可靠性強化試驗在魚雷產(chǎn)品上的應用

龐 多，陳 歡，曹 萌，張岳青

(中國船舶重工集團公司 第705 研究所，陜西 西安，710077)

0 引言

可靠性研制試驗作為提升裝備可靠性水平最有效的方法，近年來在魚雷型號研制中越來越受到重視。可靠性研制試驗一般包括可靠性摸底試驗和可靠性強化試驗等[1]。其中，可靠性摸底試驗在各行業(yè)已廣泛應用，而可靠性強化試驗還處于邊摸索邊應用的階段。

可靠性強化試驗依托于失效物理分析[1-2]，目的是快速激發(fā)產(chǎn)品缺陷和暴露產(chǎn)品設計中的薄弱環(huán)節(jié)[2]，摸索產(chǎn)品的工作或破壞極限[3]，提高產(chǎn)品的固有可靠性，使其更健壯。解決了以往可靠性試驗周期長、效率低、費用大等問題。

目前，航空[4-6]、航天[7-8]及其他行業(yè)[2-3，9-11]對可靠性強化試驗方法均有較為深入的探索，包括伺服系統(tǒng)、空空導彈、機載吊艙模塊、航空電子機載設備等產(chǎn)品的可靠性強化試驗方法。而魚雷行業(yè)對可靠性強化試驗方法的認識和應用還處于初級階段，暫未全面推廣。文中基于現(xiàn)有可靠性強化試驗方法，結(jié)合魚雷產(chǎn)品的特點，對可靠性強化試驗在魚雷產(chǎn)品上的應用進行了較為全面的總結(jié)。

1 工作流程

開展魚雷產(chǎn)品可靠性強化試驗工作，主要包括確定參試產(chǎn)品、分析環(huán)境應力、制定試驗剖面、編制試驗大綱、開展預試驗、實施正式試驗及編制試驗報告等過程。魚雷產(chǎn)品可靠性強化試驗流程如圖1 所示。

圖1 魚雷可靠性強化試驗流程Fig.1 Process of reliability enhancement test for torpedo

1) 從魚雷組件中選取代表性的產(chǎn)品參加可靠性強化試驗，這也是研究魚雷可靠性強化試驗的重要內(nèi)容。

2) 根據(jù)環(huán)境剖面確定魚雷產(chǎn)品敏感的環(huán)境應力，以更加迅速地激發(fā)故障。

3) 制定試驗剖面，這是可靠性強化試驗的關鍵環(huán)節(jié)，涉及各環(huán)境應力及量級。

4) 編制試驗大綱，規(guī)定了包括試驗目的、參試品、試驗剖面、檢測項目、故障判據(jù)及故障處理等內(nèi)容及要求，這是開展試驗最根本的依據(jù)。

5) 正式試驗開始前需進行預試驗，主要包括兩方面內(nèi)容，一是對魚雷參試產(chǎn)品進行熱分布調(diào)查，了解參試品的熱點情況及熱分布溫升情況，為合理布置監(jiān)測傳感器提供參考；二是對魚雷參試產(chǎn)品開展振動測定分析，為試驗排查故障提供參考[4]。

6) 試驗實施過程中，按照規(guī)定的試驗剖面施加試驗應力，同時監(jiān)控并記錄參試品的功能和性能指標。對試驗故障需進行分析，參試品的設計或工藝若發(fā)生了更改，還需進行回歸驗證試驗[5]。

7) 編制試驗報告，對試驗過程、故障處理和試驗結(jié)果等內(nèi)容進行全面總結(jié)。

2 參試產(chǎn)品確定

可將魚雷產(chǎn)品劃分為電子組件、機電組件、機械結(jié)構件以及火工品等幾大類別[12]。其中，魚雷的機械結(jié)構件故障主要集中在耗損階段，依靠短期的強化試驗很難激發(fā)出故障，且在試驗室條件下，不易模擬機械結(jié)構件的工作應力[13]；同樣，機電組件的機械部分也不宜開展強化試驗；另外，火工品使用涉及安全性，一般依據(jù)相關專業(yè)標準開展可靠性試驗。因此，從魚雷產(chǎn)品的結(jié)構特點、重要程度、技術特點、復雜程度等因素綜合權衡，一般選取典型的新研、關鍵、可靠性指標較高的電子組件或電路板級產(chǎn)品開展可靠性強化試驗。

除上述因素外，魚雷可靠性強化試驗參試產(chǎn)品的選取還需參考以下2 個方面： 1) 在其他魚雷型號中已進行過可靠性強化試驗且取得良好效果的組件，一般不再開展強化試驗；2) 同類別的組件通常只選取1 個典型組件開展可靠性強化試驗即可，如魚雷的操雷計算機與控制計算機組件，均為高密度集成的電子組件，在魚雷任務執(zhí)行過程中都起到至關重要的作用，通常只選取其中之一開展可靠性強化試驗。

參試組件需具備任務書要求的功能和性能，在設計、材料、結(jié)構布局及工藝等方面能基本反映定型狀態(tài)的產(chǎn)品，元器件的選用需符合相關管理規(guī)定要求，已完成了環(huán)境應力篩選和環(huán)境摸底試驗，試驗前檢測合格。

另外，參試產(chǎn)品需完成故障模式、影響及危害性分析(failure mode，effects and criticality analysis，F(xiàn)MECA)，確定產(chǎn)品可能的薄弱部位，提前制定應對故障的處理預案。開展可靠性強化試驗的魚雷參試產(chǎn)品一般為2 套，其中1 套為備件。備件應與參試產(chǎn)品技術狀態(tài)保持一致，使用的軟件版本應為試驗前最新有效版本。

3 環(huán)境應力分析

可靠性強化試驗主要效果來自于應力強化，因此應力的選取極為關鍵。魚雷可靠性強化試驗應力選取原則為： 1) 需根據(jù)魚雷具體使用環(huán)境，確定合理的應力及基準量級；2) 需選取產(chǎn)品較為敏感的應力；3) 選取的應力可以在試驗室模擬。

魚雷全壽命周期主要經(jīng)歷運輸、倉庫貯存、技術準備、裝載、發(fā)射作戰(zhàn)等事件，其壽命剖面如圖2 所示。

圖2 魚雷壽命剖面Fig.2 Life profile of torpedo

魚雷在運輸、轉(zhuǎn)運和吊裝等過程經(jīng)歷的環(huán)境應力主要為溫度及振動應力；在倉庫和技術陣地貯存經(jīng)歷的環(huán)境應力主要為溫、濕度應力[14]；魚雷搭載運載平臺使用或貯存時可能經(jīng)歷低溫環(huán)境，裝載期間經(jīng)歷高溫環(huán)境；發(fā)射作戰(zhàn)時經(jīng)歷電應力及振動應力。因此，魚雷在壽命剖面內(nèi)經(jīng)歷的環(huán)境應力主要包括溫度應力、濕度應力、電應力及振動應力，這些應力在試驗室環(huán)境下均可模擬。由于魚雷殼體密封，且包裝箱為真空環(huán)境，放置有干燥劑，因此，強化試驗中一般不單獨對魚雷組件施加濕度應力。

根據(jù)已確定的環(huán)境應力，按照嚴酷度由弱到強的順序，確定魚雷可靠性強化試驗項目為： 1) 低溫步進應力試驗；2) 高溫步進應力試驗；3) 快速溫度循環(huán)試驗；4) 振動步進應力試驗；5) 綜合環(huán)境應力試驗。試驗項目及開展順序如圖3 所示。

圖3 魚雷可靠性強化試驗項目Fig.3 Items of reliability enhancement test for torpedo

試驗中，從高、低溫步進應力試驗的結(jié)果中能夠獲取參試品的高、低溫工作極限，可作為快速溫度循環(huán)試驗的溫度參考；振動步進應力試驗中能夠獲取產(chǎn)品振動工作極限，與溫度極限信息一起可作為綜合環(huán)境應力試驗的參數(shù)設定參考。

4 試驗剖面

可靠性強化試驗剖面的制定是試驗的關鍵環(huán)節(jié)，指導整個試驗過程，涉及應力的施加方式、施加順序和施加量級等。為保證溫度應力充分作用于產(chǎn)品，剖面中需留有適當?shù)谋貢r間，同時需測試產(chǎn)品的通斷電功能以檢測應力施加效果。

4.1 低溫步進應力試驗剖面

魚雷可靠性強化試驗低溫步進應力試驗剖面通常如圖4 所示。

圖4 低溫步進應力試驗剖面Fig.4 Profile of low temperature step stress test

試驗起始溫度為Tn+1，在溫度達到Tn之前，通常以-10℃為步長，Tn為要求溫度值，一般Tn+1比Tn高10～20℃。在溫度達到Tn之后，通常以-5℃為步長。選擇合適的溫度變化速率，一般取40℃/min。每個溫度臺階上停留時間為魚雷參試品溫度穩(wěn)定的時間與測試時間之和，此外還要留有約10 min的余量[9]。溫度穩(wěn)定后再保溫10 min，進行2 次通電啟動以檢驗產(chǎn)品在低溫條件下的啟動能力，然后對魚雷參試品進行功能或性能檢測，檢測內(nèi)容試前應明確，測試完畢后產(chǎn)品斷電[10]。

試驗終止條件為找到產(chǎn)品的低溫工作極限，也可通過找到產(chǎn)品的低溫破壞極限間接確定。若被試品的低溫破壞極限低于T0，以T0為低溫步進試驗結(jié)束時的溫度極限。

4.2 高溫步進應力試驗剖面

高溫步進應力試驗剖面如圖5 所示。

圖5 高溫步進應力試驗剖面Fig.5 Profile of high temperature step stress test

試驗起始溫度為Tn+1，在溫度達到Tn之前，通常以10℃為步長，Tn為要求溫度值，一般Tn+1比Tn低10～20℃。在溫度達到Tn之后，以5℃為步長，溫變速率一般為40℃/min。每個溫度臺階上停留時間的確定原則與低溫步進應力試驗相同。被試品溫度穩(wěn)定并保溫10 min 后，同樣進行2 次啟動檢測、功能及性能測試等內(nèi)容，測試完畢后斷電[10]。

試驗終止條件為找到產(chǎn)品的高溫工作極限，也可通過找到產(chǎn)品的高溫破壞極限間接確定。若被試品的高溫破壞極限高于T0，以T0為高溫步進試驗結(jié)束時的溫度極限。

4.3 快速溫度循環(huán)試驗剖面

魚雷快速溫度循環(huán)試驗所施加的應力是由低/高溫度步進應力試驗的結(jié)果確定的。溫度應力下限為低溫工作極限溫度+5℃，溫度應力上限為高溫工作極限溫度-5℃[3]。魚雷可靠性強化試驗快速溫度循環(huán)試驗剖面如圖6 所示。

圖6 快速溫度循環(huán)試驗剖面Fig.6 Profile of rapid temperature cycle test

試驗以常溫作為溫度循環(huán)的開始，需進行不少于5 個完整循環(huán)周期(視試驗情況可增加)，溫變速率一般為40℃/min。每個循環(huán)升溫或降溫過程中進行2 次啟動檢測，檢驗被試品在快速溫度變化下的啟動能力，啟動檢測后對被試品進行功能及性能測試，測試結(jié)束后斷電[10]。每循環(huán)低溫與高溫階段停留時間的確定原則同低/高溫步進應力試驗。每個循環(huán)電應力施加順序為： ①上限值—②下限值—③標稱值—④上限值—⑤下限值[4]。

4.4 振動步進應力試驗剖面

魚雷可靠性強化試驗振動步進應力試驗剖面如圖7 所示，圖中Tx為完成1 次測試所需時間。

圖7 振動步進應力試驗剖面Fig.7 Profile of vibration step stress test

試驗采用氣錘式強化試驗設備，振動頻率范圍為5～10 000 Hz[3]。振動初始量級5g，振動步進步長5g，每個振動量級保持10 min。整個振動施加過程中一直保持通電測試，被試品施加標稱電壓。振動量級達到20g后，通常在每個量級振動施加完成后再降回至5g[11]，振動維持時間與測試時間Tx相當[2]，以便能夠及時發(fā)現(xiàn)高量級振動時出現(xiàn)的焊點斷裂情況[11]。

試驗終止條件為找到被試品的振動工作極限，如果被試品的振動工作極限大于Gmax，則以Gmax為振動步進試驗結(jié)束條件。

4.5 綜合環(huán)境應力試驗剖面

魚雷強化試驗綜合環(huán)境應力是在以上各項試驗結(jié)果的基礎上確定的。即溫度應力下限為低溫工作極限溫度+5℃，上限為高溫工作極限溫度-5℃[3]；振動應力起始振動量級為1/5Gmax，上限為振動工作極限Gmax-5g，每增加1/5Gmax作為下一循環(huán)的振動量級[6]。

綜合應力環(huán)境試驗剖面如圖8 所示。

試驗循環(huán)次數(shù)一般不少于5 個完整循環(huán)，每個振動量級對應1 個溫度循環(huán)周期。

每循環(huán)振動量級的施加是在升溫段(降溫段)開始前5 min 直至升溫段(降溫段)結(jié)束后5 min，然后將所施加的振動量級降至5g并保持5 min[10]，這樣能夠盡早發(fā)現(xiàn)由于溫度應力和振動應力同時施加而出現(xiàn)的焊點斷裂等故障[6]。產(chǎn)品測試應在施加振動應力期間[3]。每循環(huán)低溫與高溫階段停留時間的確定原則同上。電應力施加原則與快速溫度循環(huán)相同。

圖8 綜合環(huán)境試驗剖面Fig.8 Profile of integrated environmental test

5 應用案例

以魚雷用電源組件為例，按照上述方法開展可靠性強化試驗。

低溫步進應力試驗以-10℃為起始溫度，在溫度達到-20℃之前，以-10℃為步長，溫度達到-20℃之后，以-5℃為步長，每個溫度段保持時間約45 min，在-25℃溫度段測試時電源組件發(fā)生責任故障，因此，其低溫極限為-25℃。

以55℃作為電源組件高溫步進應力試驗的起始溫度，溫度施加到65℃之前，以10℃為步長，65℃之后，以5℃為步長，每個溫度段保持時間約45 min，直到110℃溫度段，電源組件未出現(xiàn)故障，試驗結(jié)束，高溫極限確定為110℃。

根據(jù)高、低溫步進應力試驗結(jié)果，確定電源組件快速溫度循環(huán)試驗的溫度范圍為-20～105℃，實施5 個循環(huán)，溫變率為40℃/min，每個循環(huán)中溫度段的停留時間結(jié)合電源組件的測試時間確定為50 min，快速溫度循環(huán)試驗中電源組件未出現(xiàn)故障，試驗結(jié)束。

振動步進應力試驗中，電源組件的初始振動量級設定為5g，振動步長5g，按照規(guī)定的剖面施加振動，直到50g應力段為止，每個臺階施加振動應力時間約為10 min，電源組件未出現(xiàn)故障，試驗結(jié)束，振動極限確定為50g。

根據(jù)以上試驗結(jié)果，電源組件綜合環(huán)境應力試驗的低溫確定為-20℃(極限為-25℃)，高溫105℃(極限為110℃)，溫變率為40℃/min，振動應力共施加5 個循環(huán)，量值分別為10g(振動極限50g的1/5)、20g(每次增加50g的1/5)、30g、40g和45g(振動極限50g～5g)，每循環(huán)低溫、高溫階段的停留時間約為50 min，電源組件未出現(xiàn)故障。

整個可靠性強化試驗期間，電源組件共發(fā)生1 個責任故障： 在低溫步進應力試驗-25℃溫度段測試時某指標超差，且隨著溫度降低，指標超差越大。經(jīng)排查分析，故障定位為其中一個差模濾波電感器的電感量下降，導致組件的帶載能力不足。通過可靠性強化試驗，摸清了電源組件的工作極限及設計上的薄弱環(huán)節(jié)，后續(xù)進行了設計改進，使得低溫環(huán)境下電源組件更加健壯；同時為其他魚雷產(chǎn)品的器件選型提供了參考和設計建議，在有低溫使用需求時不選用該型電感器，避免了其他含有電感器的魚雷產(chǎn)品再次發(fā)生此類故障，達到了可靠性強化試驗的目的。

6 幾點說明

可靠性強化試驗在魚雷產(chǎn)品上應用的過程中，有以下幾個問題需進行說明。

1) 與傳統(tǒng)的可靠性摸底試驗比較，魚雷可靠性強化試驗雖然具有高效、省時的優(yōu)勢，但不能通過該試驗回答產(chǎn)品可靠性指標，不能對產(chǎn)品可靠性定量水平進行評定。

2) 可靠性強化試驗與摸底試驗對故障的處理方式也有所不同。摸底試驗所施加的應力與產(chǎn)品經(jīng)歷的真實環(huán)境應力相同，因此，摸底試驗中發(fā)生的故障，要求必須進行設計更改并完成故障歸零，而強化試驗中故障多是在極限環(huán)境應力下激發(fā)出來的，旨在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品更健壯，因此，在分析清楚產(chǎn)品故障原因和故障機理的前提下，可綜合考慮研制經(jīng)費、成本及進度等因素，擇機進行設計改進或技術難點攻關。

3) 可靠性強化試驗并非一定是破壞性試驗。大量工程經(jīng)驗表明，溫度工作應力極限下激發(fā)出的故障95%為可逆的，恢復到正常溫度工作條件下故障并不會發(fā)生，因此，強化試驗是為了發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，考驗產(chǎn)品在極限狀態(tài)下的健壯性。

4) 魚雷可靠性強化試驗實施過程中，應避免由于工裝夾具設計不合理而影響產(chǎn)品散熱或放大振動量級給產(chǎn)品帶來非預期的損壞。

7 結(jié)束語

文中結(jié)合現(xiàn)有可靠性強化試驗方法，提出了魚雷產(chǎn)品可靠性強化試驗的流程、參試產(chǎn)品和環(huán)境應力選取原則及典型試驗剖面等，可為更多雷上產(chǎn)品開展可靠性強化試驗提供參考。下一步需進一步研究在不改變失效機理的前提下，如何選取盡可能高的環(huán)境應力，高效地暴露產(chǎn)品全部的缺陷，以不斷完善魚雷可靠性強化試驗技術。