基于GJB 150.26的軍用裝備流體污染試驗(yàn)實(shí)施方法

楊欣磊，王忠,2，黃鐸佳

（1. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2. 廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510610）

隨著軍用裝備使用和貯存環(huán)境復(fù)雜多樣化程度的不斷提升，對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性能力產(chǎn)生影響的環(huán)境應(yīng)力因素也不斷被研制單位、使用人員和維護(hù)機(jī)構(gòu)所挖掘并重視。由于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，軍用裝備核心組部件集成化規(guī)模加劇，更多新的環(huán)境應(yīng)力因素也逐漸從重要度等級(jí)較低的可忽略因素轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)軍用裝備壽命周期產(chǎn)生較大影響的關(guān)鍵因素[1-3]。

1 研究需求

1.1 軍事需求

流體污染作為一種嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力，可能改變軍用裝備構(gòu)成材料的物理性質(zhì)，在經(jīng)歷過(guò)一定的貯存或使用時(shí)間后，對(duì)裝備材料或電路造成漸進(jìn)性或永久性損壞。首先，流體污染可能會(huì)導(dǎo)致塑料、橡膠的形變裂紋，密封材料或墊圈的滲漏失效，防護(hù)材料粘結(jié)腐蝕脫開(kāi)，結(jié)構(gòu)材料融化分解等，進(jìn)而導(dǎo)致裝備產(chǎn)品壽命和可靠性的降低。其次，受到流體污染后的設(shè)備材料也許不會(huì)立刻發(fā)生明顯的劣化，然而可能會(huì)在其他氣候或機(jī)械環(huán)境條件下隨時(shí)暴露出故障或失效影響現(xiàn)象，使得裝備產(chǎn)品可靠性下降，嚴(yán)重影響其任務(wù)完好性。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)貫徹實(shí)施需求

現(xiàn)階段，由于缺乏成熟的可參照標(biāo)準(zhǔn)，流體污染試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用范圍還不廣泛，實(shí)施手段與國(guó)外先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)相比也非常不成熟。目前在國(guó)內(nèi)軍用實(shí)驗(yàn)室范圍，對(duì)于流體污染試驗(yàn)的基本要求和實(shí)施方法作出相關(guān)描述或規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)就是GJB 150.26—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第26部分：流體污染試驗(yàn)》。該標(biāo)準(zhǔn)具有目標(biāo)對(duì)象明確、方法概述系統(tǒng)性強(qiáng)、流程完整充實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，然而在試驗(yàn)實(shí)施細(xì)節(jié)上還存在描述模糊抽象、參數(shù)規(guī)定原則不清晰等問(wèn)題。因此基于該標(biāo)準(zhǔn)在工程實(shí)踐中開(kāi)展流體污染試驗(yàn)還具有一定的局限性。

結(jié)合以上兩點(diǎn)，文中基于理解明確的GJB 150.26，面向?qū)?yīng)試驗(yàn)實(shí)施方法進(jìn)行研究，對(duì)完善國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)能力起到推進(jìn)作用，并有助于對(duì)國(guó)內(nèi)主要軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 150系列的有效貫徹實(shí)施。可以顯著提高軍用裝備在設(shè)計(jì)研制階段對(duì)流體污染環(huán)境應(yīng)力的適應(yīng)性，助力軍用裝備任務(wù)可靠性和作戰(zhàn)完好性的不斷發(fā)展。

2 GJB 150.26現(xiàn)狀及適用范圍

常用的流體污染試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)包括美軍標(biāo)MIL-STD-810G 《Method 504.1 Contamination by Fluids》，以及民機(jī)適航試驗(yàn)依據(jù)的主要環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) RTCA/DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測(cè)試程序第 11章流體敏感性》。GJB 150.26屬于GJB 150A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》的第26部分，于2009年5月由我軍總裝備部發(fā)布并施行。這一系列標(biāo)準(zhǔn)作為目前國(guó)內(nèi)軍工領(lǐng)域研制產(chǎn)品環(huán)境與可靠性工程應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其主要構(gòu)型和基本內(nèi)容是完全等效采用美軍標(biāo)MIL-STD-810G版本[4-6]。

作為剪裁標(biāo)準(zhǔn)，GJB 150A的核心特征時(shí)具有很大的靈活性，使用得當(dāng)，可以避免簡(jiǎn)單套用GJB 150菜單式標(biāo)準(zhǔn)所帶來(lái)的過(guò)設(shè)計(jì)、過(guò)試驗(yàn)或欠設(shè)計(jì)、欠試驗(yàn)問(wèn)題，可以最大限度地保持標(biāo)準(zhǔn)的靈活性，降低研制的費(fèi)用和研制周期。由于在上一版本 GJB 150—1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》中尚未對(duì)流體污染試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)定，因此盡管已經(jīng)隸屬于新版的GJB 150A系列標(biāo)準(zhǔn)，但其版本號(hào)依然與舊版本的GJB 150系列保持一致。

標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定該試驗(yàn)方法適用于在貯存與工作狀態(tài)中的軍用裝備。按照不同軍兵種的裝備類型，或按照貯存與工作環(huán)境的差異，或按照污染性流體的種類，均有不同適用范圍的定義。當(dāng)前流體污染試驗(yàn)主要是從不同軍用裝備的貯存和工作環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行適用范圍考慮，能夠得到軍用裝備經(jīng)受流體污染環(huán)境應(yīng)力的多個(gè)影響場(chǎng)景[7]。

例如在工作環(huán)境下，軍用裝備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)部件、作動(dòng)部件在工作過(guò)程中可能接觸潤(rùn)滑油，液壓系統(tǒng)工作時(shí)始終要傳遞液壓油，動(dòng)力系統(tǒng)工作時(shí)要靠輸入燃油產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，液冷設(shè)備需將冷卻液通入功率較高的設(shè)備降溫。在貯存環(huán)境，寒冷環(huán)境下的裝備表面需要噴涂除冰劑，精密材料裝備需要噴灑殺蟲劑來(lái)防止生物損傷，閃點(diǎn)低、隔熱效果差的塑料材料貯存在干燥熱環(huán)境下需要涂覆滅火劑等[8-11]。以上均為裝備壽命周期內(nèi)經(jīng)歷流體污染的實(shí)際情況，基于貯存與工作狀態(tài)對(duì)流體污染影響場(chǎng)景進(jìn)行歸納分析，有助于更系統(tǒng)全面地按照GJB 150.26進(jìn)行試驗(yàn)程序的設(shè)置。

此外，標(biāo)準(zhǔn)列舉了8種典型的軍用裝備受流體污染應(yīng)力作用后的失效影響，歸納見(jiàn)表1。這些影響效應(yīng)反映了裝備受流體污染應(yīng)力后的最主要失效表征行為，有助于深入分析歸納適用于該試驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)特征軍用裝備。

表1 流體污染失效影響及表征

3 主要試驗(yàn)參數(shù)選取原則

GJB 150.26標(biāo)準(zhǔn)中，相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)主要由“暴露時(shí)間”、“污染流體種類”、 “試驗(yàn)溫度”、“保持時(shí)間”等要素構(gòu)成[11]。其中標(biāo)準(zhǔn)對(duì)暴露時(shí)間、流體種類、試驗(yàn)溫度等情況進(jìn)行了詳細(xì)的解釋和說(shuō)明。

3.1 暴露時(shí)間

描述了軍用裝備在壽命周期內(nèi)受流體污染環(huán)境應(yīng)力影響的次數(shù)和間隔時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)中按照偶然性污染、間斷性污染和長(zhǎng)期性污染進(jìn)行了劃分，因此應(yīng)該統(tǒng)一稱之為“污染頻率”。

試驗(yàn)前對(duì)于污染頻率的選取要結(jié)合軍用裝備服役和執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境進(jìn)行區(qū)分：裝備1年內(nèi)僅可能出現(xiàn)1～2次污染場(chǎng)景的為偶然性污染；裝備發(fā)生有時(shí)間規(guī)律性的流體污染場(chǎng)景的為間斷性污染；裝備長(zhǎng)期暴露于污染流體場(chǎng)景下的為長(zhǎng)期性污染。不同污染頻率的選擇意味著試驗(yàn)實(shí)施時(shí)將采用不同的實(shí)施方法。

3.2 保持時(shí)間

保持時(shí)間即試驗(yàn)持續(xù)的總時(shí)長(zhǎng)，包含了施加流體的時(shí)間和瀝干靜置的時(shí)間，統(tǒng)一稱之為“試驗(yàn)時(shí)間”。標(biāo)準(zhǔn)中僅有一個(gè)試驗(yàn)程序，規(guī)定了保持時(shí)間一般不短于8 h，而試驗(yàn)程序中一般以“8 h瀝干時(shí)間+16 h靜置保持時(shí)間”作為整體的保持時(shí)間。

3.3 污染流體種類、試驗(yàn)流體、試驗(yàn)流體的組合之間的區(qū)別

這三個(gè)概念表面上看都是在定義污染性流體，實(shí)質(zhì)上在標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)涵有所區(qū)別?！拔廴玖黧w種類”指的是軍用裝備壽命期內(nèi)主要常見(jiàn)的污染性流體的歸納集合，標(biāo)準(zhǔn)中具體列舉了每一種典型流體的名稱（包括其施加時(shí)的最佳設(shè)置溫度，見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)附錄 A中表A.1）；“試驗(yàn)流體”內(nèi)容主要是對(duì)“污染流體種類”的簡(jiǎn)單補(bǔ)充說(shuō)明，重點(diǎn)在于對(duì)流體選擇的可剪裁性進(jìn)行了規(guī)定；“試驗(yàn)流體的組合”內(nèi)容偏向于試驗(yàn)實(shí)施時(shí)流體的施加方式，按照單獨(dú)施加、多種流體混合施加、多種流體按順序連續(xù)施加進(jìn)行區(qū)分。

其中污染流體種類的選取應(yīng)依照軍用裝備研制和使用部門提供的相關(guān)工作規(guī)范，結(jié)合壽命剖面特點(diǎn)進(jìn)行合理選擇。試驗(yàn)流體施加方式則應(yīng)充分考慮所有需施加的污染性流體相互耦合作用下的破壞性影響和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的干擾性影響，如混合施加流體時(shí)應(yīng)考慮流體之間因化學(xué)作用導(dǎo)致本身特性失效的情況。

3.4 試驗(yàn)溫度

按照試件溫度、流體溫度、保持溫度進(jìn)行劃分。試件溫度指經(jīng)受流體污染試驗(yàn)前受試軍用裝備的溫度，旨在模擬裝備貯存或工作時(shí)的任務(wù)狀態(tài)；流體溫度指試驗(yàn)時(shí)施加于受試產(chǎn)品的污染性流體溫度，一般能夠反映最惡劣、最嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力；保持溫度指流體施加后將受試產(chǎn)品置于試驗(yàn)箱中按保持時(shí)間瀝干狀態(tài)下的環(huán)境溫度。

對(duì)于各試驗(yàn)溫度參數(shù)的選取，同樣應(yīng)按照軍用裝備的貯存和工作溫度范圍進(jìn)行設(shè)定。由于高溫下的污染性流體對(duì)裝備表面或內(nèi)部的劣化作用最為明顯，因此一般以受試產(chǎn)品的最高工作溫度作為試件溫度和保持溫度。

綜上所述，為了按照GJB 150.26開(kāi)展流體污染試驗(yàn)，必須對(duì)與該試驗(yàn)流程相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行梳理與定義，明確試驗(yàn)參數(shù)在試驗(yàn)中的作用與內(nèi)涵，并進(jìn)而掌握其選取原則，為試驗(yàn)的實(shí)施建立基礎(chǔ)輸入。

4 試驗(yàn)實(shí)施程序研究

基于GJB 150.26的試驗(yàn)程序典型架構(gòu)，試驗(yàn)程序的主要步驟構(gòu)成為：試驗(yàn)件放置→試驗(yàn)條件設(shè)定→流體施加與噴淋→瀝干與保持→程序循環(huán)→試驗(yàn)后檢測(cè)與評(píng)價(jià)。按照污染頻率的不同，將“流體施加與噴淋”程序內(nèi)容又分為“偶然性污染”、“間斷性污染”和“長(zhǎng)期性污染”的實(shí)施要求，實(shí)施時(shí)需要先明確選取哪種污染頻率，然后再按照相應(yīng)的要求進(jìn)行試驗(yàn)。

具體程序步驟為：1）被試品按要求連接或安裝，放置在試驗(yàn)箱內(nèi)；2）試驗(yàn)前檢測(cè)，按規(guī)定的試件溫度穩(wěn)定被試品；3）按規(guī)定要求選取適當(dāng)?shù)奈廴绢l率，對(duì)被試品進(jìn)行流體施加（偶然性污染——在被試品表面施加流體，試驗(yàn)程序要求僅施加1次；間斷性污染——進(jìn)行3個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，每個(gè)循環(huán)包括8 h保持濕潤(rùn)時(shí)間和16 h瀝干時(shí)間，其中瀝干時(shí)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度規(guī)定為保持溫度；長(zhǎng)期性污染——被試品完全浸入流體內(nèi)，以規(guī)定的流體溫度保持24 h）；4）自然瀝干被試品；5）被試品在保持溫度下保持8 h，目視檢查劣化情況，如被試品出現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)材料劣化，則試驗(yàn)不合格，需進(jìn)行故障分析流程；6）如無(wú)劣化，繼續(xù)保持 16 h；7）重復(fù)步驟 5）和 6），共完成 2個(gè)24 h的保持；8）恢復(fù)常溫，檢查被試品外觀和功能性能，如出現(xiàn)外觀和功能性能方面的故障，則試驗(yàn)不合格，需進(jìn)行故障分析流程。如被試品外觀正常，且能夠正常工作，則判定完成流體污染試驗(yàn)。

另外，試驗(yàn)時(shí)若采用多種流體進(jìn)行試驗(yàn)，則需要確定是連續(xù)施加還是非連續(xù)施加：連續(xù)施加——按流體溫度從高到低的順序，在步驟3）進(jìn)行重復(fù)，直至把全部流體都施加完再接著進(jìn)行步驟4）；非連續(xù)施加——重復(fù)步驟3）—7），直至施加完全部的流體。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)歸納出上述試驗(yàn)程序的組織流程體系如圖1所示。

5 工程應(yīng)用實(shí)例

基于GJB 150.26的流體污染試驗(yàn)，目前在航空裝備各型號(hào)的環(huán)境鑒定試驗(yàn)階段應(yīng)用廣泛，同時(shí)也在民用航空材料的橫向試驗(yàn)中得到驗(yàn)證支持。結(jié)合型號(hào)工作，選取一種典型的航空機(jī)載產(chǎn)品，按照其典型的使用場(chǎng)景和任務(wù)剖面對(duì)其選取試驗(yàn)參數(shù)、制定試驗(yàn)程序，結(jié)合第4節(jié)的一般試驗(yàn)流程，完成基于GJB 150.26的流體污染試驗(yàn)實(shí)施工作。

現(xiàn)有某航空產(chǎn)品研究所研制的電動(dòng)油門機(jī)構(gòu)，根據(jù)該成品的技術(shù)協(xié)議和產(chǎn)品規(guī)范文件，其外部結(jié)構(gòu)材料為復(fù)合金屬材料，用于某型軍用飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的油門控制組件。其主要功能是響應(yīng)油門桿的傳動(dòng)，并控制動(dòng)力系統(tǒng)改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率，以適應(yīng)不同飛行工況的動(dòng)力需求。其典型工況任務(wù)剖面的工作環(huán)境溫度是85 ℃，由于直接與油門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，因此在壽命周期內(nèi)不可避免地會(huì)受到多種污染性流體的環(huán)境應(yīng)力作用，如潤(rùn)滑油、液壓油、燃料等，又因?yàn)榇祟愋偷臋C(jī)載產(chǎn)品采用嚴(yán)格的密封措施，因此周期內(nèi)受污染作用的次數(shù)不超過(guò)2次?，F(xiàn)基于GJB 150.26對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行流體污染試驗(yàn)程序構(gòu)建并實(shí)施。

5.1 試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行選取

按照技術(shù)協(xié)議文件的要求選取試驗(yàn)參數(shù)：污染頻率選取“偶然性污染”；試件溫度和保持溫度與其工作環(huán)境溫度一致，均為85 ℃；施加的流體為產(chǎn)品壽命周期內(nèi)常見(jiàn)典型流體——潤(rùn)滑油（ВНИИНП-50-1-4Ф）、液壓油（YH-15）、燃油（3號(hào)噴氣燃料，GB6537）；流體溫度按照 GJB 150.26附錄 A中表A.1進(jìn)行選取，潤(rùn)滑油為70 ℃，液壓油為70 ℃，燃油為60 ℃；流體施加方式為連續(xù)施加，由于3種試驗(yàn)流體溫度不同，因此按照從高到低的順序進(jìn)行施加，即先施加潤(rùn)滑油和液壓油，再施加燃油。

5.2 溫度穩(wěn)定階段

試驗(yàn)前對(duì)被試品外觀與功能性能進(jìn)行檢測(cè)，均確認(rèn)完好，之后將被試品放入試驗(yàn)箱。調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱溫度升至85 ℃，并保持穩(wěn)定。將潤(rùn)滑油和液壓油溫度穩(wěn)定在70 ℃，將燃油溫度穩(wěn)定在60 ℃。

5.3 流體噴淋階段

依次將潤(rùn)滑油、液壓油、燃油施加在被試品表面，使其整個(gè)暴露表面都沾滿試驗(yàn)流體。試驗(yàn)情況如圖2所示。

5.4 瀝干保持階段

將被試品置于85 ℃條件下，自然瀝干8 h，期間不允許轉(zhuǎn)動(dòng)和擦拭被試品表面。8 h后，通過(guò)試驗(yàn)箱窗口目視被試品表面劣化情況，被試品表面未發(fā)生劣化現(xiàn)象。繼續(xù)在85 ℃條件下保持16 h，上述24 h保持時(shí)間視為1個(gè)循環(huán)。重復(fù)上述步驟，繼續(xù)完成2個(gè)24 h循環(huán)。將試驗(yàn)箱溫度恢復(fù)常溫，待被試品穩(wěn)定后，對(duì)其進(jìn)行外觀與功能性能檢測(cè)，被試品外觀正常，連接外部測(cè)試設(shè)備進(jìn)行功能性能檢測(cè)結(jié)果均完好。因此判定被試品通過(guò)流體污染試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束。

以上試驗(yàn)過(guò)程即為基于GJB 150.26的軍用裝備流體污染試驗(yàn)程序及實(shí)施過(guò)程，該部分內(nèi)容注重于對(duì)試驗(yàn)程序?qū)嵤┻^(guò)程的研究，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求、試驗(yàn)基本信息要求、試驗(yàn)中斷要求等方面論述不多，以待后續(xù)進(jìn)一步研究。

6 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)環(huán)境工程領(lǐng)域?qū)τ诹黧w污染試驗(yàn)的應(yīng)用還不廣泛，文中通過(guò)對(duì)GJB 150.26的分析，從試驗(yàn)需求和背景、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍進(jìn)行明確闡述，并解讀標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)參數(shù)的選取原則，梳理試驗(yàn)實(shí)施程序，完善了基于標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)施的流程體系。根據(jù)歸納總結(jié)的流體污染試驗(yàn)實(shí)施程序，結(jié)合工程應(yīng)用中的實(shí)際案例進(jìn)行了試驗(yàn)實(shí)施，從而為我國(guó)環(huán)境工程特種環(huán)境試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程提供了理論研究基礎(chǔ)和實(shí)施方法技術(shù)支撐。