可靠性強化試驗技術在空空導彈研制中的應用

陳鐵牛，吳 昌，王海波

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

空空導彈研制過程中，非常重視可靠性試驗工作。因為即使是最有經(jīng)驗的設計師運用各種可靠性設計分析手段設計出的產(chǎn)品，如果不進行試驗的驗證也很難保證沒有缺陷。據(jù)統(tǒng)計，約70%的缺陷需要通過試驗來發(fā)現(xiàn)。

在國外，可靠性強化試驗得到了廣泛的應用。目前從事可靠性強化試驗技術研究的主要研究機構有Qual-Mark 公司、Otis Elevator 公司和Hobbs Engineering 公司等。在可靠性強化試驗理論研究方面比較知名的專家有Wayne Nelson，S. Smithson，Joseph Capitano，Gregg K. Hobbs 等［1－6］。

在國內(nèi)，可靠性強化試驗技術方面得到了快速的發(fā)展。目前，開展可靠性強化試驗技術研究的單位主要有國防科技大學、北京航空航天大學、中國工程物理研究院電子工程研究所、信息產(chǎn)業(yè)部電子5 所等。北京航空航天大學和國防科技大學可靠性實驗室引進了可靠性強化試驗設備，并開展可靠性強化試驗理論與技術研究。

在工程應用方面，可靠性強化試驗技術已經(jīng)在國內(nèi)幾家大公司開展。如深圳的華為公司將可靠性強化試驗技術應用于其電子產(chǎn)品的研制。有關文獻顯示，國內(nèi)目前已經(jīng)完成可靠性強化試驗的產(chǎn)品主要有某通信產(chǎn)品、某液晶顯示器溫控電路板、某機載電子設備、某軍用直流電源、軍用特種電真空組件、星載銣鐘、某繼電器等［7－10］。

1 試驗機理探析

強度干涉理論為可靠性強化試驗的理論基礎。經(jīng)統(tǒng)計，產(chǎn)品壽命期內(nèi)所遇到的應力符合高斯分布，如圖1 中曲線C 所示。另一方面，產(chǎn)品各部分耐環(huán)境應力也符合高斯分布，如圖1 中曲線A 所示。當耐環(huán)境應力能力較低的正好遇到高應力時，產(chǎn)品將呈現(xiàn)故障狀態(tài)。

圖1 產(chǎn)品耐應力強度與試驗應力強度關系

在可靠性強化試驗中，通過施加步進應力的方法，將使試驗施加應力曲線C 不斷右移。同時，由于對應力激發(fā)出的缺陷采取了糾正措施而使產(chǎn)品的耐應力強度增加，其曲線A 也不斷右移。試驗最終施加的應力超過規(guī)范規(guī)定或使用中遇到的應力，而且已針對此高應力下激發(fā)出的缺陷采取了有效的設計改進措施，因而產(chǎn)品耐應力強度分布曲線大大右移，使圖中的曲線A 變?yōu)榍€An，遠離原來曲線A 的位置，使得C 和An 兩個曲線之間的距離大大增加。

2 試驗剖面設計

2.1 試驗對象

空空導彈可靠性強化試驗對象可以分為全彈級、組件級和分組件級等不同產(chǎn)品。通過對全彈級產(chǎn)品開展可靠性強化試驗，考核各艙段(組件)連接方式，完成全彈技術指標要求的驗證;主要由電子產(chǎn)品組成的組件級產(chǎn)品開展可靠性強化試驗，暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié);對重要的分組件和外協(xié)成件，如三軸光纖陀螺、分控計算機、導引頭信號處理機、相控陣天線等可有選擇的開展可靠性強化試驗，盡早在較低組裝等級暴露產(chǎn)品缺陷。試驗件從產(chǎn)品中隨機抽取，應滿足以下要求:

(1)同狀態(tài)產(chǎn)品已通過必要的環(huán)境適應性試驗且合格;

(2)產(chǎn)品已經(jīng)通過交付試驗，性能和功能檢測合格。

2.2 試驗件數(shù)量

考慮試驗費效比、產(chǎn)品研制周期等原因，針對特別貴重的全彈級、組件級和分組件級產(chǎn)品，可選用一發(fā)產(chǎn)品開展可靠性強化試驗。在步進應力試驗中，對異常情況排故之后，若改進措施促進了產(chǎn)品可靠性的增長，且改進僅涉及普通元器件更換或局部工藝改進，則以產(chǎn)品恢復正常的應力量值為起點，繼續(xù)進行步進應力試驗;若改進涉及到板級以上或關重件產(chǎn)品，則從初始量級重新開始，以上情況產(chǎn)品的應力極限應重新予以確認。試驗產(chǎn)品在快速溫變循環(huán)和綜合環(huán)境應力試驗中出現(xiàn)故障，產(chǎn)品修復后從故障中斷的循環(huán)開始，繼續(xù)完成后續(xù)試驗。針對多枚樣本的可靠性強化試驗，出現(xiàn)破壞極限的產(chǎn)品原則上不繼續(xù)進行下階段試驗。

針對產(chǎn)品數(shù)量相對富裕，具備多枚產(chǎn)品開展可靠性強化試驗的產(chǎn)品，推薦試驗產(chǎn)品數(shù)量如下:

表1 可靠性強化試驗樣本

2.3 試驗剖面設計

2.3.1 傳統(tǒng)試驗方案

傳統(tǒng)可靠性強化試驗所施加的應力一般包括溫度步進、溫度循環(huán)、振動以及綜合環(huán)境應力試驗。步進應力試驗目的是為了確定產(chǎn)品的工作極限，快速溫變循環(huán)應力和綜合環(huán)境應力試驗的目的是為了通過溫度應力的快速變化以及綜合環(huán)境應力來激發(fā)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和設計缺陷。通過對空空導彈進行使用環(huán)境因素和敏感應力分析，得出對其影響最大的應力主要是隨機振動應力和溫度應力。在產(chǎn)品樣本數(shù)量較少的情況下，為了盡可能有效地利用有限的樣本，保證從有限的樣本中獲得足夠的信息，從對產(chǎn)品破壞性小的項目開始進行試驗［11－16］。試驗剖面如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)可靠性強化試驗方案

空空導彈是具有單個產(chǎn)品較昂貴、試驗樣本量小、研制周期越來越短等特點的武器裝備。傳統(tǒng)強化試驗方案的操作流程較簡單，但從其環(huán)境制定的條件可以看出該試驗方案尚有如下不足:

(1)在低溫步進、高溫步進和振動步進應力試驗過程中，通過施加步進應力直到找到產(chǎn)品工作極限或破壞極限。這種方法不能有效控制產(chǎn)品破壞極限出現(xiàn)的時機，空空導彈是復雜的武器裝備系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)破壞極限，往往故障歸零需要耗費較長時間，從而影響試驗效率;

(2)傳統(tǒng)強化試驗方案以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)為目的，因不考慮環(huán)境應力之間的相互影響，得到的產(chǎn)品工作/破壞極限存在較大偏差，通過試驗提供的試驗數(shù)據(jù)信息量較小。在空空導彈的研制階段，由于研制周期和成本的限制，產(chǎn)品個數(shù)非常稀少，傳統(tǒng)的強化試驗方案不能滿足實際工作需要，會造成較大的資源浪費;

(3)在產(chǎn)品研制階段，由于自身測試水平的限制，通過試驗中的常規(guī)檢測，通常無法充分發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的內(nèi)部潛在缺陷。同時，一個合理的產(chǎn)品設計不但要考慮產(chǎn)品的可靠性，還要使產(chǎn)品具有較高的維修性、測試性、安全性和綜合保障性能。一個經(jīng)過強化試驗考核的產(chǎn)品，其自身的“五性”設計均經(jīng)過了考核，是非常寶貴的資源，需要進一步進行合理利用以免造成資源浪費。

2.3.2 改進試驗方案

全彈級產(chǎn)品由于試驗設備限制等原因，可靠性強化試驗中僅開展低溫步進、高溫步進和振動步進應力試驗;針對組件級產(chǎn)品，結合空空導彈具有更新?lián)Q代快、經(jīng)費有限以及小子樣等特點，針對較為常見的單樣本試驗情況，設計了一種空空導彈可靠性強化試驗方法，如圖3 所示。

在完成可靠性強化試驗后，進行拆卸、分解、檢查、測試、分析，檢查各組件整體及其零部件是否存在機械磨損、各項功能和性能指標是否正常。如果存在故障，則通過故障的檢測和分析，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，提出改進建議，促進空空導彈“五性”水平的提高。

圖3 改進可靠性強化試驗方案及實施流程

由圖3 可知，試驗前要結合空空導彈使用環(huán)境，確定試驗應力類型及應力的組合模式。首先進行環(huán)境敏感應力分析，對試驗產(chǎn)品進行環(huán)境因素和敏感應力分析，找出影響產(chǎn)品可靠性的主要因素和對產(chǎn)品可靠性影響較大的敏感應力。通過研究各應力與誘發(fā)相關故障模式的關系，結合空空導彈的特點，確定試驗以溫度、振動作為主要應力條件來激發(fā)其潛在缺陷，根據(jù)環(huán)境應力與失效的關系，選擇應力的組合模式，包括:溫度步進應力試驗、振動步進應力試驗、快速溫變循環(huán)試驗、快速溫變+隨機振動的綜合環(huán)境應力試驗。

試驗剖面設計步驟如下:

步驟1，根據(jù)產(chǎn)品設計規(guī)范和交付試驗要求，明確第一階段試驗應力條件。

該步驟所述的明確第一階段試驗應力條件，需要明確的參數(shù)包括:溫度應力范圍、振動應力范圍、振動試驗譜型和振動時間。參數(shù)的確定需要依據(jù)產(chǎn)品的設計規(guī)范和交付試驗條件要求，選取一定的余量作為第一階段試驗的應力范圍。為了提高試驗效率，選取交付試驗條件作為步進試驗的起始量值。此階段不但考察產(chǎn)品在規(guī)定環(huán)境及略高于規(guī)定環(huán)境下的穩(wěn)定工作能力，也考察了產(chǎn)品交付前期試驗的有效性。

步驟2，依據(jù)元器件工作極限范圍，確定第二階段試驗應力條件。

確定第二階段步進應力試驗條件，應結合可靠性預計等工作，參考所選用元器件的工作極限范圍，確定步進環(huán)境應力的極限范圍?？焖贉刈冄h(huán)和綜合環(huán)境應力循環(huán)試驗中的高/低溫極限值的選擇，應在確保試驗不出現(xiàn)破壞性環(huán)境應力的同時，選用盡可能高的環(huán)境應力，即防止因出現(xiàn)破壞性故障而暫停試驗進行產(chǎn)品維修，達到實現(xiàn)盡早暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)、縮短研制周期的目的?？蛇x擇溫度步進應力試驗中最大量值的80%，并可根據(jù)產(chǎn)品工作極限對高/低溫極限值進行適當修改(高/低溫極限值應不低于設計極限值)，選取盡可能高的溫變率。綜合環(huán)境應力試驗中振動量值步進施加，每個溫度循環(huán)的振動水平值由振動工作極限(或振動步進應力試驗中因沒有發(fā)生產(chǎn)品故障而停止試驗的最大值)除以循環(huán)數(shù)確定，即振動應力的步長相同。在保證一定篩選度的情況下，可根據(jù)實際采用的溫度變化率確定所需的溫度循環(huán)數(shù)［17－19］。如選取115 ℃的溫度范圍，溫度變化率和循環(huán)次數(shù)的對應關系如表2 所示。

表2 溫度變化率與循環(huán)次數(shù)對應的篩選度

步驟3，如果試驗產(chǎn)品在前期的步進應力試驗中沒有找到工作極限，則繼續(xù)進行步進試驗，以找到產(chǎn)品工作/破壞極限。考慮試驗的費效比并結合實際設備工作能力，低溫步進應力極限為－70 ℃;高溫步進應力極限為+125 ℃;振動步進應力極限為26g 時，可停止步進試驗。

在試驗結束后，對產(chǎn)品分解、顯微觀察、記錄各部分外觀情況，通過對產(chǎn)品的分解拆卸，檢查產(chǎn)品在經(jīng)歷強化試驗后外觀、物理結構、性能參數(shù)等方面是否存在異常。檢查產(chǎn)品可靠性、維修性、測試性、安全性和保障性方面尤其是二級和三級維修方面的問題和不足。通過拆解檢查，可得到各可更換單元每步拆解的時間，確認螺釘、接插件、焊點的狀態(tài)，對比拆解前后的測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)可達性、防差錯等方面的問題。提出改進措施建議，促進產(chǎn)品可靠性、維修性的提高。

3 應用案例

在某項目中，共對13個產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的可靠性強化試驗剖面進行試驗，暴露了舵機通道不跟隨、轉動故障、關節(jié)軸承外環(huán)斷裂、低溫性能超差等8 處薄弱環(huán)節(jié);在某新型產(chǎn)品研制階段，共對6發(fā)組件產(chǎn)品采用改進型可靠性強化試驗剖面進行試驗，試驗過程中暴露了23 處薄弱環(huán)節(jié)，如表3所示。

表3 可靠性強化試驗改進型剖面應用中暴露問題清單

傳統(tǒng)型和改進型試驗剖面進行可靠性強化試驗所暴露的故障數(shù)如圖4 所示。在改進型剖面中，對采用改進試驗剖面進行可靠性強化試驗的產(chǎn)品實施物理分解，共暴露27 處薄弱環(huán)節(jié)，與可靠性強化試驗應力有關的薄弱環(huán)節(jié)有9 處，包括:殼體連接處掉漆、產(chǎn)品連接螺釘斷裂、產(chǎn)品內(nèi)部結構件斷裂、電路板元器件脫落、導線擠壓并磨損、器件焊腳彎曲變形、電纜熱縮套管高溫回縮、夾具連接處變形和線纜相互磨損。針對27 處問題均提出了相應的改進意見和建議。

圖4 故障數(shù)對比

4 結 論

本文介紹的可靠性強化試驗方案，結合了空空導彈單個產(chǎn)品較為昂貴、試驗樣本量小等特點，繼承了傳統(tǒng)可靠性強化試驗快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷和暴露產(chǎn)品設計薄弱環(huán)節(jié)的優(yōu)點，提高了試驗效率，縮短了試驗時間。

可靠性強化試驗已在多個型號空空導彈研制過程中得到了系列的應用，改進型剖面的應用進一步提高了可靠性強化試驗效率。改進型試驗剖面設計中，充分利用了試驗后產(chǎn)品，暴露隱藏產(chǎn)品內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，將可靠性、維修性、測試性、安全性和保障性等工作進行有機結合。另外，為了制定更加合理的試驗方案，促使可靠性強化試驗的持續(xù)改進，針對試驗機理和故障機理的研究有待進一步深入。

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