離心試驗在產(chǎn)品可靠性檢驗中的應用

張 冰，陳立偉，陳永祥，楊 博，馮 偉

（1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

離心試驗在產(chǎn)品可靠性檢驗中的應用

張 冰1,2，陳立偉1，陳永祥1，楊 博2，馮 偉2

（1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

根據(jù)離心試驗的特點，分析離心試驗的失效機理，從而確定離心試驗對于在實際使用中經(jīng)受恒加速度環(huán)境的產(chǎn)品在實驗室環(huán)境中進行考核的必要性。另外，由于離心試驗的“無損”特性，認為離心試驗作為一種工藝篩選手段對批量產(chǎn)品進行篩選從而在早期剔除存在某些工藝缺陷的產(chǎn)品是非常有效的，因此離心試驗與環(huán)境應力篩選類似，也可以作為產(chǎn)品出廠可靠性檢驗的一種篩選方式。

離心試驗；失效機理；可靠性檢驗；無損試驗；工藝篩選

引言

20世紀以來，隨著航空航天活動的發(fā)展和日益頻繁，人類終于可以克服地球引力，在大氣層內(nèi)甚至是浩瀚的地外空間任意翱翔，這都是以獲得足夠的速度為前提條件的。另外，隨著軍事的不斷發(fā)展，對戰(zhàn)斗機的性能也提出了越來越高的要求，能夠完成高難度的機動動作是如今評價一款新研制軍機的重要考核指標之一。由經(jīng)典物理學可知，任何物體從靜止到運動，或者使其運動速度在數(shù)值上或方向上發(fā)生任何改變，都必須獲得相應加速度，加速度是航空航天過程中必然遇到的一個重要誘導環(huán)境。說它是誘導環(huán)境，因為它不像真空、溫度等是客觀存在著的真實環(huán)境，而是由于運動被引發(fā)而產(chǎn)生的。加速度將會導致飛行質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，使飛機、航天器和搭載物體出現(xiàn)超重或失重現(xiàn)象。產(chǎn)品性能的優(yōu)劣，除自身固有的技術(shù)先進與否之外，對使用環(huán)境的適應能力，在實際使用和運輸過程中的可靠性和環(huán)境抵御能力是影響產(chǎn)品性能不可忽視的組成部分。為提高產(chǎn)品的技術(shù)水平，同時提高其工作可靠性，目前產(chǎn)品的一系列可靠性試驗工作已經(jīng)在各類產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)中廣泛展開，這其中就包括恒加速度試驗。例如，GJB 150、GJB 360、美軍標MIL-STD-810F、MIL-STD-202F均把穩(wěn)態(tài)加速度試驗作為電子設(shè)備重點試驗之一。

1 離心試驗原理

加速度是一個矢量，它有大小和方向兩個要素。嚴格地說，只有加速度的大小和方向均不發(fā)生變化才能稱為恒加速度。絕對的恒加速度在工程上是很少有的。但加速度數(shù)值大小變化緩慢的直線加速度以及相對產(chǎn)品的方向不變的離心加速度是經(jīng)常遇到的。

任何一種物體在作圓周運動或曲線運動時都要受到離心力的作用。等速圓周運動產(chǎn)生的恒加速度如圖1和圖2所示。試驗樣品裝在試驗機R處，當離心機轉(zhuǎn)速不變時，試驗樣品相對地面作等速度圓周運動[2]。

因為ΔOBC～ΔO′ B′ C′，所以

當Δt→0時，Δl≈ΔS，故加速度為

當Δt→0，Δφ→0時，則ΔV⊥V，加速度方向指向旋轉(zhuǎn)軸。

圖1 等速圓周運動恒加速度圖

圖2 速度向量圖

2 離心試驗失效機理

2.1 失重效應

當物體的加速度方向與重力加速度方向相同時，物體呈現(xiàn)重量減小的現(xiàn)象，稱為失重狀態(tài)。特殊情況，當加速度值也與重力加速度值相等時，物體將失去重力場的作用，稱為完全失重狀態(tài)。

完全失重狀態(tài)時，物體沒有重量，與機體固定連接的產(chǎn)品還能保持相對位置；而靠重力產(chǎn)生摩擦保持相對位置的產(chǎn)品，將在三維空間內(nèi)處于自由狀態(tài)，很難再保持其相對位置；靠重力保持液面的液體，液面被破壞，液、氣混合成懸浮狀態(tài)，如油箱中的油；靠重力保持其工作狀態(tài)、姿態(tài)的儀器設(shè)備就失去保持工作姿態(tài)的依據(jù)，如垂直陀螺等；產(chǎn)品處于失重狀態(tài)，由于重量造成的變形消除了，這時有些產(chǎn)品內(nèi)部部件之間的相對關(guān)系會發(fā)生變化；同時，失重狀態(tài)破壞了散熱的重要途徑，熱氣上升、冷氣下降的對流散熱的效應消失，使發(fā)熱產(chǎn)品溫度升高，導致直流電機碳刷磨損加劇。

2.2 超重效應

當物體的加速度方向與重力加速度方向相反時，物體的重量會增加，稱為超重狀態(tài)。超重狀態(tài)會給產(chǎn)品帶來以下效應[3]：

1）拋射作用。沒有約束或彈性約束的產(chǎn)品，會因加速度的作用而相對基座、殼體發(fā)生拋射作用，造成很大的相對運動，如炮管中的炮彈和發(fā)射架上的火箭。飛機、火箭、車、船體上的物體，非密封容器中的液體、氣體，均會因為質(zhì)量和大加速度的作用產(chǎn)生很大的慣性力，發(fā)生拋射作用造成物體拋出。

2）增壓作用。密封容器中的液體，會因大的加速度作用使加速度相反方向的壓力增加，其增加的壓力值等于質(zhì)量乘以恒加速度的數(shù)值。這個壓力對電器中低壓的供油、冷卻等系統(tǒng)影響較大。如果不采取特殊措施，會嚴重影響其工作性能。

3）增大應變。由于大的恒加速度使得慣性力增加，此力增加會帶來產(chǎn)品內(nèi)部應力增加。某些結(jié)構(gòu)在恒加速度作用下是靠應變力來平衡外力的，其關(guān)系式為

式中，k為產(chǎn)品有關(guān)部分機械結(jié)構(gòu)的靜強度；x為應變，即產(chǎn)品有關(guān)部分的相對位移；m為產(chǎn)品有關(guān)部分的質(zhì)量；a為恒加速度。若應力大到超過結(jié)構(gòu)材料的彈性極限，則要發(fā)生塑性變形。其應力大到超過材料的斷裂強度極限，可能使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂。

4）增加位移。大的恒加速度會帶來大的位移，大的位移可能引起產(chǎn)品工作狀態(tài)的變化，如繼電器的觸點之間的相對位移大了就會改變通斷狀態(tài)，造成誤動作、失靈；也可能使得其他產(chǎn)品的電氣、機械性能超差。對滑動件來說，由于恒加速度作用使得正壓力增加，隨著正壓力增加則摩擦力增加。大的摩擦力增加了活動部分的阻尼，使活動部分的死區(qū)增加，當摩擦力大于操作力時，甚至會發(fā)生卡死現(xiàn)象，指針式的儀表會因平衡不夠好造成錯誤的指示或?qū)е罗D(zhuǎn)軸與指針變形。

3 離心試驗在實驗室環(huán)境試驗中的應用

正是由于產(chǎn)品在加速度作用下會出現(xiàn)上述的失重效應和超重效應，因此會對人類的航空航天活動帶來一定的危害，從而在實驗室環(huán)境中，必須對其在經(jīng)受加速度環(huán)境下的性能指標、結(jié)構(gòu)完好性和墜撞安全性進行考核。另一方面，也可以利用其過載效應將其向有利的方向進行引導，使之在檢驗產(chǎn)品工藝可靠性方面發(fā)揮作用。

3.1 性能、結(jié)構(gòu)和墜撞安全試驗

GB/T 2423.15規(guī)定：“加速度試驗用于確定元器件、設(shè)備和其他電工電子產(chǎn)品經(jīng)受穩(wěn)態(tài)加速度環(huán)境所產(chǎn)生的力（重力除外），如運行的車輛、空中運載工具、旋轉(zhuǎn)機械和拋射體所產(chǎn)生的力的作用下，結(jié)構(gòu)的適應性和性能是否良好，以及評定一些元器件的結(jié)構(gòu)完好性?！盵4]GJB 150.15A規(guī)定：“加速度試驗的目的在于驗證：①裝備在結(jié)構(gòu)上能夠承受使用環(huán)境中由平臺加、減速和機

環(huán)境適應性和可靠性動引起的穩(wěn)態(tài)慣性載荷能力，以及在這些載荷作用期間和作用后其性能不會降低；②裝備承受墜撞慣性過載之后不會發(fā)生危險?！盵5]綜合來看，加速度試驗主要從性能、結(jié)構(gòu)和墜撞安全性三個方面考核產(chǎn)品在沖擊和振動試驗時不一定能檢測出的結(jié)構(gòu)和機械的缺陷。

性能試驗主要考核、評定產(chǎn)品在承受由使用加速度產(chǎn)生的載荷時以及之后的性能不會降低。其主要驗證在加速度環(huán)境下，電子線路板的短路和開路、電感和電容值的變化、繼電器的斷開和吸合、壓力和流量調(diào)節(jié)數(shù)值的變化、密封的泄漏、伺服閥滑閥移位引起錯誤和危險的控制系統(tǒng)響應等對產(chǎn)品性能帶來的影響。

結(jié)構(gòu)試驗主要驗證結(jié)構(gòu)承受由使用加速度產(chǎn)生的載荷的能力。部分產(chǎn)品使用時，在加速度環(huán)境條件下并不工作，只是加速度去掉以后才工作，則要求這些產(chǎn)品在經(jīng)受預期的加速度條件后，其結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形、斷裂、卡死等失效和損傷，環(huán)境應力消除后再檢查、測量其電氣、機械性能。

墜撞安全試驗主要驗證產(chǎn)品在墜撞加速度作用下不會破裂或不從固定架上脫落。在運載工具緊急著陸、剎車狀態(tài)時會產(chǎn)生大大超過正常使用時的恒加速度數(shù)值。由于產(chǎn)品本身的功用不同，要求其可靠度不同，故對其耐加速度的能力要求也不同。如安全救生系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、故障記錄系統(tǒng)就要求在飛機迫降的大恒加速度時，它們的工作必須正常，因為這時正是發(fā)揮它們功能的時候，對于這類設(shè)備，要模擬墜撞時大加速度條件下的功能適應性試驗；裝在上述系統(tǒng)附近的產(chǎn)品，在墜撞大加速度作用時可以不工作，結(jié)構(gòu)也允許損傷，但不允許產(chǎn)品上有部件脫落，也不允許有影響附近系統(tǒng)正常工作的大位移；裝在乘員倉、室內(nèi)的其它產(chǎn)品，允許變形、卡死、功能等損壞，只要不發(fā)生零、部件脫落導致傷害乘員及阻礙安全救生設(shè)備正常工作即可。

3.2 工藝篩選手段

根據(jù)材料的應力-應變曲線可知，大部分金屬材料，無論是受拉還是受壓，只要作用力不超過材料的彈性極限，無論作用時間長短，當外力撤去之后，變形將會完全消失，不會產(chǎn)生殘余應變，而只要作用力超過材料的強度極限后，瞬間就可以將材料拉斷；同時根據(jù)材料的S-N曲線可知，只要最大應力不超過材料的疲勞極限，它們即可經(jīng)歷“無限”次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞。也就可以得出這樣一個結(jié)論：結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞，僅與外作用力大小有關(guān)，而與作用力的施加時間和次數(shù)無關(guān)，只要外作用力大小控制在某個范圍之內(nèi)，無論其作用時間長短，也無論其加載次數(shù)多少，均不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生累積損傷。同樣，相對于產(chǎn)品大小和方向都不改變的恒定離心加速度試驗，其作用效果即為靜力施加效果，因此在相同離心應力作用下，結(jié)構(gòu)的失效率與離心應力的施加長短以及施加次數(shù)無關(guān)。因此，恒定離心加速度試驗也可以看作是一種“無損”試驗，而非破壞性試驗，可以認為離心應力的施加對產(chǎn)品無損傷累積效果，產(chǎn)品不會隨著測試時間的加長與次數(shù)的增加產(chǎn)生疲勞失效?；诖?，可以認為離心試驗作為一種環(huán)境應力在產(chǎn)品早期故障剔除中激發(fā)出潛在的工藝等與產(chǎn)品固有壽命特性無關(guān)的缺陷是一種非常合適的篩選手段。

產(chǎn)品存在結(jié)構(gòu)缺陷，一般會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，應力要比結(jié)構(gòu)完好的產(chǎn)品成倍增加，因此要使其失效的外力水平就比結(jié)構(gòu)完好的產(chǎn)品失效要低得多。因此，要實現(xiàn)對產(chǎn)品在早期缺陷剔除中達到工藝篩選的目的，就要選取合適的篩選應力水平。這個應力水平，應該選在稍高于有缺陷結(jié)構(gòu)的失效能量水平，而又遠離完好結(jié)構(gòu)失效時所需的能量水平，這樣才能實現(xiàn)“無損”篩選試驗的目的。如果確定了合適的加速度水平，離心試驗就可以用作生產(chǎn)線上的全數(shù)篩選試驗，從而檢測出和剔除在生產(chǎn)過程中由于材料、工藝、操作及生產(chǎn)工人等與產(chǎn)品固有特性無關(guān)的原因造成的任何結(jié)構(gòu)部件機械強度低于標稱值的產(chǎn)品，從而降低產(chǎn)品失效率“浴盆”曲線中早期故障發(fā)生的概率。

高應力試驗也可用作測定封裝、內(nèi)部金屬化和引線系統(tǒng)、芯片或封底附著能力及微電子器件其他部件的結(jié)構(gòu)強度極限值。有些密封的微電子元件，如晶體管、集成電路或其他結(jié)構(gòu)堅固的微電子產(chǎn)品，由于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件質(zhì)量很小，要給零件加到一定量值的力，只有增加加速度值，即F=ma中的a，所以做此類試驗時，其離心加速度值往往達到幾千g甚至是幾萬g。對產(chǎn)品施加不同水平的離心應力，加速產(chǎn)品失效，通過失效產(chǎn)品的分析了解產(chǎn)品內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的強度；分析失效機理，尋找失效規(guī)律，從而為改進產(chǎn)品的工藝和提高產(chǎn)品可靠性指標提供依據(jù)?，F(xiàn)在國外已經(jīng)將離心加速度試驗列入高可靠性元器件100%工藝篩選標準程序中并作為工藝質(zhì)量監(jiān)控手段之一。

4 結(jié)論

本文根據(jù)恒定加速度環(huán)境在航空航天活動中的普遍性，介紹了最廣泛采用的相對于產(chǎn)品方向和大小均不變的離心加速度試驗的工作原理。然后分析了離心試驗的失效機理，并從材料力學的角度證明了合適應力水平的離心試驗的“無損”特性。因此，離心加速度試驗不僅可以用來模擬實際使用條件，考核產(chǎn)品在實際離心力作用下的工作能力、結(jié)構(gòu)完整性和墜撞安全性，還可以用來檢測產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的牢固性和可靠性，對批量產(chǎn)品進行驗收，并且通過研究各類器件用離心應力進行篩選的應力水平，可以為制定標準產(chǎn)品結(jié)構(gòu)牢固性質(zhì)量考核標準與高可靠性器件工藝篩選的規(guī)范標準提供試驗依據(jù)。

[1] 賈普照. 穩(wěn)態(tài)加速度模擬試驗設(shè)備—離心機的設(shè)計(1)[J]. 航天器環(huán)境工程,2009,26(1):86-100.

[2] 郁南,馬貴賢. 離心式恒加速度試驗系統(tǒng)基本參數(shù)研究[J]. 飛機設(shè)計,2009,29(1):64-66.

[3] 《力學環(huán)境試驗技術(shù)》編著委員會. 力學環(huán)境試驗技術(shù)[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社,2003:512-513.

[4] GB/T 2423.15-2008,電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法試驗Ga和導則：穩(wěn)態(tài)加速度[S].

[5] GJB 150.15A-2009,軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第15部分：加速度試驗[S].

Application of Centrifugal Acceleration Test in Product Reliability Inspection

ZHANG Bing1,2, CHEN Li-wei1, CHEN Yong-xiang1, YANG Bo2, FENG Wei2
（1. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076; 2. Tianjin Aerospace Relia Technology Co., Ltd., Tianjin 300462）

According to the characteristic of centrifugal acceleration test, its invalidation mechanism is analyzed. It is determined that centrifugal acceleration test is necessary to do in the laboratory for the products which withstand constant acceleration environment in actual use. Furthermore, centrifugal acceleration test is very effective for weeding out the technologic defective products in the early as a technologic means to screen a batch of products because of its "lossless" feature. Therefore, centrifugal test is similar to environmental stress screening process and can also be used as a screening approach to check the reliability of the products in the factory stage.

centrifugal test; invalidation mechanism; reliability inspection; lossless test; technologic screening

TB114.3

A

1004-7204(2014)05-0044-04

張冰（1985- ），男，漢族，河北人，碩士，工程師，從事強度、振動和可靠性技術(shù)研究。