某系統手控器可靠性強化試驗應用研究

劉意 高軍 劉洋 王紅濤 劉建南

摘? 要：本文以某系統的手控器為研究對象，制定了相應的可靠性強化試驗方案，并按照相應的試驗方案對手控器施加逐步增強的典型環境應力，將手控器缺陷激發為可以被檢測到的故障，通過對故障模式、故障機理的分析，從設計上改進和從生產中控制缺陷，提高手控器的環境適應能力和技術成熟度水平，降低手控器在使用過程中發生故障的概率。同時在一定程度上能夠保障產品上市后的質量與可靠性，減輕售后維修保障負擔，提高客戶滿意度。

關鍵詞：手控器;可靠性強化試驗;試驗方案;故障模式;故障機理

中圖分類號：TJ06;TB114.3? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0028-07

Abstract：In this paper，the hand controller of a system is taken as the research object，and the corresponding reliability intensification test plan is developed. According to the corresponding test plan，the gradually increasing typical environmental stress is applied to the opponent controller，and the hand controller defect is excited to be the detected faults，through the analysis of fault modes and fault mechanisms，improve the design and control defects from production，improve the environmental adaptability and technical maturity level of the hand controller，and reduce the failure probability of the manual controller during use. At the same time，it can guarantee the quality and reliability of the products after the market is released to a certain extent，reduce the burden of after-sales maintenance and improve customer satisfaction.

Keywords：hand controller;reliability enhancement test;test plan;failure mode;failure mechanism

0? 引? 言

可靠性強化試驗是指通過系統地施加逐步增大的環境應力和工作應力，激發和暴露產品設計中的薄弱環節，以便改進設計和工藝，提高產品可靠性的試驗[1-4]。可靠性強化試驗的目的是使產品設計更為可靠。基本方法是通過施加步進應力，不斷地加速激發產品的潛在缺陷，并進行改進和驗證，使產品的可靠性不斷提高，使產品環境適應能力也得到提高[5-8]。可靠性強化試驗也是一種激發故障的試驗，它將強化環境引入到試驗中，能夠解決傳統的可靠性試驗時間長、效率低、費用高等問題[9，10]。如今，可靠性強化試驗在我國被廣泛運用于航空航天、船舶、手機等電子行業，并取得了良好的效果[3，11，12]。

本文根據手控器的組成與結構特點，詳細制定了可靠性強化試驗方案，并對手控器開展可靠性強化試驗分析。根據可靠性強化試驗結果，對手控器進行故障定位與故障機理分析，為后續改進設計、消除缺陷來提高產品固有可靠性提供強有力的保障，同時在一定程度上能夠保障產品上市的進度、縮短產品的研發周期，降低產品研發成本。

1? 受試產品介紹

1.1? 受試產品功能介紹

受試產品為某系統的手控器，該手控器的主要功能為：實現射野燈、測距燈、激光燈和室燈的乒乓操作;實現加速器各運動軸的速度控制;實現加速器各運動軸的雙向到位控制。受試樣機功能框圖如圖1所示。

1.2? 環境技術條件

根據廠家提供的手控器規范，其規定的環境技術條件為：工作溫度范圍：15℃～30℃;貯存溫度范圍：10℃～ 55℃。

1.3? 受試產品技術狀態

手控器按程序已完成聯調和檢驗，并符合檢驗技術條件要求。

1.4? 受試產品數量和組成

手控器具體由外殼、MCU板和控制板組成，產品組成清單如表1所示。試驗投入1套樣機開展相關測試。樣品組成三維圖如圖2所示。

2? 手控器可靠性強化試驗的方案設計

通過對手控器內部組成單元的分析，明確其工作溫度范圍，制定其可靠性強化試驗的試驗順序及各步驟間的相互關系如圖3所示。

2.1? 低溫步進應力試驗

實驗前準備：受試樣品在實驗室環境下穩定后;通斷測試：3次，進行功能性能測試，并記錄原始數據;溫變速率：10℃/min;起始溫度：5℃;低溫步進溫度：5℃、 -5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃;每個溫度臺階包括手控器溫度穩定時間與測試停留時間，共60min，具體包括在30min處開展通斷電測試：3次，開展功能性能測試，并記錄原始數據;通電時間：每個臺階后30min，其他狀態斷電;低溫步進應力試驗終止條件：以-30℃為低溫步進試驗結束溫度，或者已經找到手控器的低溫工作極限。低溫步進應力試驗的應力施加如圖4所示。

2.2? 高溫步進應力試驗

實驗前準備：受試樣品在實驗室環境下穩定后，通斷測試：3次，進行功能性能測試，并記錄原始數據，試驗過程全程通電;溫變速率：10℃/min;起始溫度：35℃;高溫步進溫度為：35℃、50℃、60℃、70℃、80℃、85℃;每個溫度臺階包括手控器溫度穩定時間與測試停留時間，共60min，具體包括在30min處開展通斷電測試：3次，開展功能性能測試，并記錄原始數據;高溫步進應力試驗以85℃為高溫步進試驗結束溫度，或者已經找到電源系統的高溫工作極限。高溫步進應力試驗的應力施加如圖5所示。

2.3? 溫度循環應力試驗

實驗前準備：受試樣品在實驗室環境下穩定后，通斷測試：3次，進行功能性能測試，并記錄原始數據;高低溫極限溫度低一級，設定高溫80℃，低溫-25℃;暴露時間：30min;溫變速率：10℃/min;循環周期：5個循環;測試狀態：高溫全過程通電，在15min處開展通斷電測試：3次，開展功能性能測試，并記錄原始數據，高溫結束時斷電;低溫在20min處開始通電，進行通斷電測試：3次，開展功能性能測試，并記錄原始數據;溫度循環應力試驗的應力施加如圖6所示。

2.4? 濕熱步進試驗

濕熱步進應力試驗的應力施加如圖7所示。

實驗前準備：在不影響受試樣機的功能及性能的情況

下，盡量將受試樣機的密封蓋板或外殼取下，受試樣品在實驗室環境下穩定后，通斷測試：3次，進行功能性能測試，并記錄原始數據，試驗過程全程通電;起始溫度：50℃，起始濕度80%RH;步進溫濕度：50℃，75%RH、50℃，85%RH、50℃，95%RH、60℃，75%RH、60℃，85%RH、60℃，95%RH;溫度變化速率不小于10℃/min，濕度變化速率以試驗箱最快速率進行。每個溫濕度臺階保持1小時。受試樣機達到溫濕度穩定后，經歷保持時間后，進行3次啟動檢測以考核其在高溫條件下的啟動能力，然后對受試樣機進行功能及性能檢測，測試完畢后斷電。溫濕度步進應力試驗終止條件：研發方可根據自身要求確定高溫步進應力試驗終止條件，或者找到產品的高溫工作極限（包括直接找到或者通過找到產品的高溫破壞極限間接確定產品的高溫工作極限）。

2.5? 振動步進應力試驗

2.5.1? 掃頻共振點搜索和駐頻

振動頻率范圍：5～500Hz;振幅或加速度：0.5g;振動形式：正弦掃頻振動;掃頻速率：≤1oct/min;軸向：X、Y、Z三個軸向;時間：1周期;駐頻：在掃頻結束后，并在共振點上經歷30min振動;若有多個共振點，則在一階共振點上駐頻;若無共振點，則在30Hz處振動30min。

2.5.2? 振動步進應力試驗

振動步進應力試驗的應力施加如圖8、圖9所示。振動條件如下：

振動頻率范圍：20～2000Hz;振動形式：Z軸隨機振動;起始振動量級：0.01g2/Hz;振動步進步長：0.01g2/Hz;每個振動量級保持10min，在每個振動步進臺階都需要進行測試;手控器施加標稱電壓;振動步進應力試驗終止條件：以8.577g作為振動步進試驗結束量級，或者已經找到手控器的工作極限。

2.6? 功能和性能檢測

手控器的功能、性能檢測依據手控器產品規范確定。試驗前、中、后都應對其進行功能與性能檢測。試驗中測試連接圖如圖10所示。

3? 手控器可靠性強化試驗結果

3.1? 低溫步進試驗

通過對手控器進行正弦振動試驗，其試驗條件為：（1）實驗前準備：受試樣品在實驗室環境下穩定后，通斷測試：3次，進行功能性能測試，并記錄原始數據;（2）溫變速率：10℃/min;（3）起始溫度：5℃;（4）低溫步進溫度：5℃、-5℃、-10℃、-15℃、-20℃、-25℃、-30℃;（5）每個溫度臺階包括電控系統溫度穩定時間與測試停留時間，共60min，具體包括在30min處開展通斷電測試：3次，開展功能性能測試，并記錄原始數據;（6）通電時間：每個臺階后30min，其他狀態斷電;低溫步進應力試驗終止條件：以-30℃為低溫步進試驗結束溫度，或者已經找到電控系統的低溫工作極限。其中手控器低溫步進試驗安裝如圖11所示，低溫步進應力實際應力圖如圖12所示。在整個試驗前、中、后過程中均未出現故障。

3.2? 高溫步進試驗

通過對手控器進行正弦振動試驗，其試驗條件為：（1）實驗前準備：受試樣品在實驗室環境下穩定后，通斷測試：3次，進行功能性能測試，并記錄原始數據，試驗過程全程通電;（2）溫變速率：10℃/min;（3）起始溫度：35℃;（4）高溫步進溫度為：50℃、60℃、70℃、80℃、85℃;（5）每個溫度臺階包括電控系統溫度穩定時間與測試停留時間，共60min，具體包括在15min處開展通斷電測試：3次，45min處開展功能性能測試，并記錄原始數據;高溫步進應力試驗終止條件：以85℃為高溫步進試驗結束溫度，或者已經找到電源系統的高溫工作極限。其中手控器高溫步進應力實際應力圖如圖13所示。在整個試驗前、中、后過程中均未出現故障。

3.3? 溫度循環試驗

通過對手控器進行正弦振動試驗，其試驗條件為：（1）實驗前準備：受試樣品在實驗室環境下穩定后，通斷測試：3次，進行功能性能測試，并記錄原始數據;（2）高低溫極限溫度低一級，設定高溫80℃，低溫-25℃;（3）暴露時間：30min;（4）溫變速率：10℃/min;（5）循環周期：10個循環;測試狀態：高溫全過程通電，在15min處開展通斷電測試：3次，開展功能性能測試，并記錄原始數據，高溫結束時斷電;低溫在20min處開始通電，進行通斷電測試：3次，開展功能性能測試，并記錄原始數據。其中手控器溫度循環實際應力圖，如圖14所示。在整個試驗前、中、后過程中均未出現故障。

3.4? 溫濕度步進試驗

通過對手控器進行正弦振動試驗，其試驗條件為：（1）實驗前準備：在不影響受試樣機的功能及性能的情況下，盡量將受試樣機的密封蓋板或外殼取下，受試樣品在實驗室環境下穩定后，通斷測試：3次，進行功能性能測試，并記錄原始數據，試驗過程全程通電;（2）起始溫度：50℃，起始濕度：75%RH;（3）步進濕度：50℃，75%RH、50℃，85%RH、50℃，95%RH、60℃，75%RH、85℃，95%RH、60℃，95%RH;（4）溫變速率：10℃/min;（5）每個溫濕度臺階保持1小時;每個溫濕度臺階包括控制臺溫度穩定時間與測試停留時間，共60min，具體包括在30min處開展通斷電測試：3次，開展功能性能測試，并記錄原始數據。其中手控器濕熱步進實際應力圖，如圖15所示。在整個試驗前、中、后過程中均未出現故障。

3.5? 正弦振動試驗

通過對手控器進行正弦振動試驗，其試驗條件為：（1）振動頻率范圍：5～500Hz;（2）振幅或加速度：0.5g;（3）振動形式：正弦掃頻振動;（4）掃頻速率：≤1Oct/min;（5）軸向：X、Y、Z三個軸向;（6）時間：1周期;（7）駐頻：在掃頻結束后，并在共振點上經歷30min振動;若有多個共振點，則在一階共振點上駐頻;若無共振點，則在30Hz處振動30min。其中手控器的掃頻監測傳感器安裝位置、X軸向掃頻實際應力圖、Y軸向掃頻實際應力圖、Z軸向掃頻實際應力圖，分別如圖16—19所示。在整個試驗前、中、后過程中均未出現故障。

3.6? 隨機振動步進試驗

通過對手控器進行正弦振動試驗，其試驗條件為：（1）振動頻率范圍：20～2000Hz;（2）振動形式：Z軸隨機振動;（3）起始振動量級：0.01g2/Hz;（4）振動步進步長：0.01g2/Hz;（5）每個振動量級保持10min，在每個振動步進臺階都需要進行測試;（6）電控系統施加標稱電壓;振動步進應力試驗終止條件：以8.577g作為振動步進試驗結束量級，或者已經找到電控系統的工作極限。在試驗過程中手控器的Z軸向定頻實際應力圖和手控器出現故障位置圖，分別如圖20、21所示。

3.7? 故障分析

在隨機振動步進試驗過程中出現一次故障，故障模式為手控器的面板顯示器不亮，出現故障時的故障應力為功率譜密度0.07g2/Hz，有效值8.02g。為了找到故障原因立即停止試驗，將手控器拆開觀察內部結構，發現SB5板上的12V轉5V電源振壞并脫落;現場立即更換SB5板上的12V轉5V電源，更換后通電手控器面板顯示器正常顯示，說明振動導致板上的電源脫落引發故障。通過故障分析發現在生產過程中由于工藝的缺陷導致電容引腳虛焊，因此在振動過程中容易出現電容引腳脫落。通過改進工藝設計，對改進后的手控器進行回歸驗證，在驗證過程中未發生類似故障，說明改進有效。

4? 結? 論

本文通過對某系統的手控器進行可靠性強化試驗，將產品在設計、工藝、電子元器件選擇等方面引入的缺陷快速激發成故障。通過對已有的故障模式進行詳細分析，找到其真正的失效機理，并針對故障模式提出了相應的改進措施，再通過回歸驗證試驗驗證了其有效性。因此，可靠性強化試驗技術在實際應用中證明了其有效性，可以從本質上提高產品固有可靠性、環境適應能力和技術成熟度水平，降低手控器在使用過程中發生故障的概率。同時在一定程度上能夠縮短產品的研制時間，節約研制成本。

參考文獻：

[1] 郭振華.電子門鎖可靠性強化試驗技術研究 [D].廣州：華南理工大學，2018.

[2] 潘廣澤，劉文威，李小兵，等.可靠性強化試驗技術在伺服系統中的應用研究 [J].電子產品可靠性與環境試驗，2018，36 （1）：1-7.

[3] 王學孔，張鐘文，鐘云龍.可靠性強化試驗技術在機電產品中的應用研究 [J].電子產品可靠性與環境試驗，2016，34（5）：51-56.

[4] 姚軍，曹心寬，姜同敏.可靠性強化試驗定量評估方法 [J].北京航空航天大學學報，2006（1）：117-120.

[5] 姜海勛，葉建華，李志強.可靠性強化試驗技術在全壓智能探頭研制中的應用 [J].裝備環境工程，2013，10（6）：140-145.

[6] 范志鋒，齊杏林，雷彬，等.可靠性強化試驗及其在引信中的應用 [J].探測與控制學報，2008，30（6）：8-11+20.

[7] 楊學印.可靠性強化試驗技術工程實踐探析 [J].環境技術，2018，36（1）：28-32.

[8] 李豇.可靠性強化試驗技術及應用 [C]//2015年全國機械行業可靠性技術學術交流會暨第五屆可靠性工程分會第二次全體委員大會.2015年全國機械行業可靠性技術學術交流會暨第五屆可靠性工程分會第二次全體委員大會論文集.中國江蘇常州：出版社不詳，2015：116-118.

[9] 姜海勛，葉建華，李志強.可靠性強化試驗技術在全壓智能探頭研制中的應用 [J].裝備環境工程，2013，10（6）：140-145.

[10] 陳循，陶俊勇，張春華.可靠性強化試驗與加速壽命試驗綜述 [J].國防科技大學學報，2002（4）：29-32.

[11] 吳戈，姜同敏，萬博.武器裝備中電子產品模塊級可靠性強化試驗 [J].艦船電子對抗，2007（4）：111-113.

[12] 何文波，張濤，郝苗苗，等.可靠性強化試驗在高可靠性產品設計中的應用 [J].電子產品可靠性與環境試驗，2013，31（S1）：29-35.

作者簡介：劉意（1973-），男，漢族，四川大竹人，項目經理，本科，主要研究方向：電子產品質量與可靠性研究工作;通訊作者：高軍（1978-），男，漢族，湖南長沙人，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向：儀器設備產品質量與可靠性工作;劉洋（1991-）， 男，漢族，四川成都人，碩士研究生在讀，主要研究方向：儀器設備產品質量與可靠性工作;王紅濤（1990-），男，漢族，山東金鄉人，技術工程師，碩士研究生，主要研究方向：儀器設備產品質量與可靠性工作;劉建南（1989-），女，漢族，河南南陽人，質量與可靠性體系工程師，主要研究方向：產品質量與可靠性工作。