某型空空導(dǎo)彈電子部件加速貯存壽命試驗(yàn)方法研究

席運(yùn)洋，劉萬遠(yuǎn)，鮑　華

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽　471009)

?

某型空空導(dǎo)彈電子部件加速貯存壽命試驗(yàn)方法研究

席運(yùn)洋，劉萬遠(yuǎn)，鮑華

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽471009)

摘 要:為挖掘某型空空導(dǎo)彈電子部件貯存壽命的潛力,提出一種以加速壽命試驗(yàn)為基礎(chǔ)的試驗(yàn)方法。通過分析產(chǎn)品貯存期應(yīng)力、壽命薄弱環(huán)節(jié)、壽命分布特征、適用的加速模型等,設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案。由試驗(yàn)得到產(chǎn)品真實(shí)的貯存壽命,通過與產(chǎn)品實(shí)際使用情況對比,證明了該試驗(yàn)方法的合理性。該試驗(yàn)方法可推廣應(yīng)用于其他航空武器裝備。

關(guān)鍵詞:空空導(dǎo)彈;加速貯存壽命;試驗(yàn)方法;指數(shù)分布;阿倫尼斯模型

0引言

空空導(dǎo)彈的貯存壽命是設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工程實(shí)際預(yù)估的可靠性定量指標(biāo)，到壽即意味著導(dǎo)彈性能的下降、可靠性的降低、戰(zhàn)斗力的減弱。但導(dǎo)彈的日歷壽命到壽時(shí)其大部分組成部件并未或遠(yuǎn)未到壽，可能僅有個(gè)別零部件失效或性能降低?？湛諏?dǎo)彈是長期貯存、一次使用的產(chǎn)品，為了保證高的可靠性，貯存壽命指標(biāo)一般有一定的余量。因此，空空導(dǎo)彈到壽時(shí)，實(shí)際仍有一段“剩余的”可靠的貯存壽命。

到壽的空空導(dǎo)彈如果立即全部報(bào)廢，將是巨大的浪費(fèi)。產(chǎn)品戰(zhàn)技指標(biāo)仍滿足作戰(zhàn)需要時(shí)，發(fā)掘到壽導(dǎo)彈的潛能，得到產(chǎn)品真實(shí)的貯存壽命信息，并通過維修保障措施保證其作戰(zhàn)效能是各軍事強(qiáng)國的通用做法[1-2]。

某型空空導(dǎo)彈電子部件自交付部隊(duì)至今，已經(jīng)到壽或即將到壽。本文以加速壽命試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際，研究產(chǎn)品真實(shí)具有的貯存壽命，以及為保證貯存期可靠性而必須開展的相關(guān)升級、維修、改造等工作。這對增加部隊(duì)可用產(chǎn)品的數(shù)量、提升戰(zhàn)斗力、節(jié)省國防開支具有重要的意義[3]。

1加速壽命試驗(yàn)基礎(chǔ)

1.1試驗(yàn)原理

加速壽命試驗(yàn)是在保持產(chǎn)品的失效機(jī)理不變的前提下，用高于產(chǎn)品正常應(yīng)力的試驗(yàn)應(yīng)力加速產(chǎn)品失效，發(fā)現(xiàn)壽命薄弱環(huán)節(jié)并統(tǒng)計(jì)相關(guān)故障數(shù)據(jù)，選用相關(guān)數(shù)學(xué)模型推算出產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平下的壽命的一種試驗(yàn)方法[4]。加速貯存壽命試驗(yàn)屬于加速壽命試驗(yàn)的一種。

加速壽命試驗(yàn)分為恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力和序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)三種類型。恒定應(yīng)力試驗(yàn)是在定時(shí)或定數(shù)截尾情況下，分別對各組產(chǎn)品施加不同等級應(yīng)力進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)各組產(chǎn)品失效情況，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法評估結(jié)果。從應(yīng)用效果來看，恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法雖試驗(yàn)時(shí)間較長、樣品數(shù)量較多，但比較簡單易行，且數(shù)據(jù)處理方法比較成熟，外推的準(zhǔn)確性較高，是目前應(yīng)用最多的一種試驗(yàn)方法。步進(jìn)和序進(jìn)應(yīng)力雖加速效果顯著，但加速試驗(yàn)方法較繁瑣，試驗(yàn)設(shè)備較復(fù)雜。

1.2試驗(yàn)基本前提[5]

(1) 失效機(jī)理具有一致性

指產(chǎn)品在加速試驗(yàn)中所施加的不同應(yīng)力水平作用下失效機(jī)理保持不變。

(2) 失效過程具有規(guī)律性

指產(chǎn)品壽命特征值與試驗(yàn)應(yīng)力之間存在一個(gè)確切的函數(shù)關(guān)系式，即可用某個(gè)加速模型表達(dá)。

(3) 失效分布具有同一性

指產(chǎn)品在不同的試驗(yàn)應(yīng)力水平下壽命特征服從同一分布，這是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的前提條件。

1.3試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

加速壽命試驗(yàn)是利用較高的試驗(yàn)應(yīng)力水平下的壽命特征去推算正常應(yīng)力水平下的壽命特征。推算的關(guān)鍵在于建立應(yīng)力水平與壽命特征之間的關(guān)系，即加速方程或稱加速模型。常用的加速模型如表1所示[6]。

表1　常用的加速模型

表1公式中：L為特征壽命；N為循環(huán)壽命；E為激活能；K為波爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)；T為溫度(K)； ΔT為溫度變化范圍；H為濕度應(yīng)力；S為非熱應(yīng)力；A，B，n，β為常數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)處理

根據(jù)AD/A-107519，BMD公司承擔(dān)空軍試驗(yàn)與鑒定中心的一項(xiàng)研究工作的最終報(bào)告《評定導(dǎo)彈系統(tǒng)貯存可靠性的一種方法》，失效前時(shí)間分布采用指數(shù)分布； AD/A-053403《導(dǎo)彈部件可靠性預(yù)計(jì)手冊》中，貯存可靠性按指數(shù)分布處理； LC-78-1《導(dǎo)彈貯存可靠性》中，采用指數(shù)分布； 鹽見弘著《可靠性工程基礎(chǔ)》中，認(rèn)定系統(tǒng)或設(shè)備的失效時(shí)間分布近似指數(shù)分布； 國內(nèi)諸多型號貯存延壽均采用指數(shù)分布； 統(tǒng)計(jì)某型號定型以來的故障數(shù)據(jù)，基本服從指數(shù)分布。因此，本試驗(yàn)數(shù)據(jù)按指數(shù)分布處理。

假定在單一應(yīng)力si的恒定作用下，產(chǎn)品壽命分布服從指數(shù)分布，其分布函數(shù)為

Fi(t)=1-e-t/θi

(1)

式中：t>0；i=0,1,2,…，k；θi為產(chǎn)品平均壽命。

θi與si之間有如下加速模型：

lnθi=a+bφ(si)

(2)

得到產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行加速模型檢驗(yàn)； 計(jì)算加速方程中的a，b； 列出加速壽命方程； 計(jì)算平均壽命點(diǎn)估計(jì)值[7]。

2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為避免零失效對數(shù)據(jù)處理的不利影響,盡量減少總試驗(yàn)時(shí)間,本試驗(yàn)采取4個(gè)溫度應(yīng)力水平、無替換、定時(shí)截尾、恒定應(yīng)力的加速試驗(yàn)總體方案。

2.1貯存期應(yīng)力分析

某型空空導(dǎo)彈電子部件在貯存期內(nèi)，會隨導(dǎo)彈反復(fù)經(jīng)歷包裝、裝卸、運(yùn)輸、存放、分解、檢測、維修、待機(jī)和戰(zhàn)備值班等過程。在這些過程中，裝備會受到振動、沖擊、高溫、低溫、高濕、鹽霧、霉菌、沙塵、有害氣體、輻射等外部環(huán)境因素的影響，由此引起腐蝕、老化、霉變、疲勞等，導(dǎo)致產(chǎn)品電氣性能、機(jī)械性能、密封性能和物化性能退化甚至失效，以及貯存可靠性、戰(zhàn)備完好性和系統(tǒng)效能的降低[8]。產(chǎn)品貯存期主要環(huán)境和應(yīng)力見表2。

某型空空導(dǎo)彈在貯存期內(nèi)大部分時(shí)間處于表2的“貯存環(huán)境”中，“貯存環(huán)境”又分后方倉庫、待發(fā)房、野戰(zhàn)環(huán)境等，且有帶包裝箱存放和不帶包裝箱存放之分。在此過程中，溫度、濕度為主要應(yīng)力，但因產(chǎn)品為密封設(shè)計(jì)，濕度的影響相對較小，因此總體來看，溫度為產(chǎn)品在貯存期內(nèi)所經(jīng)歷的最主要應(yīng)力，所以應(yīng)選擇溫度作為加速應(yīng)力。

表2　主要環(huán)境和應(yīng)力

2.2薄弱環(huán)節(jié)分析

某型空空導(dǎo)彈電子部件包括導(dǎo)引頭、飛行控制組件、舵機(jī)、引信等，由大量的電路板、接插件、密封件、輔料等組成，失效模式包括接觸不良、斷路、短路、管腳斷裂、銹蝕、長霉、碎裂、參數(shù)漂移、器件失效、密封圈變形、潤滑脂變稠干涸、軸承磨損等等。研究表明：影響貯存壽命的薄弱環(huán)節(jié)主要是電子類部件和非電類部件[5]，尤其是以電子元器件、橡膠件(如O型圈、密封墊、絕緣板)等居多[9]。

2.3加速模型選取

溫度為產(chǎn)品在貯存期內(nèi)所經(jīng)歷的最主要應(yīng)力，且溫度對產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)具有較好的加速效果。溫度可加速多種失效機(jī)理，如電子元器件的二次俘獲、表面電荷擴(kuò)散、蠕變、電遷移、金屬間晶粒生長、介質(zhì)擊穿等； 高溫可加速橡膠和塑料制品等的老化、熱敏電阻器阻值漂移、精密儀表的金屬件熱膨脹、陀螺結(jié)構(gòu)間隙發(fā)生變化、機(jī)械部分卡滯或松動、質(zhì)心偏移等。所以選擇溫度作為加速變量，其加速壽命方程為阿倫尼斯模型，它把材料劣化的時(shí)間和溫度這兩個(gè)變量聯(lián)系在一起，因而經(jīng)常用來計(jì)算加速熱老化參數(shù)。該模型表示[10]為

(3)

式中：τ為某一壽命特征，如中位壽命、平均壽命；A為常數(shù)，A>0；E為激活能，與材料有關(guān)，以eV表示，對于某一確定反應(yīng)來說，激活能是不隨溫度變化的常數(shù)；K為波爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/℃；T為絕對溫度。

阿倫尼斯模型表明，壽命特征將隨著溫度上升而按指數(shù)下降。對模型兩邊取對數(shù)，可得

lnτ=a+b/T

(4)

式中：a=lnA；b=E/K，它們都是待定的參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘法求得。式(4)的線性化形式即為式(2)，表明壽命特征的對數(shù)是溫度倒數(shù)的線性函數(shù)。

2.4應(yīng)力水平確定

當(dāng)應(yīng)力條件超過產(chǎn)品破壞極限時(shí)，由于產(chǎn)品已經(jīng)被破壞，加速失去意義； 當(dāng)應(yīng)力條件超過其工作極限時(shí)，雖然產(chǎn)品依然工作，但其加速失效機(jī)理可能已經(jīng)改變。按照初始應(yīng)力接近于正常應(yīng)力，最高應(yīng)力不改變失效機(jī)理的原則，參考某型號的高溫工作環(huán)境65 ℃，選擇70 ℃為初始應(yīng)力； 按照薄弱環(huán)節(jié)為電子元器件、橡膠件等考慮，選擇100 ℃為最高應(yīng)力水平。按照相鄰溫度水平間隔不少于10 ℃，應(yīng)力水平數(shù)應(yīng)在3～5個(gè)之間的原則，確定加速貯存壽命試驗(yàn)的應(yīng)力水平數(shù)為4個(gè)，分別為70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃。

2.5測試周期確定

測試周期直接決定試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取的充分性和有效性，過于密集或稀疏都可能影響到產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的估計(jì)精度。每個(gè)應(yīng)力水平下的測試次數(shù)應(yīng)不少于8次。

在開始試驗(yàn)后的前兩次每隔48小時(shí)測試一次數(shù)據(jù), 以后每隔96小時(shí)測試一次,并隨時(shí)進(jìn)行觀察,看是否有異常輸出情況。若產(chǎn)品出現(xiàn)故障, 做好故障記錄。

2.6樣品抽取原則及數(shù)量確定

抽取已在部隊(duì)服役一定時(shí)期的某型空空導(dǎo)彈電子部件，地域分布上覆蓋南方、北方不同區(qū)域； 交付時(shí)間上盡量抽取早期交付的產(chǎn)品； 盡量抽取部隊(duì)掛飛、通電時(shí)間長的產(chǎn)品。

從滿足條件的某型號的多個(gè)生產(chǎn)批次中一次性隨機(jī)抽取16套電子部件作為樣品參加試驗(yàn)，各樣品在本質(zhì)上是同一設(shè)計(jì)，貯存壽命指標(biāo)均為12年。樣品的貯存壽命平均已達(dá)到11.74年(樣本個(gè)體間最大差別在0.38年，數(shù)據(jù)統(tǒng)一按11.74年處理)。樣品分為4組，分別進(jìn)行4個(gè)應(yīng)力水平的試驗(yàn)。

2.7故障統(tǒng)計(jì)

按以下原則制定產(chǎn)品的故障判據(jù)：

(1) 根據(jù)產(chǎn)品研制任務(wù)書規(guī)定的參數(shù)指標(biāo)要求制定；

(2) 根據(jù)產(chǎn)品執(zhí)行的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)制定；

(3) 充分考慮加速敏感性能參數(shù)的特征，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際使用要求等制定。

測試中嚴(yán)格按照故障判據(jù)，對發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品損壞、功能喪失、參數(shù)指標(biāo)超差以及軟件缺陷或錯(cuò)誤等關(guān)聯(lián)故障進(jìn)行詳細(xì)記錄。對于可修復(fù)故障，允許進(jìn)行修復(fù)后繼續(xù)完成試驗(yàn)。

2.8數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)的k個(gè)加速應(yīng)力水平下均進(jìn)行定時(shí)截尾壽命試驗(yàn)，獲得如下的定時(shí)截尾樣本：

t1≤t2≤t3…≤tri<τi, i=1,2,…，k

式中：τi為截尾時(shí)間； ri為ni個(gè)樣品中在0～τi時(shí)間內(nèi)的失效數(shù)。

計(jì)算si下的總試驗(yàn)時(shí)間：

(5)

(6)

計(jì)算yi, xi:

(7)

計(jì)算相關(guān)系數(shù)r：

(8)

計(jì)算自由度：

f=k-2

(9)

查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)的臨界值表得到rα，若r>rα，可以認(rèn)為xi與yi之間存在線性關(guān)系。

用最小二乘法計(jì)算a，b的最小二乘估計(jì)(LSE)：

(10)

即得如下模型：

(11)

3試驗(yàn)結(jié)果分析

按照第2節(jié)的試驗(yàn)方案對16套電子部件進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

(1)加速模型檢驗(yàn)

由公式(5)～(8)，可得相關(guān)系數(shù)r=0.96，查相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)的臨界值表得到rα=0.95，r>rα，xi與yi之間存在線性關(guān)系。

(2)計(jì)算加速方程中的a，b

(12)

(3)列出加速壽命方程

-10.40+6 050.33(1/T0)=10.25

(13)

式中： T0=273+20。

(4)計(jì)算平均壽命點(diǎn)估計(jì)值

(14)

試驗(yàn)結(jié)果表明：抽樣樣品所代表的批次產(chǎn)品，其日歷壽命雖已即將到壽，但產(chǎn)品實(shí)際仍有3.23年的平均貯存壽命。原貯存壽命指標(biāo)較為保守，產(chǎn)品總貯存壽命平均應(yīng)在14.79年(11.74年+3.23年)。通過調(diào)研部隊(duì)和導(dǎo)彈修理廠，與產(chǎn)品實(shí)際使用情況對比，證明該結(jié)論具有一定的準(zhǔn)確性和合理性。

但本文僅采用溫度作為加速應(yīng)力，沒有考慮貯存壽命期內(nèi)振動、濕度等非主要應(yīng)力的影響，沒有考慮實(shí)際環(huán)境下多應(yīng)力作用的相互疊加、抵消等，因此本試驗(yàn)方法還有進(jìn)一步提升的空間，進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)是下一步的研究方向。

針對試驗(yàn)中的故障情況，如密封圈老化失效、軸承磨損等，根據(jù)故障分析情況，提出有針對性的維修保障建議，恢復(fù)或保證整批產(chǎn)品的壽命與可靠性。維修保障建議如表4所示。

表4　維修保障建議

4結(jié)論

對貯存壽命到壽或即將到壽的空空導(dǎo)彈電子部件，利用加速壽命試驗(yàn)，可以在較短時(shí)間內(nèi)，比較準(zhǔn)確地得到導(dǎo)彈的貯存壽命潛力信息,為導(dǎo)彈可靠性、維修性等的評估提供依據(jù),并可提出有針對性的維修保障建議，具有重大的軍事、經(jīng)濟(jì)意義。此方法可推廣應(yīng)用于其他航空武器裝備。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李久祥，申軍，侯海梅，等.裝備貯存延壽技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社, 2007.

[2] 馮志剛，方昌華，李靜.國外導(dǎo)彈加速老化試驗(yàn)現(xiàn)狀分析[J].飛航導(dǎo)彈，2007(4)：47-52.

[3] 張仕念，孟濤，張國彬, 等.從民兵導(dǎo)彈看性能改進(jìn)在導(dǎo)彈武器貯存延壽中的作用[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2012(1)： 58-61.

[4] 李敏偉，傅耘，王麗，等.加速貯存壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究[J].裝備環(huán)境工程，2014，11(4)： 58-64.

[5] 賈占強(qiáng)，蔡金燕，梁玉英，等.基于綜合環(huán)境加速壽命試驗(yàn)的電子裝備故障預(yù)測研究[J].電子學(xué)報(bào)，2009，36(6)： 1277-1282.

[6] 陳兵，李星.加速壽命試驗(yàn)技術(shù)在國內(nèi)外的工程應(yīng)用研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2010，37(6)： 31-38.

[7] 謝魁，羅云寶. 基于指數(shù)分布的加速壽命試驗(yàn)簡論[J].電光與控制，2012，19(9)： 80-81.

[8] 肖軍，佘保民，吳洪濤. 空空導(dǎo)彈的壽命研究[J].航空兵器，2009(2)： 61-64.

[9] 劉興莉，隆萍，蘇元海.加速壽命試驗(yàn)方法及評估[J].自動化與儀器儀表，2010(3)： 190-192.

[10] 肖坤，顧曉輝，彭琛.基于恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)的某引信用O型橡膠密封圈可靠性評估[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(16)： 62-69.

[11] 陳海建，李波，顧鈞元，等.基于加速壽命試驗(yàn)的導(dǎo)彈壽命預(yù)估方法[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31(4)： 11-12.

Testing Method Study of Accelerated Storage Life for Electronic Components in Certain Air-to-Air Missile

Xi Yunyang，Liu Wanyuan，Bao Hua

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China)

Abstract:To mine the storage life potential of electronic components of a certain air-to-air missile，a testing method based on the accelerated life testing is proposed.The stress in storage period, life weakness, life distribution, suitable accelerated model for the product are analyzed, and the testing plan is designed.The true storage life is obtained through the testing，and by comparing with the actual use of the product，the rationality of the testing method is proved. This testing method can be applied to other aviation weaponry.

Key words:air-to-air missile； accelerated storage life； testing method； exponential distribution； arrhenius model

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.012

收稿日期：2015-05-06

作者簡介：席運(yùn)洋(1982-)，男, 河南南陽人, 碩士，工程師，研究方向?yàn)榭煽啃浴?/p>

中圖分類號:TJ760.6+23;V216.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1673-5048(2016)01-0064-05