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隨著科技進(jìn)步、國(guó)內(nèi)外可靠性工程技術(shù)水平的不斷提高以及用戶對(duì)產(chǎn)品的可靠性要求越來(lái)越高，出現(xiàn)了越來(lái)越多高可靠性、長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品，如高可靠性的航空航天、兵器、軌道交通、高端裝備等，其使用壽命或貯存壽命比較長(zhǎng)，要獲得此類產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)，用傳統(tǒng)的基于概率統(tǒng)計(jì)理論的可靠性試驗(yàn)對(duì)其可靠性/壽命進(jìn)行評(píng)估，通常需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間或較大的試驗(yàn)樣本，傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法因時(shí)間長(zhǎng)、成本大，操作性往往不強(qiáng)，在工程上難以滿足其進(jìn)度和成本要求。
為縮短試驗(yàn)周期，減少試驗(yàn)費(fèi)用，人們迫切需要在較短時(shí)間內(nèi)獲得產(chǎn)品的可靠性/壽命信息，因此，產(chǎn)品的加速試驗(yàn)方法就此應(yīng)運(yùn)而生。
1、采用加大應(yīng)力的方法促使產(chǎn)品在短期內(nèi)達(dá)到相同的失效效果，以預(yù)測(cè)其在正常工作條件或儲(chǔ)存條件下的可靠性/壽命；
2、通過(guò)加大應(yīng)力，快速找出產(chǎn)品潛在的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，提供產(chǎn)品的可靠性/壽命信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性提高/壽命延長(zhǎng)。
任何類型的加速試驗(yàn)都基于加速損傷理論。產(chǎn)品在其壽命周期內(nèi)所經(jīng)歷的應(yīng)力可對(duì)其造成漸進(jìn)的累積損傷。這種損傷有時(shí)可能造成產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)失效，有時(shí)則不會(huì)。
任何類型的加速試驗(yàn)方法都是通過(guò)增加試驗(yàn)應(yīng)力的方式，使其對(duì)產(chǎn)品造成損傷，該損傷應(yīng)與產(chǎn)品壽命期內(nèi)預(yù)期應(yīng)力造成的累積損傷等效。
下圖1描述了定性與定量加速試驗(yàn)的累積損傷原理，為方便起見(jiàn)，所有的應(yīng)力(工作應(yīng)力極限、破壞應(yīng)力極限等)都用絕對(duì)值表示。
圖1 累積損傷、退化的概率密度函數(shù)及試驗(yàn)類型
基于累積損傷模型，試驗(yàn)中獲取的相關(guān)信息以及產(chǎn)品的使用狀態(tài)假設(shè),加速試驗(yàn)方法被分成三種類型：
A類(定性加速試驗(yàn))：用于發(fā)現(xiàn)故障模式和(或)故障現(xiàn)象；
B類(定量加速試驗(yàn))：用于預(yù)計(jì)產(chǎn)品正常使用時(shí)的失效分布；
C類(定量時(shí)間和事件壓縮試驗(yàn))：用于預(yù)計(jì)產(chǎn)品正常使用時(shí)的失效分布。
注：其中B類和C類加速試驗(yàn)方法可以使試驗(yàn)時(shí)間縮短。B類加速試驗(yàn)需基于某一特定的失效機(jī)理,通常情況下，可應(yīng)用于產(chǎn)品的壽命加速。針對(duì)C類加速試驗(yàn)方法需要在試驗(yàn)前對(duì)其使用方式進(jìn)行研究并對(duì)其具體的使用條件進(jìn)行假設(shè)，可應(yīng)用于失效率加速。
A類加速試驗(yàn)實(shí)際上最典型的就是可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（即常說(shuō)的HALT/HASS試驗(yàn)）。本文限于篇幅，將重點(diǎn)對(duì)B類和C類定量加速試驗(yàn)方法進(jìn)行闡述。
B類定量加速試驗(yàn)是使用應(yīng)力累積損傷方法確定產(chǎn)品預(yù)期壽命期的可靠性水平。產(chǎn)品預(yù)期損傷值與其使用時(shí)要求值之間的必要裕度決定了產(chǎn)品的可靠性水平。該類定量加速試驗(yàn)在比產(chǎn)品預(yù)期壽命短得多的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的累積損傷。
B類加速試驗(yàn)使用基于具體失效機(jī)理(失效模式)確定的定量加速因子，該加速因子確定了產(chǎn)品在特定試驗(yàn)應(yīng)力與其使用環(huán)境應(yīng)力下所能經(jīng)受的時(shí)間之間的關(guān)系。產(chǎn)品的失效或失效模式分布是通過(guò)收集各項(xiàng)加速試驗(yàn)的信息確定的。該試驗(yàn)信息為建立產(chǎn)品的使用壽命模型提供依據(jù)，可用于量化各種可靠性指標(biāo)的加速性。
在這種方式下，可通過(guò)在任何預(yù)期的應(yīng)力水平下評(píng)估單個(gè)失效模式發(fā)生的概率或可靠度來(lái)評(píng)估整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。如果需要使用其他試驗(yàn)類型(比如可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，可靠性驗(yàn)證試驗(yàn))來(lái)分析數(shù)據(jù)時(shí)，已確定的加速因子可以用于重新計(jì)算加速試驗(yàn)中的失效次數(shù)以便表征產(chǎn)品在使用環(huán)境條件下的失效次數(shù),并用于計(jì)算其可靠性。
從該類定量加速試驗(yàn)中獲取信息的另一種方式是在特定的環(huán)境條件和失效模式下開(kāi)展試驗(yàn)直至受試樣品發(fā)生失效。這種方式可以確定合理的產(chǎn)品失效分布及合適的加速因子，可用于計(jì)算特定失效模式發(fā)生的概率。B類試驗(yàn)的應(yīng)力水平比產(chǎn)品使用時(shí)要求的應(yīng)力水平高，但低于加速極限試驗(yàn)所施加的應(yīng)力水平，如圖1所示。這個(gè)試驗(yàn)應(yīng)力水平可以處于設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力極限與破壞應(yīng)力極限之間。該類試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，以期引起的累積損傷比產(chǎn)品在壽命期內(nèi)經(jīng)受的預(yù)期應(yīng)力而引起的累積損傷大并確保有一定的裕度。這個(gè)裕度可以用來(lái)確定產(chǎn)品在時(shí)間(tL)內(nèi)的可靠度R(tL)。
可以通過(guò)提高比特定使用應(yīng)力(工作應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力)高的試驗(yàn)應(yīng)力來(lái)縮短試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)應(yīng)力水平產(chǎn)生了與產(chǎn)品預(yù)期壽命期內(nèi)等同的累積損傷效應(yīng),但是可以很顯著地縮短試驗(yàn)周期。
4.2 C類定量加速試驗(yàn)方法概述
C類試驗(yàn)主要用于評(píng)估以耗損型為主要故障模式的部組件的壽命時(shí)間,比如開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)、繼電器,連接器或軸承等。
C類時(shí)間壓縮試驗(yàn)通常也用于確定：
a）系統(tǒng)集成問(wèn)題(如軟件與硬件集成或交互作用)；
b）特定工作狀態(tài)下的失效模式，如任何機(jī)械或電氣周期性動(dòng)作歷程的工作循環(huán)；
c）應(yīng)力范圍寬的特定環(huán)境條件下的失效模式，但需要確定一個(gè)閾值，目的是為了使產(chǎn)品經(jīng)受低于閾值的應(yīng)力以免對(duì)其造成顯著的損傷。
對(duì)于時(shí)間壓縮或事件壓縮試驗(yàn)而言，應(yīng)力水平的增加是通過(guò)延長(zhǎng)應(yīng)力施加的持續(xù)時(shí)間或頻次而不是增加其應(yīng)力量值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
定量加速試驗(yàn)，主要是通過(guò)加大試驗(yàn)量級(jí)，短時(shí)間內(nèi)使產(chǎn)品達(dá)到累積損傷，以評(píng)估產(chǎn)品實(shí)際使用條件下的壽命分布。
通過(guò)在加速應(yīng)力條件下獲得的壽命數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，獲得加速因子并外推得到預(yù)期工作環(huán)境條件下的壽命，要進(jìn)行這樣的數(shù)據(jù)處理，需要根據(jù)產(chǎn)品的使用工況（單應(yīng)力或多應(yīng)力）建立相應(yīng)的加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，例如溫度模型、溫濕度模型、振?dòng)模型、快速溫變模型、溫濕度-振動(dòng)模型、高溫-振動(dòng)模型、電應(yīng)力模型等，見(jiàn)如下示例模型：
溫濕度加速Peck模型見(jiàn)式
溫度循環(huán)加速W-E模型見(jiàn)式
振動(dòng)/電應(yīng)力加速逆冪模型見(jiàn)式
溫濕度-振動(dòng)綜合應(yīng)力加速模型見(jiàn)式
六、定量加速試驗(yàn)案例說(shuō)明
本案例通過(guò)將B類和C類定量加速試驗(yàn)結(jié)合，來(lái)驗(yàn)證某型產(chǎn)品的10年使用期限。
①某型產(chǎn)品使用頻次分析
某型產(chǎn)品年工作時(shí)間為250天，每天使用次數(shù)為6次，則每年使用次數(shù)為1500次。每次使用約0.5小時(shí)，每天3小時(shí)通電工作、2小時(shí)為通電待機(jī)，每天通電時(shí)間共計(jì)5小時(shí)。每年通電工作時(shí)間為3*250=750（小時(shí)）、通電待機(jī)時(shí)間為2*250=500（小時(shí)），非通電時(shí)間為8760-750-500=7510（小時(shí)）。
②10年使用期限加速試驗(yàn)驗(yàn)證
考慮到該型產(chǎn)品外觀尺寸并不大（900mm*600mm*1100mm），組成結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可根據(jù)《有源醫(yī)療器械使用期限注冊(cè)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》“評(píng)價(jià)路徑1”的要求、產(chǎn)品的使用頻率和強(qiáng)度、儲(chǔ)存和使用環(huán)境，以及產(chǎn)品的每天非工作、通電待機(jī)、通電工作的周期狀態(tài)情況，將產(chǎn)品放入試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行加速試驗(yàn)驗(yàn)證。
產(chǎn)品10年使用期限的加速試驗(yàn)驗(yàn)證方案如下：
1）驗(yàn)證對(duì)象
某型產(chǎn)品；
2）樣機(jī)數(shù)量
3臺(tái)；
3）驗(yàn)證方式
放入步入式溫濕度箱內(nèi)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)；
4）加速模型
考慮到該型產(chǎn)品在使用過(guò)程中主要受到溫濕度應(yīng)力對(duì)其使用期限的影響，參考GB/T 34986-2017《產(chǎn)品加速試驗(yàn)方法》，該型產(chǎn)品10年使用期加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用Hallberg-Peck模型進(jìn)行通電狀態(tài)（待機(jī)和工作模式）和非通電狀態(tài)下（貯存模式）的溫濕度加速壽命試驗(yàn)，通電狀態(tài)加速溫濕度應(yīng)力選取55℃-85%RH，非通電狀態(tài)加速溫濕度應(yīng)力選取60℃-90%RH，相對(duì)于基準(zhǔn)溫濕度25℃-50%RH進(jìn)行通電待機(jī)、通電工作和貯存三種狀態(tài)下的加速壽命試驗(yàn)驗(yàn)證該型產(chǎn)品10年使用期。
Peck模型見(jiàn)式（1）：
式中：
μl—在溫度應(yīng)力為 （單位為K）和相對(duì)濕度應(yīng)力為RH%條件下的退化速度；
A—頻數(shù)因子；
Ea—激活能，以eV為單位，此處經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為0.6～2.51；
K—玻爾茲曼常數(shù)，8.6×10-5 eV/K；
n—逆冪指數(shù)。
5）加速試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)
通電狀態(tài)（待機(jī)和工作）下，取加速溫濕度55℃/85%RH，加速因子約25倍（通常需要根據(jù)模型詳細(xì)計(jì)算），樣機(jī)加速試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約為20天。
非通電狀態(tài)下，取加速溫濕度60℃/90%RH，加速因子約40倍（通常需要根據(jù)模型詳細(xì)計(jì)算），樣機(jī)加速試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)約為80天。
6）工作模式
產(chǎn)品處于非工作、通電待機(jī)、通電工作（模擬臨床使用）的周期狀態(tài)；在通電工作中，樣機(jī)應(yīng)模擬其正常使用狀態(tài)運(yùn)行。
7）試驗(yàn)過(guò)程檢測(cè)
試驗(yàn)前中后需對(duì)樣機(jī)的功能性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)前后需對(duì)樣機(jī)進(jìn)行安全性測(cè)試。
8）失效定義
當(dāng)基本功能性能測(cè)試指標(biāo)或電氣安全測(cè)試項(xiàng)目中任意一項(xiàng)測(cè)試未通過(guò)時(shí)，判定整機(jī)失效。
對(duì)于高可靠、長(zhǎng)壽命指標(biāo)要求的產(chǎn)品，定量加速試驗(yàn)可以通過(guò)提高比典型應(yīng)力(環(huán)境應(yīng)力和工作載荷)高的試驗(yàn)應(yīng)力來(lái)縮短產(chǎn)品可靠性指標(biāo)/壽命驗(yàn)證時(shí)間，具有傳統(tǒng)試驗(yàn)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)定量加速試驗(yàn)的理論及常用的加速模型進(jìn)行了概述，并提供相關(guān)案例簡(jiǎn)單進(jìn)行示例說(shuō)明，以期對(duì)相關(guān)從業(yè)者具有一定的參考意義。
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