5 h ＜T ≤812.4 h 內，均作為陪試品參加試驗，不統計期間發生的故障。

2.5 試驗結果

緊縮比為2 的設備共進行了816 h 的試驗（前72 h為冷熱浸循環），試驗前后及試驗中的功性能檢測均合格；緊縮比為1 的設備共進行了456 h 的試驗（前72 h 為冷熱浸循環），試驗前后及試驗中的功性能檢測均合格，在（457 ～816）h 期間內隨緊縮比為2 的設備一起進行試驗無故障發生，但是按大綱的規定不計入其有效試驗時間。

經加速因子換算后，緊縮比為1 的設備總有效試驗時間為1 652.928 h，緊縮比為2 的設備總有效試驗時間為3 135.048 h。

綜上，兩者從嚴選取后，某推進監控裝置等效總有效試驗時間為1 567.524 h。

2.6 可靠性評估

某推進監控裝置經加速因子換算后，等效總有效試驗時間為1 567.524 h，責任故障數為0，其可靠性指標MTBF（70 %置信度）的單邊置信下限估計值為1 301.9 h，滿足可靠性指標MTBF 的最低可接受值不低于1 300 h 的要求。

3 結論

本文針對某推進監控裝置的可靠性MTBF指標驗證，研究了可靠性加速試驗方法，確定了加速模型、加速因子、制定了加速試驗剖面，給出了不同緊縮比的受試設備的時間要求。通過本次加速試驗案例可以看出，可靠性加速試驗方法具有縮短試驗周期、降低成本的優勢，綜合考慮進度、費效比的情況下，尤其為高可靠性指標樣品的指標驗證提供了參考。