懸絲支承擺式加速度計(jì)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)*

張朋好,歐陽(yáng)恒,趙君轍,崔 奇,楊國(guó)軍,于亞云

(1 中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100095;2 中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

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懸絲支承擺式加速度計(jì)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)*

張朋好1,歐陽(yáng)恒2,趙君轍1,崔 奇1,楊國(guó)軍1,于亞云1

(1 中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100095;2 中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

為提高懸絲支承擺式加速度計(jì)在工程應(yīng)用上的可靠性,對(duì)其進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)研究,結(jié)合該類加速度計(jì)的FMEA和FTA分析,設(shè)計(jì)了基于常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備的單應(yīng)力和綜合應(yīng)力作用下的試驗(yàn)剖面,闡述了摸清該類加速度計(jì)極限應(yīng)力的試驗(yàn)方法,通過試驗(yàn)驗(yàn)證,找出了該類加速度計(jì)的工作極限,從而為型號(hào)設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作提供了依據(jù),也為評(píng)價(jià)同類慣性器件的可靠性水平提供了參考。

擺式加速度計(jì);可靠性強(qiáng)化試驗(yàn);工作極限

0 引言

近幾年,隨著現(xiàn)代武器裝備可靠性水平的迅速提升,對(duì)配套慣性器件的使用可靠性要求越來越高。目前,評(píng)價(jià)慣性器件可靠性水平的常用方法有可靠性強(qiáng)化、退化試驗(yàn)等,但此類試驗(yàn)在我國(guó)尚無國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),要高效地完成可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),需要對(duì)試驗(yàn)剖面進(jìn)行深入研究,以激發(fā)可能存在的缺陷并尋找極限應(yīng)力,加固薄弱環(huán)節(jié),健壯產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高其使用可靠性。文中針對(duì)某型懸絲支承擺式加速度計(jì),基于常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面,找出了該型加速度計(jì)的工作極限,為型號(hào)設(shè)計(jì)改進(jìn)工作提供了依據(jù)。

1 懸絲支承擺式加速度計(jì)系統(tǒng)組成及主要參數(shù)

懸絲支承擺式加速度計(jì)(以下簡(jiǎn)稱“加速度計(jì)”)是利用慣性原理測(cè)量線加速度的力矩再平衡式加速度計(jì),具有體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),主要由傳感器組件(A100)、伺服電路組件(A200)、力矩器組件(A300)和密封組件(A400)四部分組成,見圖1,目前廣泛應(yīng)用于武器型號(hào)的慣導(dǎo)系統(tǒng)中。

描述加速度計(jì)性能的參數(shù)主要有零偏和標(biāo)度因數(shù),其中標(biāo)度因數(shù)是加速度計(jì)最重要的性能指標(biāo),因此,本試驗(yàn)選取標(biāo)度因數(shù)作為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果的考核依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法的確定

由加速度計(jì)的FMEA[1]和FTA[2]分析可知,磁補(bǔ)償合金(A3202)和懸絲(A3301)是影響其性能的兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié),其中影響磁補(bǔ)償合金的敏感應(yīng)力為溫度應(yīng)力,影響懸絲的敏感應(yīng)力為振動(dòng)應(yīng)力。為了摸清溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的工作極限,本試驗(yàn)采用常規(guī)的溫度-濕度-振動(dòng)三綜合試驗(yàn)設(shè)備,以步進(jìn)方式分別施加單應(yīng)力和綜合應(yīng)力,并根據(jù)工程應(yīng)用情況,將規(guī)定的加速度計(jì)上、下限輸入電壓引入到試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)中。

圖1 懸絲支承擺式加速度計(jì)系統(tǒng)組成

2.2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案

加速度計(jì)已知的敏感應(yīng)力極限見表1,可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案按照?qǐng)D2設(shè)計(jì)的試驗(yàn)順序進(jìn)行,試驗(yàn)過程中加速度計(jì)均通電,每完成一項(xiàng)應(yīng)力試驗(yàn),將加速度計(jì)恢復(fù)至常溫,采用專用設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試。

表1 加速度計(jì)敏感應(yīng)力極限

圖2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案

2.2.1 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

2.2.1.1 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)從0 ℃開始,以-10 ℃的步長(zhǎng)進(jìn)行試驗(yàn)到-50 ℃,從-50 ℃開始,步長(zhǎng)改為-5 ℃,每個(gè)溫度點(diǎn)保溫30 min后進(jìn)行功能測(cè)試,之后按照表2的順序通斷電,再進(jìn)行功能測(cè)試。試驗(yàn)剖面圖見圖3。

表2 輸入電壓順序

圖3中:t1表示溫度穩(wěn)定時(shí)間;t2表示功能性能檢測(cè)和3次通斷電功能測(cè)試時(shí)間。

圖3 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面圖

2.2.1.2 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)從30 ℃開始,以+10 ℃的步長(zhǎng)進(jìn)行試驗(yàn)到70 ℃,從70 ℃開始,步長(zhǎng)改為+5 ℃,每個(gè)溫度點(diǎn)保溫30 min后進(jìn)行功能測(cè)試,之后按照表2的順序通斷電,再進(jìn)行功能測(cè)試。試驗(yàn)剖面圖見圖4。

圖4中:t1表示溫度穩(wěn)定時(shí)間;t2表示3次通斷電功能測(cè)試時(shí)間。

圖4 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面圖

在溫度步進(jìn)試驗(yàn)過程中,一旦發(fā)現(xiàn)受試加速度計(jì)出現(xiàn)功能異常,立即停止試驗(yàn)將溫度恢復(fù)到上一量級(jí)至穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)試,如果測(cè)試正常,則初步判定該溫度點(diǎn)即為加速度計(jì)的溫度工作極限;如仍然不正常,初步判定加速度計(jì)出現(xiàn)異常的溫度點(diǎn)為溫度破壞極限,繼續(xù)遞推回到上一個(gè)量級(jí),逐級(jí)確認(rèn),若恢復(fù)到常溫仍不能正常工作,則可判斷該點(diǎn)為破壞極限。

2.2.2 快速溫變循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)工程應(yīng)用實(shí)際情況,此試驗(yàn)可將溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中獲得的高、低溫工作極限的85%作為端點(diǎn)值,每個(gè)端點(diǎn)值保溫30 min,溫變率設(shè)置為常規(guī)設(shè)備的最大值15 ℃/min,循環(huán)10次。設(shè)置輸入電壓交替變換,即第一個(gè)循環(huán)為標(biāo)稱電壓、第二個(gè)循環(huán)為上限電壓、第三個(gè)循環(huán)為下限電壓…依次類推。每個(gè)端點(diǎn)值保溫結(jié)束后,按照表2的順序通斷電,再進(jìn)行功能測(cè)試,試驗(yàn)剖面圖見圖5。

若受試加速度計(jì)在快速溫變循環(huán)試驗(yàn)中出現(xiàn)故障,則修復(fù)后從故障中斷的循環(huán)開始,繼續(xù)完成后續(xù)試驗(yàn),如果已完成設(shè)定的試驗(yàn)剖面,或受試加速度計(jì)無法修復(fù),本項(xiàng)試驗(yàn)停止。

圖5 快速溫變循環(huán)試驗(yàn)剖面圖

圖5中:t1表示溫度穩(wěn)定時(shí)間;t2表示功能性能檢測(cè)和3次通斷電功能測(cè)試時(shí)間。

2.2.3 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行,采用隨機(jī)振動(dòng),譜圖見圖6,方向按照X(敏感方向)、Y和Z依次進(jìn)行,起始振動(dòng)量值由圖6確定為9 Grms,振動(dòng)應(yīng)力初始步長(zhǎng)為2 Grms,超過19 Grms后步長(zhǎng)為1 Grms。每個(gè)振動(dòng)量值振動(dòng)10 min,在振動(dòng)持續(xù)的過程中按照表2的順序通斷電,并進(jìn)行功能測(cè)試,在振動(dòng)結(jié)束后,再進(jìn)行功能測(cè)試。試驗(yàn)剖面見圖7。

圖6 隨機(jī)振動(dòng)譜圖

圖7中:t3表示振動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間;t4表示3次通斷電功能測(cè)試時(shí)間。

圖7 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)剖面圖

2.2.4 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)包含快速溫變循環(huán)和振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn),其中快速溫變循環(huán)的溫度端點(diǎn)值和循環(huán)次數(shù)與2.2.2節(jié)相同;振動(dòng)步進(jìn)值由2.2.3獲得的振動(dòng)工作極限減去初始振動(dòng)量值后除以(循環(huán)數(shù)-1)確定;設(shè)置輸入電壓交替變換(同2.2.2);各溫度端點(diǎn)穩(wěn)定30 min后施加振動(dòng)應(yīng)力,每個(gè)振動(dòng)量值按照X向振動(dòng)10 min,每個(gè)溫度點(diǎn)振動(dòng)持續(xù)過程中按照表2的順序通斷電,并進(jìn)行功能測(cè)試。試驗(yàn)剖面圖見圖8。

若受試加速度計(jì)在綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)中出現(xiàn)故障,則修復(fù)后從故障中斷的循環(huán)開始,繼續(xù)完成后續(xù)試驗(yàn)。如果已完成設(shè)定的試驗(yàn)剖面,或受試加速度計(jì)無法修復(fù),本項(xiàng)試驗(yàn)停止。

圖8中:t1為產(chǎn)品保溫時(shí)間和振動(dòng)時(shí)間之和;t2表示功能性能檢測(cè)和3次通斷電功能測(cè)試時(shí)間。

圖8 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)剖面圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)第2節(jié)的試驗(yàn)方案,抽取4只合格加速度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn),受試產(chǎn)品在三綜合試驗(yàn)設(shè)備上的安裝分別見圖9(a)和圖9(b)。試驗(yàn)中采用自動(dòng)測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)產(chǎn)品殼溫,采用振動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品功能輸出,試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖9 受試產(chǎn)品在三綜合試驗(yàn)設(shè)備上的安裝圖

表3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,經(jīng)過可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)找出了加速度計(jì)的低溫工作極限-60 ℃、高溫工作極限105 ℃和振動(dòng)應(yīng)力工作極限26 Grms?？焖贉刈冄h(huán)試驗(yàn)和綜合應(yīng)力試驗(yàn)過程中產(chǎn)品輸出未出現(xiàn)異常。

受試加速度計(jì)經(jīng)歷各項(xiàng)應(yīng)力試驗(yàn)前后在常溫狀態(tài)下的標(biāo)度因數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比見圖10,測(cè)試結(jié)果均在合格判據(jù)0.319 4～0.320 6 mA/g范圍內(nèi),試驗(yàn)前后主要性能參數(shù)保持了穩(wěn)定,表明產(chǎn)品設(shè)計(jì)健壯,質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

圖10 試驗(yàn)前后加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

文中針對(duì)懸絲支承擺式加速度計(jì)進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)研究,結(jié)合工程應(yīng)用,通過基于常規(guī)設(shè)備的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)際驗(yàn)證,找到了其工作極限,既驗(yàn)證了方案的可行性,也為型號(hào)的后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)工作提供了依據(jù),達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

[1] 趙君轍. XX加速度計(jì)FEMA報(bào)告 [R]. 北京: 中航工業(yè)計(jì)量所, 2011.

[2] 趙君轍. XX加速度計(jì)FTA報(bào)告 [R]. 北京: 中航工業(yè)計(jì)量所, 2011.

[3] 趙君轍. XX加速度計(jì)可靠性研制試驗(yàn)報(bào)告 [R]. 北京: 中航工業(yè)計(jì)量所, 2013.

[4] 溫熙森, 陳循, 張春華. 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論與應(yīng)用 [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[5] 潘新祥. 某型軍用電子產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn) [J]. 艦船電子工程, 2012, 32(12): 107-109.

[6] 周鵬斌, 馬喜宏, 李建軍, 等. 彈載慣性儀表的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn) [J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2010, 32(4): 69-72.

[7] 何榮華, 張亞, 李波, 等. 軍用電子元件的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案研究 [J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2009, 9(18): 5460-5463.

Reliability Enhancement Test for a Type of Pendulous Accelerometer

ZHANG Penghao1,OUYANG Heng2,ZHAO Junzhe1,CUI Qi1,YANG Guojun1,YU Yayun1

(1 Changcheng Institude of Metrology and Measurement, AVIC, Beijing 100095, China;2 No.203 Researsh Insitiute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

For improving reliability of a type of pendulous accelerometer in engineering application, its reliability enhancement test (RET) was required. According to analysis results of FMEA and FTA, different stress profiles based on conventional test equipment were designed, and methods of exploring ultimate stress of the pendulous accelerometer were expounded. Validated by RET, the operating limits were found, laying foundation for the pendulous accelerometer’s further design and improvement, it also provided reference for evaluating reliability level of the same type of inertial device.

pendulous accelerometer; reliability enhancement test; operating limit

2015-07-03

張朋好(1981-),男,安徽合肥人,工程師,研究方向:慣性器件生產(chǎn)管理及測(cè)試方法研究。

TJ765.231

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