在当今竞争激烈的市场环境和化的背景下, 产品要迅速并且成功地占领国内外市场, 就必须提高产品的环境适应性和可靠性。
目前, 我国很多产品设计从单纯追求技术指标转向提高产品的综合效能[1]。在产品引进过程中,由于来源不同, 在同一场所会出现不同的环境试验标准体系相互交叉的情况; 随着可靠性工作的逐步深入, 该指标已纳入研制合同。环境工程和可靠性工程相互交叉, 使产品在研制和生产中, 试验项目和工作量成倍地增加, 这给研制和生产部门带来了许多重复性工作, 周期和成本难以保证, 这就要求对相同的试验项目进行合并和简化。也就要弄清环境工程和可靠性工程的概念, 充分利用已进行试验的结果, 简化试验工作量, 缩短研制周期。
然而, 国内的某些产品研制单位对环境和可靠性试验的认识还存在一定的误区, 没有真正地理解对产品进行环境和可靠性试验的真正意义, 没有将环境、可靠性试验看作一个可使产品增值的过程[2]。因此, 很有必要深入地探讨有关环境、可靠性试验的各种问题。
2 环境工程和可靠性工程
环境工程是一门工程学科, 它是为保证产品在规定的寿命周期内, 在预期的运输、储存、使用和维修期内使产品的环境适应性达到规定要求所进行的一系列工作, 主要包括环境的管理、技术研究、条件分析、影响分析与防护技术4 个方面, 如表1所示。产品从出厂到退役的全寿命期内, 都处于各种自然环境和诱发环境中, 在环境应力的作用下,很容易导致性能降低甚至不能工作。
可靠性工程是通过在产品的设计、研制和生产中采取一系列有序且相互的管理、设计、分析和试验措施, 使产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的一门工程学科。可靠性工程主要包括可靠性的管理、研制与生产试验、设计( 及预计) 3 个方面, 如表2 所示。
产品的可靠性和环境适应性均属于产品的质量特性。如图1 所示, 环境条件与可靠性设计和试验有关, 环境工程在产品全寿命期内开展, 可以提高产品的设计质量和检验生产质量的稳定性, 特别是对成败型产品的研制、设计及生产过程中, 环境工程的试验结果可以被可靠性工程所接受和运用。但在产品设计研制过程中环境工程主要分析产品在其
寿命周期中可能遇到的极限环境, 利用设计手段提高产品承受极限环境的能力。而可靠性工程主要分析产品在其寿命周期中可能遇到的典型环境, 利用设计手段来提高产品的可靠性水平。
3 环境试验与可靠性试验
在产品研制阶段早期, 主要是通过试验来发现设计缺陷且加以改进, 并通过进一步的试验来发现新的问题。经验表明, 70 %左右的设计缺陷要靠对样机进行试验才能发现。试验不仅是产品研制生产过程中完善设计的有力措施, 也是评价产品各项特性是否符合要求的*的手段。
为达到产品研制合同的要求, 试验、评价和改进贯穿整个产品研制和生产过程, 主要包括研制试验、鉴定试验、验收试验和例行试验, 如表1 所
示。环境试验是以产品对预期工作环境的适应性为考核目标的试验, 包括耐受zui恶劣的储存与运输环境而不致损坏和在合理极值环境条件下正常工作的能力。可靠性试验是按可靠性要求设计和进行的、有可靠性目标并在典型环境条件下的试验, 是验证产品在规定条件下和规定时间内能否实现预定功能而进行的试验, 是可靠性增长试验、可靠性研制试验和可靠性验证试验的总称。

3.1 环境试验与可靠性试验的关系
环境试验是产品zui基本的试验, 只有通过了环境合格鉴定试验的产品才能投入可靠性增长试验;
通过了环境验收试验的产品才可投入可靠性验收试验。如美军标MIL- STD- 785 B 中明确地指出:
“应该把MIL- STD- 810 中描述的环境试验看作可靠性研制和增长的早期部分[3]。这些试验必须在研制初期进行, 以保证有足够的时间和资源来纠正试验中暴露的缺陷, 而且这些纠正措施必须在环境应力下得到验证, 并将这些信息作为可靠性大纲中一个*的部分纳入故障报告、分析、纠正措施系统( FRACAS) 。
同时, 这两种试验基本上都采用试验室试验方法, 在规定的受控环境中进行, 所采用的环境设备和试验方法包括相应的夹具设计原则都可以相互借鉴。对进行环境试验所用的环境条件的研究, 为可靠性试验条件的制定提供了先决信息, 同时可靠性试验剖面中的温度、振动量值的确定与相应环境条件的确定基本相同。
可以认为, 环境试验是可靠性试验的基础和前提, 许多环境试验工作应在可靠性试验之前开展,为可靠性试验提供信息和依据。
3.2 环境试验与可靠性试验的区别
从某种意义上说, 任何试验都在一定的环境条件下进行, 都可看作环境试验, 但实际上只有产品研制过程中某些以考核所设计或生产的产品对预定工作环境适应性为目标的试验才称之为环境试验。

这并不涉及产品能维持其本身具有的、多长时间的适应能力的定量指标。显然, 若产品不能适应预定的环境, 就根本谈不上可靠不可靠了。
从另一种意义上来说, 环境试验和其它试验都有利于提高产品的可靠性, 至少从这些试验中可以得到一些故障信息。
尽管环境试验和可靠性试验都是在对产品施加环境应力的条件下进行, 但两者在试验目的、所用的环境因素数量、试验时间确定准则, 环境应力选用准则以及试验终止决策准则方面是大不相同的。例如: 环境试验
中试件在高、低贮存温度下贮存时间为48 h、24 h ( 或者是贮存温度能*暴露产品贮存时所有可能出现缺陷的时间) , 而可靠性试验的时间是根据试验剖面计算出来的, 时间一般为30～60 min, 反复施加, 总时间可能相同, 但作用机理不同; 振动应力尽管计算方法相同, 但量级差别很大, 虽可以进行试验加速转换, 由于可靠性试验是在温度和振动两种应力作用下, 与高量级振动的环境试验相比, 对产品的影响显然不同。可见, 这两种试验不能相互取代。但是对空空导弹的可靠性试验, 在处理自由飞这种短时间、高量值的环境剖面时, 可以从经济和有效模拟等方面进行考虑, 只对产品进行自由振动试验, 将试验结果直接应用到产品可靠性工程中。以环境试验的代表性标准GJB 150《军用设备环境试验方法》( 相当于MIL- STD- 810 C) 及可靠性试验标准GJB 899《可靠性鉴定和验收试验》( 相当于MIL- STD- 781) 两个标准为基础, 如表2所示, 对环境试验和可靠性试验作一比较, 比较的是鉴定试验。实际上, 可靠性验收试验和鉴定试验基本相同。只是增长试验和鉴定试验有些差别。
因此, 可靠性试验必须能够评价或通过方法来提高产品能正常工作的时间; 环境适应性是考核产品在极值环境条件下正常工作的能力。这两种试验在产品研制和生产中, 只能相互补充而不能取代。
环境试验应作为独立可靠性试验外的形式存在, 并与其相互补充, 结合成熟的环境试验技术和相应的研究成果, 为提高产品可靠性发挥应有的作用。



表2 环境试验和可靠性试验的区别


4 环境试验与可靠性试验的使用原则
环境试验多为单项试验, 这种试验的好处在于试验用的设备比较简单、试验费用少, 且很容易发现某一环境因素对产品的影响。其种类很多, 按试验目的和性质, 可分为以下4 个基本类型: 环境适应性增长试验( EGT) 、环境合格鉴定试验( E-QT) 、环境验收试验( EAT) 和例行试验。可靠性试验是为提高、测定和验证产品的可靠性而进行的试验[5]。GJB 450《装备研制与生产的可靠性通用大纲》中将可靠性试验分为4 类: 环境应力筛选(ESS) 、可靠性增长试验(RGT) 、可靠性鉴定试验( RQT) 和可靠性验收试验(RAT) 。这些试验基本包含了产品研制生产阶段的所有试验项目, 但根据时间、经费及受试产品数量等的不同, 应当对产品进行具体的分析, 从而做到对试验有所侧重、有所简化:

a) 根据可靠性工程“早期投入, 预防为主”的思想, 将试验重点放在产品研制阶段早期进行,加强环境适应性增长试验和可靠性增长试验, 严格进行鉴定试验。一个有效的试验大纲应把试验放在ESS、RGT、EGT 和EQT 方面, 限制但不排除RQT、RAT、EAT 及例行试验。
b) 充分利用产品的试验信息, 适当地剪裁以后的试验种类。RGT 的产品技术状态和施加的环境条件与RQT 接近。鉴于经费等的限制, 若RGT的结果理想, 可免做RQT。EAT 一般只限于温度和振动试验, 且使用量值较低, 因此, 除非验收试验中规定有的ESS 不能起作用的项目( 如低气压) , 一般进行ESS 后不必进行EAT。
5 环境技术在产品可靠性试验中的应用产品在其生产制造、贮存运输、部署使用的全寿命过程中都会经受各种环境因素( 包括自然环境和诱导环境) 的作用, 尤其是使用阶段的环境条件通常都比较严酷[6], 通过长期实践, 人们认识到环境与产品可靠性紧密关联, 并起着关键性的作用和影响, 环境技术是产品可靠性试验的基础, 适当和有效地利用环境技术有利于提高产品的可靠性。

5.1 ESS 试验
这是国外20 世纪70 年代末兴起的、可以发现可靠性缺陷的一种有效的方法。它可以暴露装机元器件潜在的固有缺陷以及工艺和过程引入的缺陷,而不降低产品性能或损坏产品, 从而使生产过程的输出缺陷率和现场使用故障率降低。如地面发控设备中的一个程序控制组合, 在执行飞行试验任务中经常出现故障, 需要备份组合并有专人保驾, 做ESS 试验后, 多台产品经受飞行试验和现场使用的考验, 均未出现故障, 平均故障间隔时间从原来十几小时提高到几百小时。用环境应力激发潜在缺陷的机理和效果对非电子产品也同样适用, 国内有些单位已开始进行探索, 如上海*对陀螺敏感元件、上海自动化仪表所对小型仪表就应用温度循环和随机振动的方式进行筛选都取得了较好的效果。
5.2 其它环境试验
这里主要包括气候环境、力学环境和电磁环境模拟试验, 为了证实所研制产品的环境适应能力和所处环境下的可靠性, 上述环境试验就成为*的手段。这些环境试验可用于各种可靠性试验,此外, 还适用于产品研制阶段的鉴定试验和定型后的例行试验、加速寿命试验和可靠性增长模拟试验等[7]。鉴定试验和例行试验是环境试验的主要组成内容, 前者主要考核产品的环境适应能力和在极限环境条件下工作的可靠性, 后者主要是对已定型
的批量生产产品进行抽样试验, 以考核材料和工艺的稳定性, 保证使用可靠性, 大多数情况都在模拟环境下进行。
加速寿命试验适用于机械结构等使用寿命长、故障间隔时间也长的产品, 从而节省时间、经费,即在载荷和环境应力上予以强化, 温度、振动或冲击是常用的环境因素。通常RGT 是在真实环境下进行, 但不是所有的情况都能实现, 如卫星、导弹等上天产品在发射前, 先要进行模拟空间环境条件的地面试验, 地面系统往往难以找到合适的真实试验环境( 如极限低温) , 也必须用人工模拟环境代替, 当然, 系统在外场使用是处于真实的使用环境之中, 外场暴露的故障模式是比较真实的, 因此,内场模拟试验需与外场试验相结合[8]。


6 结束语
通过上述探讨, 提出以下几点看法:
a) 环境试验是可靠性试验的基础和前提, 在产品研制生产的各阶段环境试验均在可靠性试验前进行。但由于这两类试验从试验目的、所用应力、时间和故障处理等方面均有很大的差别, 显然两者只能相互补充, 而不能互相取代。
b) 进行设计试验方案时, 应明白环境可靠性试验以通用的技术方法为技术基础, 这些技术方法适用于所有类型的环境和可靠性试验以及项目阶段。无论试验的目的如何, 每一种试验依据的原理或方法都是一致的。
c) 所有的试验是相互关联的, 不要只重视某些试验而忽略其它试验, 要知道没有任何一种单独的环境、可靠性试验可以独立于产品的试验过程。
每种试验都提供了一部分信息, 但没有一个可以提供产品所有的信息。同时也必须协调各种试验, 以免除不必要的工作, 减少重复试验, 使之获得有用的信息。
d) 环境技术是可靠性试验的先决条件, 它可以优化产品可靠性试验的设计方案, 避免重复, 节省试验成本, 对提高产品可靠性有着重要的影响和作用。

参考文献:
[1] HANK CARUSO. 环境可靠性试验[C] //1996 年美国RM年会论文, 1996.
[2] 防务系统管理学院. 系统工程管理指南[M] . 北京: 宇航出版社, 1992.
[3] GJB 4239- 2001, 装备环境工程通用要求[ S] .
[4] HENRY CARUSO. Environmental Test Tailoring: Issues and Opportunities [J] . Journal of the Society of Environmental Engineers, 1995, 10: 88- 95.
[5] 祝耀昌. 环境工程技术及其发展综述[C] //环境工程论文集. 北京: 航空航天工业部第三O 一研究所出版社,1995: 6- 31.
[6] DUANE J T. Learning Curve Approach to Reliability Monitoring[ J] . IEEE Transaction on Aerospace, 1992, 12( 2) : 102- 108.
[7] DEMENT A C, HARTMAN R D. Operational Suitability Evaluation of a Tactical Flighter System [J] . AIAA, 1996,5: 53- 60.
[8] 陆廷孝. 可靠性设计与分析[M] . 北京: 国防工业出版社, 1995.