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選擇好統計試驗方案

 

在進行可靠性試驗方案設計時，首先要選擇統計試驗方案，在國軍標GJB899A中有：概率比序貫試驗方案、定時截尾試驗方案、全數試驗方案；在國標中GB/T5080中有：序貫試驗方案、定時/定數截尾試驗方案、綜合試驗方案。

 

在選擇方案號時，要考慮的因素有: 最低可接受值、設計值、置信度、風險率、試驗時間、試驗經費等，并且從這些因素中平衡。具體來說：

 

（1）設備的成熟程度及預期的壽命；對成熟度高，預期壽命長的產品，通常選擇時間短的風險率高的方案；

 

（2）設備的關鍵與重要程度；這類產品通常選擇置信度高的風險率低的試驗方案；

 

（3）經費和進度；經費與時間足夠時通常選擇置信度高的風險率低的試驗方案，否則，相反之。

 

當今市場上的服務器，MTBF值一般都說為5000h，但一般不說清楚是規(guī)定值（設計值），還是MTBF的下限值。但在軍工產品可靠性設計中將其作為最低可接受值看待，在商貿中一般將其看做為設計值，但可靠性試驗考核時，通常用m0=50000h設計試驗方案。因為是民品，現選擇在IEC61124 ED2:2006中的定時/定數截尾試驗方案進行試驗設計，該方案又有下列具體試驗編號，見下表1。

表1 定時/定數截尾試驗方案

按可靠性試驗的要求：試驗樣品數至少應有兩臺；對十分昂貴和質量控制嚴格的受試設備，可允許一臺。這里需進行可靠性試驗服務器，其可靠性指標定為：m0=50000h，m1=10000  由于價格高，能投入的樣本量比較少，但統計試驗方案是建立在抽樣理論基礎上的，為了使試驗結果更好代表母體，試驗樣品數為：3臺。

 

由于服務器的m0=50000h，一般都選擇方案號B.8 。這里：

 

有效試驗時間：T­t*=50000h×1.08= 54000h, 由于樣品數為: 3  每臺樣品的有效試驗時間為：18000h，可接受的失效數c=2。

 

加速試驗方案

 

在IEC 61124 ED2:2006中規(guī)定：為適應高可靠性要求和縮短產品進入市場的時間，所有標準中的試驗類型都是可以加速的。

 

任何類型的加速試驗都是基于加速損傷模型理論，即產品在其壽命周期內所經歷的應力可對其造成漸進的累積損傷。都是通過提高試驗應力來產生與產品壽命期內預期應力產生的同樣累積損傷。

 

54000h有效臺時，即每臺18000h的有效試驗時間，無論從時間還是經費上，客戶都認為不可接受，希望通過加速到一個月內完成試驗。對此，對可靠性試驗設計，必須引入加速試驗方案。

 

民用服務器是全壽命期間在環(huán)控條件下固定使用的產品，能加速的參數主要是溫度和濕度。因為固定使用時，不會像在運載工具上使用那樣，除溫度濕度外同時存在振動，所以振動主要發(fā)生在運輸過程中，而且在包裝狀態(tài)下。

 

01、加速試驗公式

 

選用勞森（Lawson）溫濕度加速模型進行加速，本研究將溫度和濕度之間的“×”修正為“+”號，以提高試驗結果的置信度。得出的加速系數為：

 

 

式中： 

 

Ea---激活能  1.0 eV ；

 

kb---波爾茲曼常數（8.617385E-5eV/k） ；

 

T1---加速前的溫度；

 

RH11---加速前的濕度；

 

T2---加速后的溫度；

 

RH2--加速后的濕度；

 

B---常數，本模型取5.557×10-4。

 

02、加速條件

 

①加速條件：

 

加速前的溫度：25°C；

 

加速后的溫度：35°C；

 

加速前的濕度：60%RH；

 

加速后的濕度：90%RH。

 

②按上述加速模型計算出放入加速系數：43。

 

03、試驗時間

 

加速后平均每臺的試驗時間為：18000h/43=418.605 h。

 

試驗剖面

 

01.循環(huán)數

 

可靠性試驗方案設計時，需足夠的試驗循環(huán)數，因為只有這樣，才能確保試驗數據統計的準確性。試驗循環(huán)數可設計成24h的倍數或24h的可約小時數。例如幾倍的24h或12h、8h、6h和4h為一個周期?？紤]到加速后的每臺試驗樣品的有效臺時數為：418.605h，本次對服務器可靠性試驗設計成24h為一循環(huán)，共21循環(huán)。

 

02.環(huán)境應力

 

每一循環(huán)中：20h為高應力，采用加速后的35°C、90%RH溫濕度度綜合加速應力，4h為服務器在環(huán)控條件下的標準大氣環(huán)境應力，即未加速前的25°C、60%RH的應力。第21循環(huán)為16h采用溫濕度度綜合加速應力，余下8h為標準大氣環(huán)境應力。這樣正好滿足加速前的每臺18000h的有效試驗時間。

 

03.升降溫速率及時間

 

每一循環(huán)中的升降溫速率為5°C/min,時間時間為2min,包含在高應力的溫濕度度綜合加速應力中。

 

04.電應力

 

電應力采用：第一循環(huán)標稱電壓220V，第二循環(huán)高電壓242V,第三循環(huán)低電壓198V，以此循環(huán)下去，直至完成全部21個試驗循環(huán)。

 

05.功能應力

 

①由于服務器是連續(xù)工作的，通常從開機正式投入后，它會不間斷地工作，一直到徹底報廢。所以本次服務器的可靠性試驗在有效試驗時間內是連續(xù)不間斷開機運行，滿足可靠性長期穩(wěn)定工作的要求。

 

②在加電應力過程中，硬件和所有軟件同時運行，改變當今許多可靠性試驗實際只是硬件的可靠性試驗，即僅在給定剖面點上進行性能參數測量，而不運行功能的狀態(tài)。由此得出的可靠性指標實際基本是硬件的可靠性指標，這也是導致試驗室試驗得出的可靠性指標比實際使用統計出的可靠性水平低許多的原因，根據美國宇航局給出的數據，軟件的可靠性比硬件可靠性低一個數量級。為此，本次對服務器的可靠性試驗，在試驗的全過程要按服務器全壽命期間各軟件模塊（存儲，運算，數據處理，管理，數據備份、轉換等）功能在實際使用中出現的概率進行運行，運行采用壓力測試軟件（CPU負載測試軟件）進行。并以此同時給出軟硬件一體的可靠性指標。因為軟件測評僅相當于硬件ESS試驗，它給不出軟件的可靠性定量指標。

 

06.運行剖面

 

根據上述敘述，設計出的服務器可靠性試驗剖面如下：

故障與失效判據

 

01、失效判據

 

①服務器無法啟動

 

②系統需頻繁重啟（允許3次）

 

③服務器死機（允許3次）

 

④硬盤損壞

 

02、判斷標準

 

接收試驗：若在T­t*時，r≤2，則認為符合規(guī)定的要求。

 

拒收試驗：若在T­t*時或在T­t*之前，r>2，則認為不符合規(guī)定的要求。

 

 

引用本文：

鄭菁菁，史旭鵬，徐澤林.服務器可靠性試驗方案設計研究[J].環(huán)境技術，2021，229(1):69-73.

專家簡介：鄭菁菁，南京信息工程大學，女，碩士，中級工程師，主要研究方向：電子信息產品、可靠性設計。