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可靠性试验 从质量到可靠性的必由之路

作者:试验中心


发布日期:2018-09-18


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随着社会生活水平的提高,人们对铁路运行可靠性和安全性越来越重视,要求也越来越高。我公司列控产品作为铁路安全运行系统一个组成部分,其组件的可靠性也会影响到整体系统的可靠性。用传统的质量统计、型式试验等来证明产品质量,越来越显得单薄和缺乏可信性。如何进行产品系统、组件的可靠性、安全性设计DFX (RAMS)和并对其进行试验评价,显得越来越重要。对产品进行可靠性评定,也是从质量到可靠性工作的必由之路。

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性和质量密不可分,可靠性评定试验是产品质量工作的核心。从20世纪60年代开始,可靠性逐渐发展为一门显性学科,从军用电子产品的可靠性试验评价开始,逐渐扩展到核能、航空、汽车等行业。在美国,美国质量协会ASQ设有专门的可靠性委员会CRE,指导可靠性在各行业的应用。可靠性在中国的发展方兴未艾,20世纪80年代从核能、军品借鉴欧美可靠性工作经验开始,逐渐扩展到铁路、汽车等民用领域。20186月,中国系统工程学会系统可靠性工程专业委员会在北京清华大学成立,笔者有幸躬逢盛会,并投票选举了第一届理事会成员。

图一、     清华大学质量与可靠性研究院年会 可靠性与风险管理高端论坛

(暨中国系统工程学会系统可靠性工程专业委员会成立大会)

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可靠性试验是为了评估产品在规定的寿命期间内,在预期的使用、运输或储存等所有环境下,保持功能可靠性而进行的活动。是将产品暴露在自然的或人工的环境条件下经受其作用,以评价产品在实际使用、运输和储存的环境条件下的性能,并分析研究环境因素的影响程度及其作用机理。通过使用各种环境试验设备模拟气候环境中的高温、低温、高温高湿以及温度变化等情况,加速反应产品在使用环境中的状况,来验证其是否达到在研发、设计、制造中预期的质量目标,从而对产品整体进行评估,以确定产品可靠性寿命。

根据原铁道部《2011年铁道部标准项目计划》铁道部铁科技函[20111032号项目的规定,由中国铁道科学研究院标准计量研究所归口,同济大学牵头、中国铁道科学研究院标准计量研究所、北京通号、河南思维等于2017年制定了《铁路信号产品可靠性要求评定方法》、《铁路信号技术中采用电子元器件时应遵循的主要安全条件》,对铁路信号技术中元器件选型可靠性要求、产品的可靠性评定提出了明确的要求和方法。

对铁路信号产品的可靠性评定方法有可靠性预计法、实验室可靠性验收试验法、现场应用统计分析法。可靠性预计法(black box method)因相关可靠性标准久未更新、基础数据库信息收集不全等因素,预计结果仅具有参考价值,某种程度上属于一种定性的评价方法。现场统计法因涉及到数据来源、数据量及保密因素等,对于企业来说收集到详细可用数据存在较大困难,且在产品量产、大批部署在现场之后才能进行,实效性较差。相对而言,利用实验室可靠性验收试验方法,在大批量部署在现场前完成对产品可靠性指标评价,使企业充分掌握产品相关可靠性信息,具有高的可行性。

对于电子产品的可靠性试验评定,现在已有多种可靠性或产品失效分析的试验方法,包含定时截尾试验、序贯试验、可靠性增长试验、失效试验等,都已在研发、生产得到了应用并验证了有效性。《铁路信号产品可靠性要求评定方法》推荐了定时截尾、序贯试验方案,并推荐了试验条件、抽样方案等,在程序上要求在可靠性验证试验前,应完成环境应力筛选。这些可靠性试验方法虽然非常有用,但通常试验样品数量要求多、试验时间较长,为了缩短产品上市周期、降低产品成本,通过加速寿命试验进行可靠性的快速评定是经济有效的解决办法。

加速寿命试验通过提高产品试验的应力水平或者增大交变应力施加的频度而缩短试验时间,并发现和减少产品的失效模式,以便快速评估产品的可靠性水平并使得其得到增长。加速寿命试验设计应组织产品设计团队结合试验时间、试验结果、可信度、数据分析、周期费用等因素确定。

图二、       加速老化试验:概述、实践与优化设计

(台湾新竹清华大学统计学研究所 曾胜沧教授)

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加速寿命试验是在进行合理工程及统计假设的基础上,利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转化,得到试件在额定应力水平下可靠性特征的可复现的数值估计的一种试验方法。 加速寿命试验采用加速应力进行试件的寿命试验,从而缩短试验时间、提高试验效率及降低试验成本。

思维公司X型产品采用工业级器件,为高可靠、长寿命的产品,MTBF指标为百万小时级别。对其进行常规的环境适应性试验,很难暴露出产品的潜在失效问题,无法有效评价其可靠性。因此,通过进行可靠性评价试验技术创新,进行加速寿命试验,快速暴露产品的设计和工艺缺陷,并通过相应的纠正措施,提高产品的可靠性,具有现实意义。

根据X型产品的可靠性操作剖面和使用剖面,结合《TB∕T 2468-2017铁路信号产品可靠性要求评定方法》、《GB∕T 34986-2017 产品加速试验方法》,进行加速寿命试验设计。试验分为定量和定性试验两个部分。

图三、       X型产品定量加速试验(负载和监控)

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图四、       X型产品定量加速试验(内部试验布置)

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图五、     X型产品定性高加速寿命试验

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通过此加速寿命试验,验证《TB/T 2468铁路信号产品可靠性要求评定方法》的技术、经济可行性,研究加速寿命试验衔接关系,为标准推广做好技术准备。定量和定性评价X型产品的可靠性指标,通过加速寿命试验的实施、数据收集和分析评价,定量验证其可靠性指标(MTBF)符合设计要求。定性评价X型产品的可靠性,通过高加速寿命HALT/HASA试验的实施,摸清产品的操作边界、破坏极限范围等,发现设计薄弱环节,进行设计优化以增长可靠性。确定最优设计方案或验证设计更改的有效性,设计方案比对和更改在研发阶段不可避免,通过加速寿命试验衡量每个备选方案的可靠性表现,以此选择最优方案。建立公司内部的产品可靠性试验评价方法,指导其它产品的可靠性试验实施。

20184月,中铁检验认证中心黄银霞副主任(TB/T 2468评审专家组长)在参观实验室时指出:”可靠性数据是企业的财富,可靠性数据的积累,要从可靠性试验和统计抓起,要深入探究和引进领先行业的可靠性试验方法,引入铁路行业内来,你们的探索要持续下去

目前,X型产品的可靠性试验还在进行中,欢迎感兴趣的您参与讨论研究,更好推进试验仿真进行,挖掘出更大的试验价值。


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