翟波,蔡良續(xù),祝耀昌
(1.中航工業(yè)洛陽光電所,河南洛陽471009;2.中航工業(yè)綜合所,北京10028)
實驗室環(huán)境試驗條件及其剪裁技術(shù)
翟波1,蔡良續(xù)2,祝耀昌2
(1.中航工業(yè)洛陽光電所,河南洛陽471009;2.中航工業(yè)綜合所,北京10028)
探討了試驗用的環(huán)境條件的基本概念及其與設(shè)計用環(huán)境條件的區(qū)別和聯(lián)系,分析了GJB 150和GB 2423兩類試驗方法標準中規(guī)定試驗條件的特點和帶來的問題。分析表明,試驗用的環(huán)境條件不一定就是設(shè)計用的環(huán)境條件,并指出了不同階段試驗用環(huán)境條件確定原則和方法。
環(huán)境試驗;試驗條件;剪裁
長期以來,環(huán)境試驗方法通用標準一直存在著既包括試驗方法又包括試驗用環(huán)境條件的狀況,如GJB 150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》[1]中的各個試驗方法,基本為每個試驗程序都規(guī)定了試驗用的環(huán)境條件。這種條件不是給出最嚴酷的量值,就是給出相應(yīng)的計算公式,根據(jù)公式計算出的量值也往往是最嚴酷的量值,只有很少部分試驗條件需要根據(jù)受試產(chǎn)品的實際情況,需在引用此標準的產(chǎn)品技術(shù)條件中另行確定。如GJB 150中的高溫試驗中包括高溫貯存和高溫工作試驗兩個程序,高溫貯存試驗程序的溫度和時間規(guī)定為70℃和48 h,高溫工作試驗的溫度和時間則不作明確規(guī)定要求。GB 2423《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗》[2—3]就不同,其各個試驗方法中,試驗環(huán)境條件不作具體規(guī)定,只是給出了嚴酷度等級,某一產(chǎn)品具體的試驗條件則根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用場合和特點等從這組等級中選取??梢哉J為,其試驗用環(huán)境條件是需要根據(jù)產(chǎn)品實際遇到的環(huán)境剪裁的,只是為了系列化和規(guī)范化,將其限制在一定范圍內(nèi)指定的等級上,而不能用任意量值。GB 2423中對試驗嚴酷度(應(yīng)力強度和作用時間)進行分等分級這一做法的目的是將貨架產(chǎn)品按其耐環(huán)境能力分成各種等級,以便于采購。某一個等級產(chǎn)品的試驗環(huán)境條件及應(yīng)用范圍和場合是固定的,試驗環(huán)境條件剪裁實際上就是產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境等級的選擇。
可以看出,GJB 150和GB 2423在試驗環(huán)境條件的確定原則上有明顯的區(qū)別。GJB 150給出的是最嚴酷的條件,國標則是給的一組等級,具體條件要根據(jù)產(chǎn)品實際應(yīng)用地域范圍選擇,但這兩類標準的共同之處都是在試驗方法中列出了試驗環(huán)境條件(或嚴酷度等級),并未解釋試驗環(huán)境條件的準確含義及其與環(huán)境適應(yīng)性要求環(huán)境條件的關(guān)系。導(dǎo)致出現(xiàn)了把設(shè)計用環(huán)境條件和試驗用環(huán)境條件混為一談的現(xiàn)象,把試驗環(huán)境條件當(dāng)作環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求的環(huán)境條件。文中將對試驗環(huán)境條件的內(nèi)涵,GJB 150和GB 2423兩類標準中試驗環(huán)境條件規(guī)定導(dǎo)致的問題,以及試驗環(huán)境條件的剪裁進行探討,或許對正確理解和貫徹GJB 150A[4]剪裁標準能有幫助。
1.1 試驗環(huán)境條件與試驗條件
環(huán)境試驗的試驗條件,從廣義上來說應(yīng)當(dāng)包括環(huán)境應(yīng)力條件、電應(yīng)力和負載條件,必要時還有冷卻通風(fēng)要求等,這些都是受試產(chǎn)品試驗中必然經(jīng)受到的外加應(yīng)力條件[5—7]。在GJB 150中沒有對試驗條件作出明確的說明,其試驗條件一節(jié)中給出的只是環(huán)境條件,因此長期以來試驗條件已固化為環(huán)境應(yīng)力條件。GJB 899《可靠性鑒定和環(huán)境驗收試驗》盡管在正文中將電應(yīng)力排除在試驗條件之外,但在其附錄《綜合環(huán)境條件》中,明確將電應(yīng)力、溫度、振動、濕度一起納入綜合應(yīng)力剖面,實際已經(jīng)將電應(yīng)力作為試驗條件之一,而且一些工作狀態(tài)需要冷卻通風(fēng)的產(chǎn)品還增加了冷卻通風(fēng)流量方面的規(guī)定。負載條件隨產(chǎn)品而異,一般不會將納人其試驗剖面,而只在試驗程序中加以規(guī)定。
應(yīng)當(dāng)指出,目前就環(huán)境工程專業(yè)通常的理解來說,試驗條件只是狹義看作為環(huán)境條件,而把有關(guān)電應(yīng)力或動力源應(yīng)力、冷卻通風(fēng)要求和負載要求統(tǒng)統(tǒng)納入試驗程序。因此文中僅討論試驗用環(huán)境條件。
試驗環(huán)境條件一般由2個方面組成[8—9],一是施加環(huán)境應(yīng)力強度的大小或量值;二是應(yīng)力作用的時間(循環(huán)數(shù))或次數(shù)。要說明的是,不同環(huán)境因素產(chǎn)生環(huán)境應(yīng)力的表征方式往往是不一樣的。例如,對于溫度這一環(huán)境因素而言,表征溫度應(yīng)力的大小主要是溫度的高低和溫度變化速率,對于振動和沖擊等力學(xué)環(huán)境因素來說,表征其應(yīng)力強度的是譜型或波形和加速度量值。對于多個環(huán)境因素的試驗來說,環(huán)境應(yīng)力必然涉及多個環(huán)境因素,例如濕熱試驗的試驗條件將涉及溫度和相對濕度2個環(huán)境應(yīng)力,對于太陽輻射試驗來說,涉及溫度、太陽光譜,太陽輻射強度。此外,某些環(huán)境因素,如霉菌無法定量表示,只能規(guī)定菌種類型組成,菌種構(gòu)成的不同必然使環(huán)境條件應(yīng)力作用強度有所區(qū)別。應(yīng)力作用時間或次數(shù)則決定了應(yīng)力作用的累積效應(yīng)程度大小,累積效應(yīng)越大,產(chǎn)品被破壞或劣化可能性越大,也是試驗環(huán)境條件的重要組成部分。
1.2 試驗環(huán)境條件不一定等于設(shè)計用環(huán)境條件
長期以來,由于GJB 150中明確規(guī)定了試驗條件,許多型號總師單位在編制環(huán)境要求文件及其與成品廠簽訂成品研制合同中,直接把GJB 150試驗方法中的試驗用的環(huán)境條件作為環(huán)境要求引入合同或產(chǎn)品技術(shù)文件,甚至在更高層次的研制任務(wù)書中,也有把GJB 510標準中某一試驗方法中的試驗條件直接作為要求的現(xiàn)象[10—13]。造成這種情況的原因有兩個方面:主觀上是對設(shè)計用環(huán)境條件和試驗用的環(huán)境條件概念不清,認為試驗條件即設(shè)計條件;客觀上是缺少現(xiàn)成的環(huán)境數(shù)據(jù)和確定設(shè)計用的環(huán)境條件即環(huán)境(設(shè)計)要求的方法,不得不把GJB 150中規(guī)定的試驗用的環(huán)境條件直接作為設(shè)計要求。
裝備的環(huán)境要求應(yīng)包括兩個方面,一是環(huán)境適應(yīng)性(設(shè)計)要求,二是對合同中提出的環(huán)境性適應(yīng)性(設(shè)計)進行驗證的要求,即環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求和適應(yīng)性驗證要求。這兩個要求均應(yīng)在研制任務(wù)書或合同中加以明確。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求是設(shè)計員必須考慮的技術(shù)指標,而環(huán)境適應(yīng)性驗證要求則包括各種分析驗證方法和試驗驗證方法,環(huán)境試驗是進行驗證的主要手段,但不是全部手段。
環(huán)境試驗應(yīng)用于產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和使用各個階段,各階段的試驗?zāi)康牟煌?因此試驗應(yīng)用的環(huán)境條件也不相同。只有在定型階段進行環(huán)境鑒定試驗和生產(chǎn)階段進行環(huán)境例行試驗用各試驗項目的環(huán)境條件基本等同于設(shè)計用的環(huán)境條件。其余環(huán)境試驗的環(huán)境應(yīng)力均應(yīng)以設(shè)計用的環(huán)境條件為基線,根據(jù)試驗?zāi)康膶ζ溥M行適當(dāng)剪裁調(diào)整。
1.3 GJB 150中試驗環(huán)境條件的應(yīng)用
GJB 150各試驗方法中規(guī)定試驗用的環(huán)境條件是驗證產(chǎn)品對某一環(huán)境適應(yīng)性用的環(huán)境條件,這一環(huán)境條件基本上是GJB 150中規(guī)定相應(yīng)類別的裝備在實際壽命期內(nèi)遇到的最嚴酷的環(huán)境應(yīng)力條件。目前,由于許多型號不具備裝備壽命期遇到的實際環(huán)境數(shù)據(jù),因此不得不采取權(quán)宜措施,直接把GJB 150中規(guī)定的試驗用環(huán)境條件作為某產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和試驗驗證用的環(huán)境條件。應(yīng)當(dāng)指出,這種條件并不可能適用于每一個產(chǎn)品,采用這種條件必然造成過設(shè)計和過試驗,個別情況導(dǎo)致欠設(shè)計和欠試驗。這也就是GJB 150A(MIL-STD-810F)改為剪裁標準,不再規(guī)定試驗用環(huán)境條件,只提供剪裁用數(shù)據(jù)和剪裁指導(dǎo)方面內(nèi)容的原因[14—15]。GJB 150A中規(guī)定根據(jù)實測數(shù)據(jù)或標準中提供的數(shù)據(jù)及剪裁指南等通過剪裁確定試驗用的環(huán)境條件。
2.1 試驗環(huán)境條件剪裁應(yīng)用時機
試驗用環(huán)境條件的剪裁過程如圖1示,從圖1可以看出,試驗用環(huán)境條件的剪裁是環(huán)境工程剪裁的組成部分。這項工作的前提是已通過剪裁確定了環(huán)境適應(yīng)性要求即設(shè)計的環(huán)境條件,還確定了驗證環(huán)境適應(yīng)性要求要進行的環(huán)境試驗項目(試驗程序)。
2.2 試驗環(huán)境條件剪裁原則
進行試驗用環(huán)境條件剪裁應(yīng)考慮的主要因素有試驗應(yīng)用階段、試驗?zāi)康?、試驗設(shè)備和測試儀表以及時間等可得資源[16]。
圖1 試驗環(huán)境條件剪裁過程及其在環(huán)境工程剪裁中的位置Fig.1 Flow chart of test conditions'tucloring and its position in environmental engineering
2.2.1試驗用環(huán)境應(yīng)力量值剪裁原則
試驗所用應(yīng)力量值的大小取決于試驗的目的。產(chǎn)品壽命期不同階段的試驗?zāi)康牟灰粯?采用的應(yīng)力也不同。
1)環(huán)境鑒定試驗。定型階段環(huán)境鑒定試驗的目的是驗證設(shè)計制造產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性是否滿足合同的要求,作為能否轉(zhuǎn)入批生產(chǎn)決策依據(jù),因此這種試驗各項目用的環(huán)境條件不能低于環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的環(huán)境條件,即不低于合同規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性要求[17]。已確定的各試驗項目的環(huán)境條件一般應(yīng)與適應(yīng)性設(shè)計要求的環(huán)境條件一致。有環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求的環(huán)境因素一般都應(yīng)安排相應(yīng)的環(huán)境鑒定試驗項目,這些項目及其環(huán)境條件可作為確定其他階段的試驗項目及其試驗條件的基線。
2)環(huán)境適應(yīng)性研制試驗。研制階段早期進行這一試驗?zāi)康氖前l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計和制造缺陷,施加的應(yīng)力原則上要大于設(shè)計要求的應(yīng)力量值,確保設(shè)計產(chǎn)品的耐環(huán)境能力有一定的裕度,裕度的大小取決于采用的設(shè)計準則、技術(shù)能力及其他資源的許可。
3)環(huán)境響應(yīng)特性調(diào)查試驗。這一試驗用于結(jié)構(gòu)已基本固化,物理特性不再會有較大改變的產(chǎn)品,其目的是確定產(chǎn)品對施加的溫度、振動應(yīng)力響應(yīng)特性,例如溫度分布,熱點和溫度穩(wěn)定時間,其共振頻率、優(yōu)勢頻率等。這些數(shù)據(jù)可為后續(xù)試驗及產(chǎn)品正確使用提供有用的信息。鑒于這一目的,施加的應(yīng)力不能大于實際使用中遇到的最大應(yīng)力,即不能大于環(huán)境性適應(yīng)性要求中規(guī)定的環(huán)境條件。對于振動應(yīng)加響應(yīng)特性調(diào)查試驗來說,施加的應(yīng)力可以小于環(huán)境適應(yīng)性要求中規(guī)定的應(yīng)力,以免產(chǎn)生累積損傷。當(dāng)該試驗的目的是調(diào)查確定產(chǎn)品耐受某種環(huán)境應(yīng)力的極限能力,如工作應(yīng)力極限和破壞應(yīng)力極限時,以及應(yīng)力裕度時,應(yīng)力量值應(yīng)超過環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求中規(guī)定的環(huán)境應(yīng)力條件。
4)飛行器安全環(huán)境試驗。在航空、航天飛行器首飛前進行環(huán)境試驗的目的是確保初次飛行和后續(xù)試飛安全,避免因某些環(huán)境影響的直接作用使飛行器關(guān)鍵設(shè)備產(chǎn)生故障而導(dǎo)致事故?;谶@一目的,這一試驗應(yīng)選用與安全緊密相關(guān)的相應(yīng)環(huán)境因素的試驗項目,其試驗條件至少應(yīng)與環(huán)境適應(yīng)要求中規(guī)定設(shè)計用的環(huán)境條件一致,也可更嚴酷,但不應(yīng)超過環(huán)境適應(yīng)性研制試驗用過的最大應(yīng)力。
5)環(huán)境驗收試驗。(批)生產(chǎn)階段環(huán)境驗收試驗是驗收檢驗的一種手段,用于剔除合不格產(chǎn)品,一般選用易于激發(fā)制造過程引入缺陷的應(yīng)力類型。如溫度和振動應(yīng)力,應(yīng)力量值可等于或適當(dāng)?shù)陀诃h(huán)境適應(yīng)性要求中規(guī)定設(shè)計用的環(huán)境應(yīng)力。如只選用高低溫工作試驗和振動功能試驗且應(yīng)力和時間減小。近年來,一些電子設(shè)備的生產(chǎn)中已用環(huán)境應(yīng)力篩選代替這種環(huán)境驗收試驗。
6)環(huán)境例行試驗。由于批生產(chǎn)階段的環(huán)境例行試驗是為了檢查批生產(chǎn)的穩(wěn)定性和合同的符合性,因此,其試驗條件與鑒定的試驗條件一致,只考慮試驗項目有適量縮減。批生產(chǎn)階段產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)是不變的,因此可以去除其影響主要與材料和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的環(huán)境因素,如霉菌和鹽霧對應(yīng)的試驗項目。
2.2.2應(yīng)力作用時間剪裁原則
施加應(yīng)力時間一般按有關(guān)試驗方法規(guī)定,也可根據(jù)試驗性質(zhì)和壽命期中環(huán)境應(yīng)力出現(xiàn)的頻率和持續(xù)技術(shù)時間長短分析確定。
2.3 試驗環(huán)境條件剪裁基本步驟
試驗環(huán)境條件剪裁基本步驟如下:
1)搜集信息。搜集壽命期該應(yīng)力量值大小、作用頻度或時間信息;相似設(shè)備該項試驗的環(huán)境條件、試驗結(jié)果和相關(guān)使用故障信息;環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計要求中相關(guān)環(huán)境因素的設(shè)計用的環(huán)境條件。
2)確定鑒定試驗用的環(huán)境條件。根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性要求中,該項試驗相關(guān)環(huán)境因素設(shè)計用的環(huán)境條件和產(chǎn)品壽命期內(nèi)該應(yīng)力出現(xiàn)的頻度和持續(xù)時間,以及試驗方法標準規(guī)定等確定鑒定試驗的環(huán)境條件。
3)確定其他種類試驗的環(huán)境條件。以鑒定試驗的環(huán)境條件為基線按2.2節(jié)中闡述的試驗環(huán)境條件剪裁原則,結(jié)合試驗的目的和性質(zhì)、試驗設(shè)備情況、研制進度要求、經(jīng)費等可得資源,確定其他種類環(huán)境試驗的環(huán)境條件。
文中通過對試驗和設(shè)計用環(huán)境條件的基本概念、區(qū)別和聯(lián)系的探討,結(jié)合GJB 150和GB 2423兩類試驗方法標準中規(guī)定試驗條件的特點以及帶來的問題,分析并指出了試驗用的環(huán)境條件不一定就是設(shè)計用的環(huán)境條件的依據(jù)。進而針對GJB 150A這一剪裁性標準,討論了試驗環(huán)境條件剪裁的應(yīng)用時機、原則、基本步驟等問題,并著重對裝備研制不同階段、不同類型環(huán)境試驗用試驗條件的確定原則和方法進行了分析。
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The Conditions of Laboratory Environmental Tests and Its Tailoring Techniques
ZHAI Bo1,CAI Liang-xu2,ZHU Yao-chang2
(1.Luoyang Research Institute of Electro-optical Equipment,AVIC,Luoyang 471009,China; 2.AVIC AeroPloytechnology Establishment,Beijing 100028,China)
The basic concepts of environmental test conditions,the distinction and connection between the test and the design environmental conditions were discussed in this paper.The characteristics and problems of the two types of test conditions provided by GJB 150 and GB 2423 were also analyzed.The analysis showed that the test environmental conditions were not necessarily the environmental conditions for designing.The principles and methods of determining the environmental conditions in different stages were pointed out.
environmental test;test conditions;tailoring
10.7643/issn.1672-9242.2014.05.017
V416.6
:A
1672-9242(2014)05-0087-05
2014-07-01;
2014-08-10
Received:2014-07-01;Revised:2014-08-10
翟波(1972—),男,河南濟源人,工程師,主要研究方向為環(huán)境和可靠性試驗。
Biography:ZHAI Bo(1972—),Male,from Jiyuan,Henan,Engineer,Research focus:environment and reliability tests.