某型航空包裝箱加速試驗方法研究

趙帥帥，許玉珍，陳靖怡，杜雨芳

（1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076；2.中國包裝科研測試中心，天津 300457）

加速試驗自美羅姆航展中心1967年首次給出統(tǒng)一定義至今，已成功地應(yīng)用于航天、航空、民用等諸多領(lǐng)域[1-7]。目前國內(nèi)探討較多的應(yīng)力施加方法是恒定和步進單應(yīng)力加速方法，多應(yīng)力加速方法較少[8-14]。對于機械產(chǎn)品，在工作期間除工作應(yīng)力外，還會受到溫度、濕度、振動等各種環(huán)境應(yīng)力的綜合影響而產(chǎn)生故障。某型航空包裝箱使用壽命為16年，用于運輸高精度飛機零部件，在運輸裝卸過程中，易受綜合應(yīng)力影響而發(fā)生損壞，影響運輸件安全。為了激發(fā)航空包裝箱使用壽命內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)，文中基于壽命期剖面和故障機理分析，設(shè)計了多應(yīng)力加速試驗方法，暴露產(chǎn)品缺陷，進而通過改進措施提升包裝箱可靠性水平。

1 壽命期剖面和故障機理分析

壽命期剖面為產(chǎn)品自出廠到退役（包括報廢）過程中有關(guān)事件和條件的時間歷程[15]。某型航空包裝箱的壽命期剖面如圖1所示。

航空包裝箱潛在故障模式及機理分析如下：受環(huán)境因素而造成的老化；高溫高濕造成包裝箱金屬緊固件銹蝕，影響結(jié)構(gòu)強度；陸運、海運過程中受到振動造成機械損傷；叉車裝運過程中，叉齒碰撞造成機械損傷；反復(fù)拆裝造成機械損傷；裝卸和運輸過程中受到的沖擊和跌落造成機械損傷。

包裝箱壽命期內(nèi)環(huán)境應(yīng)力包括自然環(huán)境應(yīng)力和誘發(fā)環(huán)境應(yīng)力。自然環(huán)境應(yīng)力中敏感應(yīng)力主要是海運過程中的濕熱應(yīng)力；誘發(fā)環(huán)境應(yīng)力中的敏感應(yīng)力主要是陸運、海運、裝卸過程中的隨機振動、叉運、人工拆裝、沖擊、跌落，這些敏感應(yīng)力選作加速試驗應(yīng)力。

圖1 航空包裝箱壽命期剖面

2 加速試驗

基于壽命期剖面和故障機理分析，參照標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計加速試驗方案。

2.1 加速方法

依據(jù)IEC 62506—2013的加速方法[16]，航空包裝箱主要通過三種手段實現(xiàn)加速。

1）時間壓縮方法是一種只考慮產(chǎn)品明顯損傷狀態(tài)下的持續(xù)時間的加速試驗方法，適用于那些產(chǎn)品工作應(yīng)力及其累計損傷明顯高于其他工作模式（非工作狀態(tài)或者備用狀態(tài)）下的場合。航空包裝箱只考慮壽命期內(nèi)裝卸和運輸?shù)葘Ξa(chǎn)品有明顯損傷的時間段，而忽略存儲等備用狀態(tài)對產(chǎn)品基本無損傷的時間段。

2）事件壓縮方法適用于當(dāng)一種應(yīng)力是不斷循環(huán)的，可以通過增加應(yīng)力重復(fù)頻次來實現(xiàn)加速的場合。這種方式下，產(chǎn)品動作的次數(shù)應(yīng)該與其實際使用時產(chǎn)生的累積損傷效果保持一致。包裝箱承受的叉運、人工拆裝、沖擊、跌落應(yīng)力均采用事件壓縮方法。

3）加大應(yīng)力方法主要通過加大環(huán)境應(yīng)力來實現(xiàn)加速目的。包裝箱承受的濕熱、隨機振動應(yīng)力采用此方法加速，加速應(yīng)力不超過包裝箱的工作極限應(yīng)力。

2.2 試驗方案

基于壽命期剖面和敏感應(yīng)力分析，航空包裝箱加速試驗項目包括濕熱試驗、隨機振動試驗、叉運試驗、人工拆裝試驗、沖擊試驗和跌落試驗。對于應(yīng)力施加方式，以每種應(yīng)力模擬壽命期的累積損傷為原則，兼顧工程上濕熱應(yīng)力與其他應(yīng)力綜合施加導(dǎo)致試驗經(jīng)費的大幅增加。因此，加速試驗方案采用依次施加各種應(yīng)力的方式，此方法也被IEC 62506—2013及文獻[17]推薦和采用。

1）濕熱試驗采用加大應(yīng)力方法，主要考核海運過程中高溫高濕環(huán)境對包裝箱金屬緊固件的影響。濕熱試驗僅加速溫度應(yīng)力，選取海運高溫高濕時間段的平均相對濕度85%，溫度應(yīng)力選取85 ℃，金屬緊固件材質(zhì)為鋁合金，激活能為 0.48 eV，海運過程中的平均溫度為25 ℃。采用阿倫尼斯模型[18]，根據(jù)式（1）求取加速因子為22.94。包裝箱海運過程1年經(jīng)歷高溫高濕環(huán)境為 90天，模擬 1年的濕熱試驗時間為94 h。

式中：E為激活能；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=8.617×10-5eV/℃；t0是正常溫度；tj是加速溫度。

2）隨機振動試驗采用加大應(yīng)力方法，主要考核陸運、海運過程中振動對包裝箱結(jié)構(gòu)的影響，包括陸運隨機振動試驗和海運隨機振動試驗。陸運隨機振動試驗條件按照ISTA 3E—2009進行[19]，1年中陸運里程為360 km，振動量級Grms=0.52，時間為30 min。海運隨機振動試驗條件在海運實測隨機振動條件振動量值Grms基礎(chǔ)上增大至10倍，疲勞等價關(guān)系見式（2），其中，材料常量k取值2[20]。1年中海運隨機振動加速后振動量級Grms=0.22，時間為42 min。

式中：T1為試驗的時間；T0為實際的時間；W0為實測的隨機振動量值，見圖2；W1為試驗的隨機振動量值；Grms0為實測的隨機振動加速度均方根值；Grms1為試驗的隨機振動量加速度均方根值。

3）叉運和人工拆裝試驗。叉運和人工拆裝試驗采用事件壓縮方法，主要考核裝卸過程中叉運和人工拆裝對包裝箱結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)過統(tǒng)計，包裝箱1年平均經(jīng)歷叉運36次，人工拆裝6次，按照該次數(shù)模擬實際叉運和拆裝過程進行試驗。

圖2 實測隨機振動條件Fig.2 Determined condition of random vibration

4）沖擊和跌落試驗。沖擊和跌落試驗采用事件壓縮方法，主要考核運輸和裝卸過程中沖擊和跌落對包裝箱結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)過統(tǒng)計，包裝箱1年平均經(jīng)歷沖擊18次，跌落9次，按照該次數(shù)進行試驗，沖擊和跌落位置平均分配于不同面和棱。

5）總體方案。包裝箱加速試驗共16個循環(huán)，每個循環(huán)等效1年，模擬包裝箱16年使用壽命過程中敏感應(yīng)力濕熱、隨機振動、叉運、人工拆裝、沖擊和跌落的綜合影響。每個循環(huán)試驗按 1）—4）中規(guī)定的量級和時間進行，試驗時間為6天，總試驗時間為96天。

2.3 試驗結(jié)果

試驗過程中，金屬緊固件發(fā)生銹蝕。在第13個循環(huán)，包裝箱側(cè)板分離，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分損壞，部分試驗故障如圖3所示。針對故障進行了分析，并采取了改進措施[21]：對金屬緊固件增加了防銹處理工藝，對損壞部位進行了加固設(shè)計，增強了包裝箱的結(jié)構(gòu)強度。對改進后的產(chǎn)品增加了2個循環(huán)的試驗，驗證改進措施的有效性，后續(xù)試驗未出現(xiàn)故障。通過本次試驗，包裝箱的可靠性水平得到了提高，在預(yù)防性維修的情況下，使用壽命滿足16年設(shè)計要求。

圖3 試驗故障Fig.3 Test failure

3 結(jié)語

為了激發(fā)航空包裝箱16年使用壽命內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)，文中基于壽命期剖面和故障機理分析，設(shè)計了多應(yīng)力加速試驗方法。試驗時間加速至96天，快速暴露了產(chǎn)品缺陷，進而通過改進措施提升了包裝箱可靠性水平。因此，對于使用工況復(fù)雜產(chǎn)品，準(zhǔn)確建立壽命期剖面和定位敏感應(yīng)力，合理設(shè)計加速試驗方法，可以有效地激發(fā)產(chǎn)品壽命期薄弱環(huán)節(jié)，提升產(chǎn)品可靠性水平。