某推进监控装置可靠性加速试验方法

孙成，黄泳樟，王超，丁昌鹏，陈中青，钱文

（1.中国船舶集团有限公司第七二三研究所，扬州 225001；2.中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心，扬州 225001）

引言

网络控制技术的发展和应用对船舶自动化领域有着深远的影响，推进监控装置是船舶自动化系统的重要组成部分[1,2]，对推进系统实施自动控制、安全保护和监测报警，保障推进系统根据操作人员的指令安全可靠运行，同时通过一体化网络与其他相关系统进行信息交互。

现代电子设备的MTBF（平均故障间隔时间）指标经常在1 000 h 以上，若采用传统的基于GJB 899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》的可靠性三综合试验方法，具有试验时间长、试验经费高的特点，无法满足电子设备发展的要求。可靠性加速试验结合设备的故障失效模式，通过施加超出正常应力水平的加速环境，从而缩短了试验时间，降低了试验成本，提高了试验验证效率[3]。

某推进监控装置是一种典型的水面舰船电子设备，本文针对某推进监控装置的指标要求和设备特点，开展了可靠性加速试验方法研究。基于温度应力加速模型，确定了加速因子、制定了加速试验剖面，同时针对部分样品数量不足的情况基于样品紧缩比进行试验时间规划。本文解决了工程应用中的实际问题，为高MTBF 指标的电子设备可靠性指标验证问题提供了解决思路。

1 可靠性加速试验总体思路

本文中可靠性加速试验总体思路主要包括以下五个步骤。

1）故障分析：找出设备的故障模式和故障机理；

2）加速应力：结合设备的主要故障模式，确定加速试验应力的类型，并根据设备的特点，得到加速应力的极限应力信息；

3）加速模型：按照相应标准，利用加速应力的失效物理加速模型，确定可靠性加速模型；

4）试验实施：根据前面步骤中的加速应力和加速因子，得到加速应力剖面和试验时间要求，以此开展加速试验；

5）结果评估：根据试验实施的结果和数据对设备进行可靠性评估。

2 可靠性加速试验方案

本文以某推进监控装置为例，针对受试样机特点和指标要求等设计了相应的加速试验方案。

2.1 统计试验方案

针对样机研总中MTBF 最低可接受值≥1 300 h 的要求，试验选用GJB 899A-2009 中定时截尾统计试验方案[5]，选用方案号30-1，有效试验时间为MTBF 最低可接受值的1.2 倍，0 责任故障情况下进行接收判决，否则拒收。按照方案号30-1，本次某推进监控装置可靠性试验的总有效试验时间应不低于1.2´1 300 h ＝1 560 h。

本次提交可靠性试验的受试样机为紧缩设备（部分组成设备的受试样机数量小于装备数量），覆盖了装备的所有实现其功能的物理硬件组成。对于每一组成设备，装备的数量与参加试验的样机数量比值为该组成设备的紧缩比。最大紧缩比为所有设备中紧缩比的最大值。

本次可靠性试验采取采用基于最大紧缩比的序进结尾统计试验方案，计算出某推进监控装置正样机各组成设备的试验时间，详见表1 所示。

表1 各组成设备情况表

针对紧缩比为2 的设备C、设备D，其有效试验时间应不低于1.2´1 300 h×2 ＝3 120 h；紧缩比为1 的设备A、设备B，其有效试验时间应不低于1.2´1 300 h ＝1 560 h。

2.2 确定加速应力

设备安装于水面舰船舱内有温控环境，其试验剖面是按照GJB 899A-2009 中的水面舰船设备的舱内有温控试验剖面执行。剖面中包含湿度、温度、电应力和振动四种应力，温湿度和电应力循环性变化，振动应力在每循环定时施加。对于某推进监控装置，结合相应实船使用情况，各设备均配备有减震器，振动应力对某推进监控装置的耗损程度相对较小，温度应力是造成耗损的主要因素，尤其在扩大温差和提高温变速率两种情况下。根据某推进监控装置的安装位置和使用条件，考虑本次试验对温度循环进行加严达到试验加速的目的。

图1 可靠性加速试验总体流程

2.3 确定加速模型

温度循环加速模型：按照GB/T 34986-2017《产品加速试验方法》附录B，加速试验剖面为热循环试验剖面，因此考虑前三个循环采用正常的试验剖面，以验证其经历低温贮存和高温贮存后的功能性能是否正常，其试验时间计入总有效试验时间，加速因子为1.0；后续循环则为去掉贮存阶段的试验剖面，这样实际上的温度应力是热循环试验，温度循环加速因子的计算方法如下[4]：

式中：

NUse—根据统计试验方案确定的试验时间（样机实际使用情况下）；

NTest—实际加速试验下的试验时间（样机承受加速应力情况下）；

△NUse—温度变化范围（样机实际使用情况下），℃；

△NTest—温度变化范围（样机承受加速应力情况下），℃；

ζUse—温度变化速率（样机实际使用情况下），℃/min；

ζTest—温度变化速率（样机承受加速应力情况下），℃/min；

mt—取2.5。

实际使用情况下/按照研总规定的工作温度范围，某推进监控装置正常工作在（-10 ～45）℃，温度变化值为55 ℃，温变率为0.306 ℃/min。

对原温变循环加速后的应力为：加速试验在（-15 ～55）℃，新的温变率为3.5 ℃/min。

加速因子的计算：

经计算，ATC=4.117。

2.4 试验剖面和试验时间

1）试验剖面

前3 个循环采用了包含冷浸和热浸的试验剖面，按照GJB 899A-2009 中的水面舰船设备的舱内有温控试验剖面的要求执行，每个循环24 h，冷热浸循环采用的是常规应力（加速因子为1），如图2 所示。

图2 冷浸和热浸试验剖面图

试验从第4 个循环开始，按照加速试验剖面进行，如图3 所示。

图3 加速试验剖面

2）试验时间要求

针对紧缩比为2 的设备，加速试验时间为（3 120-72）÷4.117=740.4 h，因此总试验时间应不少于（72 h+740.4 h）812.4 h；针对紧缩比为1 的设备，加速试验时间为（1 560-72）÷4.117=361.5 h，因此总试验时间应不少于（72 h+361.5 h）433.5 h。

所有设备在同一个三综合试验箱内进行试验，各组成设备的责任故障统计时间如下：

紧缩比为2 的设备，统计0 h ＜T ≤812.4 h 内的责任故障数；

紧缩比为1 的设备，统计0 h ＜T ≤433.5 h 内的责任故障数，在433.5 h ＜T ≤812.4 h 内，均作为陪试品参加试验，不统计期间发生的故障。

2.5 试验结果

紧缩比为2 的设备共进行了816 h 的试验（前72 h为冷热浸循环），试验前后及试验中的功性能检测均合格；紧缩比为1 的设备共进行了456 h 的试验（前72 h 为冷热浸循环），试验前后及试验中的功性能检测均合格，在（457 ～816）h 期间内随紧缩比为2 的设备一起进行试验无故障发生，但是按大纲的规定不计入其有效试验时间。

经加速因子换算后，紧缩比为1 的设备总有效试验时间为1 652.928 h，紧缩比为2 的设备总有效试验时间为3 135.048 h。

综上，两者从严选取后，某推进监控装置等效总有效试验时间为1 567.524 h。

2.6 可靠性评估

某推进监控装置经加速因子换算后，等效总有效试验时间为1 567.524 h，责任故障数为0，其可靠性指标MTBF（70 %置信度）的单边置信下限估计值为1 301.9 h，满足可靠性指标MTBF 的最低可接受值不低于1 300 h 的要求。

3 结论

本文针对某推进监控装置的可靠性MTBF指标验证，研究了可靠性加速试验方法，确定了加速模型、加速因子、制定了加速试验剖面，给出了不同紧缩比的受试设备的时间要求。通过本次加速试验案例可以看出，可靠性加速试验方法具有缩短试验周期、降低成本的优势，综合考虑进度、费效比的情况下，尤其为高可靠性指标样品的指标验证提供了参考。