某型導(dǎo)引系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)力篩選方案及有效性評價(jià)

摘 要：考慮到環(huán)境應(yīng)力篩選對于不同產(chǎn)品體現(xiàn)出非通用性和動(dòng)態(tài)性的特征，以GJB1032中規(guī)定的篩選方法為基礎(chǔ)，結(jié)合某型導(dǎo)彈的具體特點(diǎn)，以某導(dǎo)引系統(tǒng)為例進(jìn)行了ESS方案的初始設(shè)計(jì)，并根據(jù)篩選效果對篩選方案進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整；對最終的篩選結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，從故障在不同等級分布、故障類別分布和篩選對于產(chǎn)品的壽命損耗三個(gè)方面評價(jià)ESS方案的有效性，驗(yàn)證了最終環(huán)境應(yīng)力篩選方案的有效性。

關(guān)鍵詞：環(huán)境應(yīng)力篩選；隨機(jī)振動(dòng)；溫度循環(huán)；有效性評價(jià)

中圖分類號：V216.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2013）05-0061-04

AnESSSchemeandItsEffectivenessEvaluationforaGuidingSystem

YUNZhixin，LUXing

（PLA’sMilitaryRepresentativeOfficeinChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Consideringtheenvironmentalstressscreening（ESS）fordifferentproductsreflectsnonversatileanddynamiccharacteristic，basedonthescreeningmethodspecifiedinGJB1032，combinedwith thespecificcharacterofacertaintypeofmissile，aninitialESSschemeforacertainguidingsystemisdesigned.Then，appropriateadjustmenttotheESSschemeismadeaccordingtothescreeningeffectiveness. Finally，thefinalscreeningresultisanalyzedindetail，andtheeffectivenessoftheESSschemeisevaluatedfromthefollowingthreeaspects：thefaultdistributionindifferentgrades，faulttypedistributionand theinfluenceonthelossofservicelife.TheeffectivenessofthefinalESSschemeisverified.

Keywords：ESS；randomvibration；temperaturecycle；effectivenessevaluation

0 引 言

空空導(dǎo)彈作為精確制導(dǎo)武器的一個(gè)重要分支，具有全天候、全高度、大過載等特點(diǎn)，由此對裝備的可靠性提出了更高的要求。隨著軍方對武器裝備功能和性能要求的不斷提高，裝備的組成日趨復(fù)雜，可靠性問題越來越突出，事后檢驗(yàn)的產(chǎn)品研制和交付方式已不能滿足裝備研制生產(chǎn)的需要。國內(nèi)外武器裝備的研制實(shí)踐表明：以環(huán)境應(yīng)力篩選（EnvironmentalStressScreening，ESS）為核心的產(chǎn)品保證模式能夠縮短研制生產(chǎn)周期，快速激發(fā)產(chǎn)品中的潛在缺陷，顯著提高產(chǎn)品可靠性，保證交付產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

國內(nèi)于1990年以MIL-STD-2164《電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選方法》為藍(lán)本頒布了國軍標(biāo)GJB1032《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[2]，并要求在武器裝備的研制生產(chǎn)中予以貫徹執(zhí)行。近幾十年來，GJB1032在武器裝備研制中得到了廣泛應(yīng)用，也取得了顯著成效。然而，GJB1032中的一些規(guī)定過于死板，嚴(yán)格按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選時(shí)往往達(dá)不到應(yīng)有的目的。因此，考慮ESS的非通用性和動(dòng)態(tài)性特征，需要針對不同產(chǎn)品特點(diǎn)制定合適的ESS方案，同時(shí)根據(jù)篩選效果對試驗(yàn)方案適時(shí)調(diào)整，對ESS方案進(jìn)行有效性評價(jià)。

本文以GJB1032為基礎(chǔ)，結(jié)合某型導(dǎo)彈的具體特點(diǎn)，進(jìn)行ESS方案的初始設(shè)計(jì)與有效性評價(jià)。

1 ESS方案設(shè)計(jì)依據(jù)

ESS最初主要針對電子產(chǎn)品，但軍用裝備通常是由光、機(jī)、電等組成，使其應(yīng)用范圍拓展到了非電子產(chǎn)品。如1996年發(fā)布的MIL-HDBK–2164A《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》明確，ESS也適用于電氣、電子、光電或電化學(xué)器件[3]；航天行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)QJ3138《航天產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南》中也指出，“ESS主要適用于電子產(chǎn)品，包括電子組件、單機(jī)和系統(tǒng)。原則上，亦可用于電氣、光電、機(jī)電或電化學(xué)產(chǎn)品”[4]。

ESS中最重要的一項(xiàng)是篩選條件，即對產(chǎn)品所施加的應(yīng)力類型、量值和時(shí)間。GJB1032規(guī)定篩選由初始性能檢測、缺陷剔除試驗(yàn)、無故障檢驗(yàn)試驗(yàn)及最后性能檢測4部分組成，其中初始性能檢測和最后性能檢測是在實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境條件下對產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，缺陷剔除試驗(yàn)和無故障檢驗(yàn)試驗(yàn)中要對產(chǎn)品人為施加溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力。缺陷剔除試驗(yàn)由5min的隨機(jī)振動(dòng)和40h的溫度循環(huán)組成，無故障檢驗(yàn)試驗(yàn)由40～80h的溫度循環(huán)和5～15min的隨機(jī)振動(dòng)組成。隨機(jī)振動(dòng)的功率譜密度見圖1，溫度循環(huán)示意圖如圖2（適用于無冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品）。其中高低溫設(shè)定值隨產(chǎn)品不同而變，高低溫保持時(shí)間以使產(chǎn)品溫度達(dá)到穩(wěn)定為準(zhǔn)，溫度變化速率為5℃/min[2]。

GJB1032中明確：“篩選產(chǎn)品可以是印刷電路板組裝件、電子組件或整機(jī)…”[2]。但考慮到篩選產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)、工藝千差萬別，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的篩選方案不可能覆蓋所有產(chǎn)品，即所有產(chǎn)品不可能用同樣的篩選條件進(jìn)行篩選，文獻(xiàn)[5]對此有專門論述。相關(guān)的專業(yè)書籍也都強(qiáng)調(diào)[1]，應(yīng)依據(jù)ESS的基本特征，剪裁GJB1032中的有關(guān)規(guī)定，并通過篩選迭代制定出適合于具體產(chǎn)品的篩選條件。

2 ESS方案設(shè)計(jì)

以某型導(dǎo)彈為例，根據(jù)產(chǎn)品的裝配層次和測試能力，分別在電路板、分組件、組件、艙段、全彈進(jìn)行ESS，在電路板和分組件級主要進(jìn)行溫度循環(huán)篩選，在組件、艙段和全彈級主要進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)和溫度循環(huán)篩選?？紤]到全彈ESS方案相對復(fù)雜，本文僅以其關(guān)鍵組成部分導(dǎo)引系統(tǒng)為對象，對篩選方案的初始設(shè)計(jì)和迭代調(diào)整后的最終方案作詳細(xì)介紹。

2.1 初始ESS方案設(shè)計(jì)

某導(dǎo)引系統(tǒng)是某型導(dǎo)彈的重要組成部分，由電路組合I、電路組合II、光學(xué)組件和殼體等構(gòu)成，有大小零部件400多個(gè)、元器件1000多個(gè)。

2.1.1 選擇合適的篩選等級

為了盡可能多地消除早期故障，原則上要在產(chǎn)品的各組裝等級都安排篩選。低組裝等級上的篩選不能代替高組裝等級上的篩選，因?yàn)樵趯⒌徒M裝等級的產(chǎn)品組裝成高一級產(chǎn)品時(shí)，由于使用了外購件及組裝工藝，會(huì)引入新的缺陷。反過來雖然高組裝等級的篩選能代替低組裝等級的篩選，但若不進(jìn)行低組裝等級的篩選，會(huì)使本來可能在低組裝等級發(fā)現(xiàn)的問題到高組裝等級才被發(fā)現(xiàn)，不但降低了篩選效率，還會(huì)由于某一低組裝等級的產(chǎn)品故障，導(dǎo)致同一組裝等級的其他產(chǎn)品陪著這個(gè)易故障的產(chǎn)品重復(fù)試驗(yàn)，從而消耗產(chǎn)品壽命。

結(jié)合該導(dǎo)引系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并參照其他型號的篩選經(jīng)驗(yàn)，初步確定對電路組合I、電路組合II和導(dǎo)引系統(tǒng)整機(jī)實(shí)施篩選。

2.1.2 確定合適篩選量級的方法

確定適合于不同篩選等級的篩選量級是制定合理篩選方案的關(guān)鍵，確定方法有4種：

（1）常規(guī)法[1]：參考GJB1032等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的應(yīng)力量級，結(jié)合產(chǎn)品自身特性和相似產(chǎn)品的篩選經(jīng)驗(yàn)確定具體產(chǎn)品的篩選量級。它是國內(nèi)確定篩選量級最常用的方法。

（2）定量法[6]：該方法是為了解決常規(guī)法靠經(jīng)驗(yàn)確定篩選應(yīng)力的不足，試圖依靠篩選應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型，從而較準(zhǔn)確地確定篩選量級。GJB/Z34中給出了溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)的篩選度模型和各

類元器件的缺陷率，依據(jù)對產(chǎn)品篩選度的要求和產(chǎn)品的缺陷率可導(dǎo)出相應(yīng)的篩選方案。但限于篩選度模型及元器件缺陷率的準(zhǔn)確性不高，加上該方法僅適用于純電子產(chǎn)品，所以，國內(nèi)現(xiàn)有裝備很少采用此方法確定篩選量級。

（3）步進(jìn)法：即以遞增的應(yīng)力試驗(yàn)和故障分析為手段確定篩選量級，由此得出的結(jié)果最符合產(chǎn)品實(shí)際。文獻(xiàn)[3]特別強(qiáng)調(diào)用步進(jìn)應(yīng)力方法來確定篩選量級，并給出了其流程圖。

（4）加速法：即以步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)得到產(chǎn)品的工作極限和破壞極限，再將其降額用作篩選應(yīng)力。該概念較新，國外已用于批量生產(chǎn)的民用飛機(jī)產(chǎn)品，但由于涉及到商業(yè)秘密，目前尚未形成標(biāo)準(zhǔn)。2.1.3 初始ESS方案

參照國內(nèi)同類型號的篩選方案，采用常規(guī)法制定出產(chǎn)品的初始篩選方案（見表1）。

2.2 最終ESS方案

2.2.1 工程研制試樣階段的篩選效果

該導(dǎo)引系統(tǒng)自工程研制初樣階段開始進(jìn)行ESS，每發(fā)產(chǎn)品都按初始的篩選方案嚴(yán)格進(jìn)行了篩選。在工程試樣階段后期其篩選結(jié)果如下：

（1）2d1793ff77c7655d42f15a8bb565f0fee5個(gè)電路組合I在其自身的篩選中，以及整機(jī)的高低溫工作試驗(yàn)和隨機(jī)振動(dòng)中均未故障。

（2）25個(gè)電路組合II在其自身的篩選中共故障8次，有4次故障發(fā)生在第1循環(huán)的低溫階段，2次故障發(fā)生在第2循環(huán)的高溫階段，在第3循環(huán)的高溫段和低溫段各發(fā)生1次故障；通過了自身篩選的電路組合II在整機(jī)的高低溫工作試驗(yàn)中未發(fā)生故障，在整機(jī)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)4次故障。

（3）23發(fā)導(dǎo)引系統(tǒng)在高溫工作和低溫工作試驗(yàn)中未發(fā)生故障，在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中有4發(fā)產(chǎn)品出現(xiàn)了8次故障；電路組合II的4次故障分別是由電位器位置設(shè)計(jì)不合理、阻容匹配不當(dāng)造成的，其余4次都是光學(xué)組件故障。

（4）對以上故障認(rèn)真分析后認(rèn)為：由生產(chǎn)缺陷、工藝不完善造成的故障占50%，如接插件故障、緊固螺釘未上膠等；由設(shè)計(jì)缺陷造成的故障占37.5%，如電路組合II電位器參數(shù)變化、阻容匹配問題和光學(xué)組件用膠不當(dāng)?shù)?；由元器件偶然失效?dǎo)致的故障占12.5%，如繼電器失效、三極管失效等。

（5）對因設(shè)計(jì)引起的故障進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，對擬采取的改進(jìn)措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)有效后落實(shí)到了所有的電路組合II和光學(xué)組件上。

（6）對采取改進(jìn)措施后的光學(xué)組件、電路組合II和導(dǎo)引系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充篩選，篩選結(jié)果也表明改進(jìn)措施是有效的。

2.2.2 最終的ESS方案

通過工程研制試樣階段的篩選，初步驗(yàn)證了導(dǎo)引系統(tǒng)初始篩選方案的有效性，考慮到電路組合II在溫度循環(huán)過程中若前3個(gè)循環(huán)中不發(fā)生故障，則在隨后的4個(gè)循環(huán)中也不會(huì)故障。但限于受篩產(chǎn)品的數(shù)量還不多，數(shù)據(jù)還不很充分，故參照同類型號的篩選方案，決定在設(shè)計(jì)定型階段的篩選中，將電路組合II的7個(gè)溫度循環(huán)調(diào)整為5個(gè)，其余不變（詳見表2）。

3 ESS方案有效性評價(jià)

ESS是一個(gè)動(dòng)態(tài)閉環(huán)過程，在不同組裝等級上采用適當(dāng)?shù)暮Y選條件以最大限度地激發(fā)產(chǎn)品缺陷，并通過連續(xù)監(jiān)視篩選結(jié)果加以調(diào)整，以保證篩選始終有較高的效費(fèi)比。通常評價(jià)ESS方案是否有效主要通過以下三個(gè)方面：

（1）隨著組裝等級的提高，篩選出的故障是否呈明顯下降趨勢？

（2）是否暴露并剔除了生產(chǎn)中引入的大部分的潛在缺陷？

（3）ESS是否過度消耗了產(chǎn)品的壽命？

按照上述評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對某型導(dǎo)彈最終篩選結(jié)果進(jìn)行分析處理，得出不同組裝等級篩選故障分布、故障類別分布情況。該型導(dǎo)彈的導(dǎo)引系統(tǒng)在不同組裝等級的故障分布情況如圖3所示。

從圖3可以看出，導(dǎo)引系統(tǒng)隨著組裝等級的提高，篩選出的故障呈顯著下降趨勢。而從故障類別方面來看，篩選中暴露出來的故障主要有：元器件缺陷、工藝缺陷、電纜缺陷、焊接缺陷、緊固件問題等，其故障類別分布情況見表3。

表3中列出元器件類故障所占比例為60.2%，工藝類故障所占比例為35.6%，其他類為4.2%，由此說明篩選中發(fā)生的故障大都是從生產(chǎn)和元器件中引入的。

篩選對總壽命的損傷應(yīng)當(dāng)控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，如一般認(rèn)為在10%以下可以達(dá)到既剔除缺陷，又為后續(xù)使用留有足夠剩余壽命的目標(biāo)。通過振動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)分析，認(rèn)為篩選后壽命的短板是該導(dǎo)引系統(tǒng)。其在ESS和全彈功能試驗(yàn)中的振動(dòng)應(yīng)力以及相應(yīng)的壽命損耗情況見表4。

由表4可以看出，原ESS方案的壽命損傷率僅為0.45%，加上全彈掛飛和自主飛振動(dòng)的損耗合計(jì)損耗1.27%。由此可以得出現(xiàn)行的ESS方案消

耗產(chǎn)品有效壽命不到10%。

綜上所述，從故障在不同組裝等級分布、故障類別分布和壽命損耗3個(gè)方面進(jìn)行分析，可得某型導(dǎo)引系統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選方案是有效的。

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