可靠性強化試驗技術在全壓智能探頭研制中的應用

姜海勛，葉建華，李志強

（1.海軍駐北京地區(qū)航空軍事代表室，北京 100041；2.北京航空航天大學，北京 100191）

可靠性強化試驗是近年在航空航天領域廣泛應用的試驗方法，通過對受試產品施加單一或綜合的環(huán)境應力，快速激發(fā)出產品的潛在故障，并對故障現象進行原因分析、失效模式分析，進而提出改進措施以提高產品的可靠性。文中簡要介紹了可靠性強化試驗的基本概念及應用原理，以某型機載全壓智能探頭的可靠性強化試驗為例，制定了相應的試驗方案，并闡述了試驗實施的整個過程，最后對實驗結果進行了評價，并提出了改進方案以提高產品的可靠性，在回歸驗證試驗中證明了改進意見以及改進措施的有效性。

1 可靠性強化試驗概述

1.1 概念及作用

可靠性強化試驗（Reliability Enhancement Testing，簡稱RET）是對受試產品施加單一或綜合的環(huán)境應力（應力水平遠超過其正常工作時的環(huán)境應力），以快速激發(fā)產品的潛在故障，并對故障現象進行原因分析、失效模式分析，進而提出改進措施以提高產品可靠性的試驗方法[1]?？煽啃詮娀囼灢⒉粡娬{試驗環(huán)境的真實性，而是在保證失效機理不變的情況下，強調試驗的效率，實現研制過程中可靠性水平的快速增長。因此，可靠性強化試驗的理論依據是故障物理學（PhysicsOf Failure，簡稱POF），把故障和失效當做研究的主要對象，從產品強度分布和壽命期環(huán)境應力分布及其相互作用的角度來分析產品的故障，保證“一種可靠的產品應隨時都能完成用戶需要其完成的任何任務”[2—3]。

1.2 應用原理

實際中，產品是由多種機械結構和電子組件構成的，當某一組件的強度不足以抗衡所承受的環(huán)境應力時，這一組件往往就會失效。因為產品各組件承受的環(huán)境應力不同，自身的強度也是各不相同，所以應力與強度各會形成一個分布，如圖1所示。2條曲線交點左側的黑色陰影區(qū)為產品的不可靠區(qū)域，這里有發(fā)生失效的可能。當產品經過設計改進之后，其強度可以遠遠大于其所經受的應力，但是隨著時間的推移，產品發(fā)生損傷累計，強度又會逐漸退化降低而應力分布不曾改變，這時的失效概率就會增大，如圖2所示[4]。

圖1 應力強度分布Fig.1 Stress intensity distribution

圖2 強度-應力分布與失效時間模式的關系Fig.2 Relationship between Strength-stress distribution and failure time

1.3 基本過程

根據可靠性強化試驗的定義，其主要實施于產品的設計階段，其基本的過程如圖3所示。

2 產品介紹

圖3 可靠性強化試驗基本過程Fig.3 Basic processofReliability Enhancement Testing

全壓智能探頭系統(tǒng)主要由受感器部分與測量解算部分組成。受感器部分通過空速管感受飛機飛行中的全壓壓力信號；測量解算部分采集攻角、總溫、左右靜壓等信息，對靜壓和局部攻角進行誤差修正后，解算出相應的大氣數據參數，并通過數字總線方式向主飛控計算機和飛參數據采集器輸出相關數據。其功能如圖4所示。

圖4 全壓智能探頭功能Fig.4 Functionalblock diagram ofpressure probe

3 可靠性強化試驗方案的制定

可靠性強化試驗的應力較高，為保證強化試驗的連續(xù)性和最大限度保護產品，試驗之前，需要對產品進行環(huán)境因素和敏感應力分析，根據廠家的FMECA分析，在產品的生產、試驗、檢驗過程中發(fā)現的薄弱環(huán)節(jié)以及設備在其他環(huán)境試驗（如系統(tǒng)聯試、仿真試驗）中薄弱環(huán)節(jié)的反饋信息以此來確定強化試驗中的關注點，并以此來制定相應的可靠性強化試驗方案[5]。文中研究的試驗對象是某型飛機的機載全壓智能探頭，根據其壽命剖面和任務剖面以及安裝位置，得到其主要的環(huán)境因素有工作環(huán)境和自然環(huán)境，其中工作環(huán)境主要有系統(tǒng)工作過程中的沖擊、振動、發(fā)熱、電磁干擾等；而自然環(huán)境包括高溫、低溫、溫度循環(huán)等環(huán)境應力。

3.1 試驗前準備工作

在低溫步進試驗開始之前首先需要對夾具的振動傳遞特性進行測定，夾具是根據產品的結構特性特制的，驗證夾具具有良好的振動傳遞特性方可進行以下的強化試驗。其次需要對試驗中的測試設備進行檢測，包括快速檢測產品失效的儀器、測量溫度應力和振動應力的傳感器等，以保證環(huán)境應力施加的準確性以及對產品故障實時的監(jiān)督。最后，對產品進行溫度響應及振動響應測試以確定測試用傳感器的布置以及試驗步長。

3.2 低溫步進應力試驗階段

低溫步進應力試驗以-25℃作為低溫步進的起始溫度，在溫度達到-55℃之前，以-10℃為步長，在溫度達到-55℃之后，以-5℃為步長。溫度變化速率不小于5℃/min，每個溫度臺階上停留時間不小于受試產品所處環(huán)境溫度達到溫度臺階穩(wěn)定時間+10min+測試時間（10min）。受試產品達到溫度穩(wěn)定后進行通電啟動，必須進行3次啟動檢測，以考核受試產品在極端溫度下的啟動能力，受試產品測試完畢后斷電。低溫步進應力試驗終止條件：找到受試產品的低溫破壞極限，如果受試產品的低溫破壞極限小于-80℃，以-80℃為低溫步進應力試驗結束溫度。

3.3 高溫步進應力試驗階段

高溫步進應力試驗的以40℃作為高溫步進的起始溫度，在溫度達到70℃之前，以10℃為步長，在溫度達到70℃之后，以5℃為步長。溫度變化速率不小于5℃/min，每個溫度臺階上停留時間不小于受試產品所處環(huán)境溫度達到溫度臺階穩(wěn)定時間+ 10min+測試時間（10min）（建議不要連續(xù)通電，按照典型的任務剖面，設備間歇式工作，工作20 s停止1min，之后進行檢測）。受試產品的通電測試同其低溫步進應力試驗的測試。高溫步進應力試驗終止條件：找到受試產品的高溫破壞極限，如果受試產品的高溫破壞極限大于110℃，以110℃為高溫步進應力試驗結束溫度。

圖5 可靠性強化試驗流程Fig.5 Testing processofReliability EnhancementTesting

3.4 快速溫變應力試驗階段

快速溫度變化試驗以常溫作為溫度循環(huán)的開始，溫度范圍為：低溫工作極限加5℃～高溫工作極限減5℃（如：產品工作極限為-60℃和100℃，若無特別情況，則快速溫度變化試驗溫度范圍為-55～95℃）；循環(huán)次數：不少于5個完整循環(huán)周期（視試驗情況可以增加）；溫度變化速率：20℃/min；在每個循環(huán)的低溫階段，待溫度穩(wěn)定后進行通電啟動，對受試產品進行3次啟動檢測，以考核受試產品在低溫下的啟動能力。在每個循環(huán)的高溫階段，待溫度穩(wěn)定后進行通電啟動，對受試樣機進行3次啟動檢測，以考核受試產品在高溫下的啟動能力。每個循環(huán)中低溫和高溫階段的停留時間不小于受試產品所處環(huán)境溫度達到溫度臺階穩(wěn)定時間+10min+10min測試時間。受試產品各循環(huán)通電電壓分別按“上限—標稱—下限”變化，以此類推。

3.5 基于電磁振動臺振動步進試驗階段

振動應力量值，加速度功率譜密度，頻率范圍等按規(guī)定的時間順序連續(xù)施加。振動頻率范圍為：15～2000 Hz；振動形式：基于電磁振動臺的隨機激勵；起始振動量級：4Grms；步進步長：2Grms；每個振動量級保持10min，在整個振動過程中一直進行測試；受試產品施加標稱電壓。試驗時，當振動量級大于12Grms，在每個振動量級臺階結束后將振動量值降至4Grms（微振動5min），以及時發(fā)現在高量級振動時出現的焊點斷裂的情況，振動維持時間一般以能夠完成一個完整的測試為準。

3.6 綜合環(huán)境試驗

綜合環(huán)境試驗的應力施加如圖6所示。循環(huán)次數不少于5個完整循環(huán)周期，溫度應力的施加方法同快速溫度變化的施加方法，Gmax代表的是振動步進試驗的最大振動量級減4Grms，Gmax除以5作為振動步進的起始振動量級，每次增加該值作為下一循環(huán)的振動量級。每個振動量級對應一個溫度循環(huán)周期，每個循環(huán)的高溫階段結束前5min左右，將振動量值降至4Grms并維持到循環(huán)結束，以及發(fā)現由于溫度應力和振動應力同時作用于受試產品而出現的焊點斷裂等情況。在整個循環(huán)過程中對產品進行通電檢測，每個循環(huán)中低溫和高溫階段的停留時間不小于受試產品所處環(huán)境溫度達到溫度臺階穩(wěn)定時間+10min+測試時間（10min）；受試產品各循環(huán)通電電壓分別按“上限—標稱—下限—標稱—上限”變化。

圖6 綜合環(huán)境試驗剖面Fig.6 Testingprofileof comprehensiveenvironment

4 可靠性強化試驗的實施

全壓智能探頭在可靠性強化試驗三綜合試驗箱中的安裝狀態(tài)如圖7所示。

圖7 受試產品安裝狀態(tài)Fig.7 Statusofproduct installation

4.1 低溫步進應力試驗

試驗按低溫步進試驗剖面進行，從-25℃開始以10℃為臺階（-55℃后以5℃為臺階）進行溫度步進，每個溫度臺階保持20min。每個溫度臺階的最后5min進行產品檢測。低溫步進試驗過程中受試產品工作正常，未出現故障。低溫步進試驗結束后，對產品進行了全面的性能檢測。通過低溫步進，確定以-80℃作為受試產品的低溫工作極限。

4.2 高溫步進應力試驗

試驗按高溫步進試驗剖面進行，從40℃開始以10℃為臺階（70℃后以5℃為臺階）進行溫度步進，每個溫度臺階保持20min。每個溫度臺階的最后5 min進行產品檢測。試驗過程順利，產品在高溫步進試驗過程中工作正常，溫度達到110℃臺階后，試驗結束。產品在整個高溫步進試驗過程中工作正常，并未出現故障，試驗后對產品進行了全面的性能檢測。通過高溫步進，確定以110℃作為受試產品的高溫工作極限。

4.3 快速溫度變化試驗

試驗按快速溫變試驗剖面進行，溫度上限設為105℃，溫度下限設為-75℃，溫變速率20℃/min，每個溫度保持20min。每個溫度的最后5min進行產品檢測。試驗過程順利，產品在快速溫變試驗過程中工作正常，按要求共進行5個循環(huán)后，試驗結束。產品在整個快速溫變試驗過程中工作正常，并未出現故障。試驗后對產品進行了全面的性能檢測。

4.4 基于電磁振動臺振動步進試驗

試驗按振動步進試驗剖面進行，從4G開始，以2 G為臺階進行振動步進，每個臺階保持10min，每個臺階的最后5min進行產品檢測。試驗過程順利，產品在振動步進試驗中工作正常，并未出現故障，試驗后對產品進行了全面的性能檢測。通過振動步進試驗，確定22G為受試產品的振動工作極限。

4.5 綜合環(huán)境應力試驗

綜合應力試驗按試驗剖面進行，快速溫變范圍設定為-75～105℃，振動應力極限設為18G，則振動臺階分別為3.6，7.2，10.8，14.4，18G，試驗共進行5個溫度循環(huán)。

綜合應力試驗進行到第2循環(huán)高溫段（環(huán)境條件：105℃，7.2G，28 V），產品數字量輸出信息閃爍，直至無數字量輸出，但振動停止后，故障消失，試驗暫停。檢查后認為是晶振故障，更換后產品工作正常。考慮到振動比溫度對產品的影響大，繼續(xù)試驗前先進行7.2 G試振，產品數字量輸出信息持續(xù)閃爍，試驗暫停。經檢測，可能是實現數據采集功能的芯片周圍焊點存在虛焊，逐一補焊后，故障消失。排故完成后，對產品繼續(xù)試驗前試振，順利通過7.2G和10.8G量級，但當振動到14.4G時，產品右靜壓故障字報故，同時整個產品輸出信號間斷閃爍。經檢查為電源模塊引腳斷裂，更換器件后正常。繼續(xù)綜合應力試驗。

綜合應力試驗進行到第3循環(huán)低溫段時（環(huán)境條件：-75℃，10.8G，22 V），產品右靜壓故障信號燈偶發(fā)閃爍，到高溫段時（環(huán)境條件：105℃，10.8G，22 V），故障信號燈閃爍頻繁。進入第4循環(huán)后，故障燈常亮。該故障不可恢復，且不影響其它部分工作，為繼續(xù)考察其它部件，決定暫不修復，待試驗完畢后再檢查。綜合應力試驗進行到第5循環(huán)低溫段5min時（環(huán)境條件：-75℃，18G，30 V），左靜壓故障燈閃爍，直至常亮。高溫段15min時，數字量數據閃爍若干次，后未再出現直至試驗結束。

5 試驗故障分析

通過針對全壓智能能探頭的可靠性強化試驗，確定了產品的溫度振動工作極限量值，以及產品在試驗中出現的故障，對產品進行故障分析，并在此基礎上提出產品的改進措施。

在低溫、高溫以及快速溫變試驗中，受試產品未出現任何故障，并且產品能夠在較短時間內使內部溫度與試驗箱中的溫度達到一致。這說明產品的結構設計充分考慮了各元器件的散熱情況，并采取了積極的散熱措施。最后根據高、低溫步進應力試驗將產品的高、低溫工作極限值定為-80℃及110℃。在振動步進試驗中，受試產品未出現任何故障，因此將產品的振動工作極限量值定位22G。

受試產品的故障集中出現在綜合環(huán)境應力試驗中，其中振動對產品的影響較大，因為試驗中的量級遠遠高于正常工作時的量級，并且存在累計損傷的原因。產品在綜合試驗中出現的故障集中在芯片管腳處的焊點脫落，是由于產品結構比較復雜，在設計過程中對電路板的減振措施不夠理想。鑒于以上現象，建議在全壓智能探頭的研制過程中，對主要芯片采取改變封裝形式或加強減振的改進措施。

廠家返廠維修，對CPU組件板邊緣位置器件的管腳使用硅膠進行涂覆固定的改進措施。在回歸驗證試驗中，產品進行了5個循環(huán)的綜合環(huán)境應力試驗，產品再無故障出現，證明改進措施有效。

6 結語

文中通過對全壓智能探頭系統(tǒng)進行可靠性強化試驗，得到了針對這一系統(tǒng)可行的可靠性強化試驗的試驗程序以及基于故障物理對產品故障的分析過程。通過強化試驗，在短時間內獲得了產品的高低溫及振動的工作極限應力值，并發(fā)現了在其他可靠性環(huán)境試驗中無法發(fā)現的潛在故障，向產品研制單位提供了針對薄弱環(huán)節(jié)的改進意見，使產品的可靠性得到定性地增長。

通過對典型產品進行的系統(tǒng)級可靠性強化試驗的實施與試驗結果分析，給出了同類產品進行可靠性強化試驗的典型案例和實施步驟，為系統(tǒng)級產品進行可靠性強化試驗提供了借鑒。

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