航空裝備電子部組件整機貯存延壽評估方法研究

程遠方，李 榮，王廣昊，王永東

（1.中國人民解放軍第五七一五工廠，河南 洛陽 471000；2.中國人民解放軍93128部隊，北京 100843；3.中國人民解放軍93131部隊，北京 100843）

貯存壽命為產品在規(guī)定的貯存條件下能夠滿足規(guī)定要求的時間長度[1]?？湛諏椬鳛椤伴L期貯存、一次使用”的裝備，貯存在整個壽命周期中占據(jù)極大比重。為了保證裝備的有效性，各國普遍對裝備進行定壽和延壽。在研制階段確定裝備維持較高完好率的貯存壽命，在貯存壽命即將結束時，通過一定的手段對裝備性能進行評估，并加入維修、更新等環(huán)節(jié)，延長裝備壽命。貯存壽命評估在實現(xiàn)航空裝備“合理定壽、科學延壽”、保證裝備戰(zhàn)備完好率方面具有重大意義。

目前，貯存壽命評估主要分為現(xiàn)場貯存壽命評估和加速試驗壽命評估2種方法[2-4]?，F(xiàn)場貯存壽命評估方法是在典型的自然環(huán)境下長期貯存，監(jiān)測裝備性能指標的變化，根據(jù)一定的評估標準來確定貯存壽命，但該方法試驗周期長，難以實現(xiàn)。加速試驗壽命評估方法是通過提高產品的試驗應力，對試驗結果進行分析，估算正常應力下的產品壽命。因此，加速試驗提供了一條快速實現(xiàn)貯存壽命評估的途徑。

1 整機加速貯存壽命評估方法

目前加速試驗技術的應用研究大多是針對元器件、材料等產品[5-7]，對整個裝備的貯存壽命評估有限。21世紀后，李久祥和多位貯存可靠性專家開始探討整機加速試驗[8]。其中李久祥在對擺動噴管電液位置伺服系統(tǒng)貯存壽命進行評估的過程中，通過分析整機貯存的薄弱環(huán)節(jié)，確定整機加速貯存試驗的加速應力、特性指標臨界值和試驗方法，對該系統(tǒng)進行了加速貯存壽命試驗。

整機產品加速貯存壽命評估一般有以下3種思路。

1.1 轉化法

產品貯存壽命取決于其中易失效件的可靠貯存壽命。因此，可以找出薄弱環(huán)節(jié)，將其加速貯存壽命轉化為整機產品的加速貯存壽命。

1.2 性能參數(shù)退化法

通過系統(tǒng)主要性能參數(shù)隨應力、時間的變化情況，建立退化模型對其壽命進行預測。

由于產品發(fā)生故障的可能性與性能參數(shù)退化的過程相關。通過某些性能參數(shù)的退化數(shù)據(jù)，對產品的貯存壽命進行預測，從而可以不使用失效數(shù)據(jù)，只利用退化數(shù)據(jù)對產品進行可靠性評定。

1.3 可靠性增長理論

將加速壽命試驗視為可靠性的“負增長試驗”，將可靠性增長理論和分析方法應用到加速壽命試驗中，但這種方法在理論上的可行性有待進一步研究。

目前加速試驗技術的理論及應用分析了整機壽命評估的發(fā)展方向，本文運用加速因子評估法和布朗漂移模型評估法，對某型空空導彈電子部組件的貯存壽命進行了評估。

2 某裝備電子部組件貯存壽命評估方法

2.1 貯存加速對象選取

某裝備電子部組件貯存延壽研究對象主要是裝備中可以通過檢測設備進行檢測的關鍵的或薄弱的電子部組件。

某型裝備由主動雷達導引頭艙、多功能設備艙、戰(zhàn)斗部艙、發(fā)動機艙、舵機艙5個艙段組成。其中電子艙段包括主動雷達導引頭艙、多功能設備艙、舵機艙，這3個電子艙段均可檢測，且均為關鍵艙段。

根據(jù)維修經驗，主動雷達導引頭艙以及多功能設備艙中的7類電子部件，在修理中故障頻次較高，屬于薄弱的電子部件。

因此，某型裝備電子部組件貯存延壽研究對象分為電子艙段和電子部件2個層次，某型裝備電子部組件貯存延壽研究對象層次關系如圖1所示。

圖1 某型裝備電子部組件貯存延壽研究對象層次關系

2.2 電子部組件貯存壽命評估方案

裝備電子部組件貯存延壽研究的工作重點是掌握電子部組件貯存可靠性變化規(guī)律，確定電子部組件的貯存壽命影響因素，評估裝備電子部組件的貯存壽命，確定貯存薄弱環(huán)節(jié)，提出相應的維修建議，為導彈延壽提供支持。貯存壽命主要評估方法如下。

（1）電子艙段貯存加速壽命試驗。通過電子艙段貯存加速壽命試驗，對電子艙段實際貯存環(huán)境進行加速模擬，使試驗樣品等效加速貯存至期望目標年限，根據(jù)試驗中的故障情況掌握電子艙段在貯存至期望目標年限內的薄弱環(huán)節(jié)。

（2）電子部件貯存加速退化試驗。通過電子部件貯存加速退化試驗，對7類薄弱電子部件加深考察深度，進一步掌握該7類電子部件在貯存至期望目標年限內的薄弱環(huán)節(jié)。

（3）電子艙段環(huán)境適應性驗證試驗。為保證電子部組件在期望目標年限內具備基本的環(huán)境適應性，對在加速壽命試驗中等效貯存至期望目標年限的電子艙段開展環(huán)境適應性驗證試驗，考核其具備基本的環(huán)境適應性。

（4）電子部組件貯存壽命綜合分析。在電子艙段貯存加速壽命試驗結果、電子部件貯存加速退化試驗結果、電子艙段環(huán)境適應性驗證試驗結果的基礎上，開展電子部組件貯存壽命綜合分析，確定電子部組件的貯存壽命、貯存薄弱環(huán)節(jié)并提出相應的維修建議。

通過以上各部分研究工作，尋找電子部組件的貯存薄弱環(huán)節(jié)；確定電子部組件能否滿足等效貯存至期望目標年限的壽命要求，為電子部組件的貯存、使用、維護、修理、定延壽研究和工程應用提供技術支持。

2.3 電子部組件貯存加速試驗方法

2.3.1 電子艙段貯存加速壽命試驗

通過對電子艙段，采用基于應力分析的加速因子評估方法，評估整個電子艙段在加速應力下相對于實際貯存條件的加速因子，依據(jù)樣品貯存歷史計算出在加速試驗條件下達到等效貯存至期望目標年限對應的試驗時間，通過加速壽命試驗評估電子艙段整體的壽命是否滿足等效貯存至期望目標年限的要求，并尋找電子艙段存在的薄弱環(huán)節(jié)，采取必要的措施以滿足延壽修理后等效貯存至期望目標年限的要求。

采用基于應力分析與阿倫尼斯相結合的模型評估電子艙段的加速因子，加速因子的計算步驟如下。

（1）建立電子艙段的層次關系，梳理元器件清單，對元器件進行分類，確定各類元器件在常溫應力下的失效率。

（2）采用基于應力分析的方法和阿倫尼斯模型計算各類元器件在加速溫度應力下的失效率。

（3）綜合計算出的電子艙段的各型元器件在常溫下和加速溫度下的失效率，計算出電子艙段的加速因子。

加速因子確定流程如圖2所示。

圖2 加速因子確定流程

2.3.2 電子部件貯存加速退化試驗

在貯存加速退化試驗中，定期檢測各個電子部件的主要性能參數(shù)，獲得在各個試驗應力水平下各個電子部件性能參數(shù)變化趨勢，預測在等效貯存條件下各個電子部件的主要性能參數(shù)的超差時間。

貯存加速退化試驗數(shù)據(jù)處理優(yōu)先采用布朗漂移運動模型；當不符合布朗漂移運動模型時，采用基于應力分析的方法預估電子部件的加速系數(shù)。

（1）布朗漂移運動模型

在貯存過程中，電子部件內部發(fā)生緩慢的變化，使電子部件的性能參數(shù)發(fā)生變化，隨著變化的加劇，電子部件的性能發(fā)生退化，最終電子部件失效。電子部件的性能退化符合布朗漂移運動。具體的布朗漂移運動模型見公式（1），

式中：

Y（t）為t時刻產品某性能值；

Y（t0）為t0時刻產品某性能值；

μ為漂移系數(shù)，μ＞0；

σ為擴散系數(shù)，σ＞0，σ在整個加速退化試驗中不隨應力而改變；

B（t）為標準布朗運動，B（t）～N（0，t）。

在性能退化的反應過程中存在能量勢壘，環(huán)境應力提供跨越這種勢壘（稱為激活能Ea）所必需的能量，因此，環(huán)境應力的大小決定了電子部件內部發(fā)生物理化學變化的速率。越過勢壘進行反應的頻數(shù)是按一定概率發(fā)生的，服從玻爾茲曼分布。在貯存環(huán)境下，主要的環(huán)境應力是溫度應力，反應速度與溫度的關系符合阿倫尼斯（Arrhenius）模型，

式中：

μ

（Tj）為Tj溫度應力下的退化速度；

A為頻數(shù)因子；

E a為激活能，以eV為單位；

K為玻爾茲曼常數(shù)。

布朗漂移運動具有獨立增量性，屬于馬爾科夫過程，即在非重疊的時間間隔Δt內退化增量相互獨立。而布朗運動本身屬于一種正態(tài)過程，其退化增量（Yi-Yi-1）服從均值為μ（Tj）Δt，方差為σ2Δt的正態(tài)分布，結合式（1）和式（2）得到溫度應力模型下的加速退化方程：

（2）加速試驗等效貯存時間估計

在采用布朗漂移運動模型對性能參數(shù)進行預測后，可計算出貯存失效首達時間，并通過加速模型估計出加速試驗等效貯存時間。

貯存退化失效首達時間預測結果：

其中：T為測試周期；

X為合格判據(jù)值。

在3個不同應力水平下（Tj）預測得到3個貯存退化失效首達時間（tj），組成3個序對{（Tj，tj）其中j=1，2，3}，利用阿倫尼斯模型推導可得：

采用最小二乘法可求得參數(shù)A和E a，進一步推導可獲得加速因子AF（Tu∶Tj），

其中：

Tu為典型貯存環(huán)境條件下的溫度；

Tj為貯存加速退化試驗條件下的溫度，其中j=1，2，3。

因此，在典型貯存環(huán)境條件下的貯存退化首達時間預測值：

（3）基于應力分析加速因子評估

對于以下2種情況可采用加速系數(shù)和故障信息評估貯存壽命信息：a.樣品數(shù)量少于3個；b.不符合加速退化模型。

2.3.3 電子艙段環(huán)境適應性驗證試驗方法

在電子艙段貯存加速壽命試驗中，當電子艙段加速試驗至等效貯存期望目標年限時，進行全面測試和環(huán)境適應性驗證試驗（高溫工作、低溫工作、功能振動、溫度沖擊、低溫低氣壓等），以考核電子艙段在等效貯存至期望目標年限的環(huán)境適應性。

2.3.4 貯存壽命綜合分析

在電子部組件貯存加速試驗、電子艙段環(huán)境適應性驗證試驗等3部分工作的基礎上，進行綜合分析，評估裝備電子部組件的貯存壽命。

3 結論

在對某型空空導彈電子艙段進行貯存延壽研究的過程中，進行電子艙段貯存加速壽命試驗，利用元器件計數(shù)法對電子艙段的可靠性進行預計，計算其在實際貯存環(huán)境下和施加一定應力水平下的可靠性，計算采用恒定溫度應力下的加速因子，從而將產品在應力試驗中等效加速貯存到目標壽命，判斷貯存延壽的可行性。電子部件貯存加速退化試驗中，選取了多個電子部件的關鍵性能參數(shù)進行測量，發(fā)現(xiàn)電子部件由于其復雜性，關鍵性能參數(shù)決定于多個元器件之間的相互作用，未呈現(xiàn)出很好的退化現(xiàn)象，無法對失效情況進行預估，采用了加速因子評估方法。

通過以上分析和試驗實施，發(fā)現(xiàn)加速因子評估法相較于布朗漂移模型評估法，在進行小子樣整機壽命評估中具有更好的操作性和可行性。