石英加速度計(jì)貯存延壽試驗(yàn)薄弱環(huán)節(jié)的辨識(shí) ①

張 陽(yáng)，杜 劍

(中國(guó)航天科技集團(tuán)第九研究院第十六研究所，西安 710100)

0 引言

武器裝備貯存試驗(yàn)具有重大的戰(zhàn)略意義，可以節(jié)省開(kāi)支并延長(zhǎng)武器型號(hào)的服役時(shí)間，但同時(shí)又是一項(xiàng)理論難度高、實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，俄、美等軍事強(qiáng)國(guó)歷經(jīng)多年發(fā)展形成了具有特色的貯存延壽道路[1]。美國(guó)貯存延壽技術(shù)手段主要采取自然貯存試驗(yàn)，輔以加速貯存試驗(yàn)，在加速試驗(yàn)應(yīng)用對(duì)象上，主要是元器件材料級(jí)和整機(jī)級(jí)，如美軍加速試驗(yàn)曾應(yīng)用在民兵導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的所有部件，紅斑蛇導(dǎo)彈的元器件、零部件和設(shè)備，以及有關(guān)微機(jī)電產(chǎn)品，導(dǎo)彈推進(jìn)劑等。俄羅斯貯存延壽技術(shù)處于世界先進(jìn)水平，突出特點(diǎn)是可以做到整機(jī)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和全彈級(jí)，見(jiàn)諸報(bào)道的應(yīng)用就是C-300地空導(dǎo)彈[2]。國(guó)內(nèi)也逐步形成了以試驗(yàn)技術(shù)為核心的裝備貯存延壽方法，目前貯存延壽研究的重要內(nèi)容包含貯存壽命表征參數(shù)體系、失效模式與機(jī)理、貯存延壽試驗(yàn)方法和貯存壽命預(yù)測(cè)方法，四者相互關(guān)聯(lián)，相互驗(yàn)證，相互之間是閉環(huán)的邏輯關(guān)系[3]。

石英加速度計(jì)的貯存延壽是武器裝備延壽工程的一項(xiàng)重要內(nèi)容，相對(duì)于陀螺儀表，石英加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可靠性高，常規(guī)條件下加速老化效果不明顯，因此，增加了加速度計(jì)貯存試驗(yàn)綜合評(píng)判的難度，比如失效機(jī)理、失效判據(jù)以及影響因素的選定，特別是加速老化試驗(yàn)下加速度計(jì)失效薄弱環(huán)節(jié)的辨識(shí)，需要合理的退化模型與試驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證，將自然失效與加速度計(jì)故障區(qū)分開(kāi)來(lái)[4-6]。

1 加速貯存試驗(yàn)問(wèn)題分析

某型號(hào)加速度計(jì)選用70℃、80℃、90℃、100℃作為加速計(jì)加速貯存試驗(yàn)溫度，每個(gè)溫度點(diǎn)加速度計(jì)子樣為5塊，總共20塊加速度計(jì)。每個(gè)溫度點(diǎn)貯存試驗(yàn)完成之后進(jìn)行四位置測(cè)試。隨著試驗(yàn)周期的推移，典型的加速度計(jì)輸出參數(shù)變化曲線如圖1與圖2所示。

圖1.1 100℃溫度下1#加速度計(jì)偏值變化趨勢(shì)

圖1.2 100℃溫度下1#加速度計(jì)標(biāo)定因數(shù)變化趨勢(shì)

圖2.1 100℃溫度下2#加速度計(jì)偏值變化趨勢(shì)

圖2.2 100℃溫度下2#加速度計(jì)標(biāo)定因數(shù)變化趨勢(shì)

根據(jù)圖1與圖2所示，可以得到如下結(jié)論：

1)加速度計(jì)的偏值和標(biāo)度因數(shù)在初始階段，隨著貯存周期的增加，兩者趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。這說(shuō)明加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)、材料、裝配應(yīng)力在環(huán)境應(yīng)力的作用下趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，所以加速度計(jì)的輸出更加穩(wěn)定；

2)加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)由剛開(kāi)始的增大，到第5個(gè)周期之后的趨于平穩(wěn)，這和實(shí)際加速度計(jì)自然貯存的加速計(jì)標(biāo)度因數(shù)的變化趨勢(shì)一致。這是因?yàn)榇配摯胖档乃p情況受環(huán)境影響較大，而磁鋼磁值直接影響標(biāo)度因數(shù)。

同時(shí)，加速度計(jì)的加速貯存試驗(yàn)，面臨如下三個(gè)主要問(wèn)題：

1)如何判斷加速度計(jì)的貯存失效與自身功能異常，即加速度計(jì)在加速貯存試驗(yàn)之中，加速度計(jì)失效的模式與機(jī)理；

2)加速度計(jì)貯存試驗(yàn)偏值與標(biāo)定因數(shù)趨于平穩(wěn)，即加速度計(jì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，是否意味著當(dāng)前環(huán)境應(yīng)力難以做出(或者在短時(shí)間內(nèi)難以做出)加速度計(jì)的退化趨勢(shì)；

3)加速度計(jì)功能退化的判據(jù)。

2 失效模式與失效機(jī)理分析

貯存延壽試驗(yàn)方法是串聯(lián)貯存壽命表征參數(shù)體系、失效模式與機(jī)理、貯存延壽試驗(yàn)方法和貯存壽命預(yù)測(cè)方法的關(guān)鍵，它基于失效模式與機(jī)理分析，并以貯存壽命表征參數(shù)體系為觀測(cè)、判別對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)加速度計(jì)的貯存壽命。為了解決以上加速度計(jì)貯存試驗(yàn)面臨的主要問(wèn)題，首先要研究加速度計(jì)的失效模式與失效機(jī)理。

加速貯存壽命試驗(yàn)方法是指在不改變失效機(jī)理的前提下，通過(guò)加大應(yīng)力的方式加快產(chǎn)品性能的退化與失效，進(jìn)而計(jì)算得出正常應(yīng)力水平下貯存壽命的一種試驗(yàn)方法。包括理論模型、加速環(huán)境(應(yīng)力)模擬方法、檢測(cè)鑒定方法。試驗(yàn)中的安全性、方法的驗(yàn)證等內(nèi)容，是提前評(píng)估彈上產(chǎn)品貯存壽命的必經(jīng)試驗(yàn)手段與技術(shù)途徑[2]。

加速度計(jì)失效模式與機(jī)理，是指加速度計(jì)在正常和加速應(yīng)力條件下如何失效(失效模式)以及為什么失效(失效機(jī)理)。加速度計(jì)失效分析是通過(guò)對(duì)每一失效模式、失效機(jī)理的分析，包括細(xì)觀/微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械失效過(guò)程、化學(xué)失效過(guò)程、熱退化過(guò)程等內(nèi)在原因的分析，找出加速度計(jì)失效的內(nèi)在原因。只有通過(guò)失效分析，建立加速度計(jì)加速貯存試驗(yàn)和自然貯存試驗(yàn)之間的相關(guān)性，才能保證壽命評(píng)估結(jié)果的可信度。通過(guò)加速度計(jì)失效模式與失效機(jī)理的研究，才能辨識(shí)出加速度計(jì)貯存延壽的薄弱環(huán)節(jié)。

3 石英加速度計(jì)加速貯存薄弱環(huán)節(jié)分析

石英加速度計(jì)主要由伺服電路和表頭組成，表頭主要由外殼、上力矩器、擺組件、腹帶、下力矩器、隔離環(huán)組成[7]。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解圖如圖3所示。

圖3 加速度計(jì)結(jié)構(gòu)分解圖

加速貯存的環(huán)境應(yīng)力有溫度、濕度、煙霧、噪聲、振動(dòng)、沖擊、壓力、氣溶膠濃度、電壓、電流等。加速度計(jì)目前的密封是通過(guò)膠粘劑實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上膠是一種粘接材料，并不能作為密封材料使用，特別是加速老化試驗(yàn)中，膠的物理性能會(huì)嚴(yán)重退化，整表的密封性也隨之下降，所以必須考慮濕度、煙霧、霉菌、微觀顆粒對(duì)加速度計(jì)性能參數(shù)的影響。針對(duì)貯存延壽試驗(yàn)的特點(diǎn)，可以分為環(huán)境試驗(yàn)對(duì)力矩器、擺組件以及伺服電路參數(shù)性能的影響。

3.1 加速貯存試驗(yàn)對(duì)力矩器影響

貯存試驗(yàn)對(duì)力矩器的影響實(shí)質(zhì)是溫度、濕氣、煙霧對(duì)磁鋼氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響。力矩器由磁鋼、磁極片、補(bǔ)償環(huán)以及軛鐵通過(guò)膠粘劑膠結(jié)在一起，所以需要研究氣候試驗(yàn)對(duì)膠粘劑、磁鋼材料物理性能的影響。慣性器件的精度很大程度上依賴于永磁體的穩(wěn)定性，加速度計(jì)雖然在裝調(diào)環(huán)節(jié)會(huì)采取溫循與振動(dòng)進(jìn)行老化試驗(yàn)，使得永磁體磁性能趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但是永磁體的磁場(chǎng)的穩(wěn)定時(shí)間一般為半年到一年時(shí)間，如圖4所示。而貯存延壽要求壽命一般在10年以上，時(shí)間跨度較大，需要考慮永磁磁性能退化情況，甚至材料的揮發(fā)情況。

圖4 永磁體自然狀態(tài)時(shí)間穩(wěn)定性曲線

3.2 加速貯存試驗(yàn)對(duì)擺組件的影響

擺組件作為加速度計(jì)的核心部件，任何參數(shù)的變化將會(huì)影響加速度計(jì)整表輸出。加速度計(jì)的輸出模型如公式(1)。

(1)

式中：m為擺組件質(zhì)量，αi為加速度計(jì)感受的加速度輸入，l為擺組件質(zhì)心到擺梁根部的距離(慣性力臂)，B為力矩器氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，I為反饋電流，n為線圈匝數(shù)，L為單位線圈的長(zhǎng)度。

擺組件由擺片與上、下動(dòng)圈組件通過(guò)膠粘劑粘接在一起，如圖5所示。在進(jìn)行貯存試驗(yàn)過(guò)程中，膠粘劑會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)生膨脹，一方面造成擺組件質(zhì)心位移，影響加速度計(jì)偏值大?。涣硪环矫嬖斐赡z的粘接強(qiáng)度下降，可以通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)此種情況下膠粘劑的粘接強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 擺組件粘接示意圖

3.3 加速貯存試驗(yàn)對(duì)伺服電路的影響

伺服電路主要是由基準(zhǔn)三角波發(fā)生器、電流積分器、差動(dòng)電容檢測(cè)器、電壓調(diào)節(jié)器和跨導(dǎo)補(bǔ)償放大器等部分組成。伺服電路零偏的產(chǎn)生是由于差動(dòng)電容檢測(cè)器和其后面的電流積分器的性能變化，幅度和頻率的變化將使差動(dòng)電容檢測(cè)器的傳遞系數(shù)發(fā)生變化，而電流鏡像電路的不平衡及其隨溫度的變化會(huì)造成檢測(cè)器的零位漂移。

加速老化試驗(yàn)中的溫度、鹽霧、霉菌等環(huán)境應(yīng)力會(huì)造成伺服電路中的電子元器件損傷，特別是電路之中的非金屬材料，將會(huì)造成不同程度的老化，所以必須探究加速貯存試驗(yàn)對(duì)加速度計(jì)伺服電路的影響。

4 薄弱環(huán)節(jié)試驗(yàn)方法

在國(guó)內(nèi)，整機(jī)加速貯存試驗(yàn)研究應(yīng)用仍處于探索階段，有多位可靠性方面的專家分析了發(fā)展方向和可能的方法，但對(duì)具體模型和方法缺少深入研究，李久祥等[8-9]，首先應(yīng)從薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生，只要確定了整機(jī)薄弱環(huán)節(jié)壽命，就確定了整機(jī)的壽命，并分析了整機(jī)加速貯存試驗(yàn)工作程序。

李祥臣等[10]基于薄弱環(huán)節(jié)失效機(jī)理分析，提出了材料、部件和整機(jī)層層遞進(jìn)的加速退化試驗(yàn)方案，以及基于物理化學(xué)老化和使用載荷驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)加速試驗(yàn)一體化設(shè)計(jì)方法。張生鵬等[11]利用元器件材料級(jí)產(chǎn)品的加速退化經(jīng)驗(yàn)，提出了電子整機(jī)產(chǎn)品的加速退化試驗(yàn)方法，并根據(jù)整機(jī)在自然貯存和加速應(yīng)力兩個(gè)條件下失效概率相等原則計(jì)算加速退化試驗(yàn)時(shí)間。伏洪勇等[12]以最薄弱環(huán)節(jié)選用合適的性能退化加速模型計(jì)算加速因子，分析失效機(jī)理，據(jù)此進(jìn)行電子學(xué)整機(jī)設(shè)備加速退化試驗(yàn)。譚源源[13]研究了整機(jī)加速試驗(yàn)的機(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)分析、一致性分析及融合評(píng)估、優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題，對(duì)裝備貯存壽命評(píng)估的整機(jī)加速試驗(yàn)理論和方法進(jìn)行了探索。

基于加速度計(jì)本體特征以及失效機(jī)理，可以對(duì)加速度計(jì)展開(kāi)以下研究：

4.1 材料級(jí)參數(shù)退化模型

1)膠粘劑活性退化模型。加速度計(jì)是用膠“包裹”起來(lái)的，加速度計(jì)不同部位會(huì)用到不同的膠粘劑。在大量的濕氣與溫度的交變濕熱中，膠的性能會(huì)迅速退化。一方面，膠粘劑發(fā)生蠕變，造成加速度計(jì)部件微觀尺寸位移，特別是擺組件的質(zhì)心偏移，直接影響加速度計(jì)的輸出；另一方面，膠粘劑的膠結(jié)能力會(huì)下降，導(dǎo)致被粘部位脫落的風(fēng)險(xiǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)氣候環(huán)境試驗(yàn)來(lái)施加應(yīng)力，檢測(cè)試驗(yàn)件的微觀尺寸變化以及膠結(jié)強(qiáng)度，或者體積、膠結(jié)強(qiáng)度隨氣候環(huán)境變化(溫度與濕度)的規(guī)律。

2)石英擺片彈性恢復(fù)力退化模型。石英玻璃雖然是無(wú)機(jī)非金屬材料，在氣候環(huán)境下，材料穩(wěn)定性較好，但是基于石英擺片撓性梁的微觀尺寸，必須探究在惡劣的氣候環(huán)境下，石英擺平下垂量受氣候環(huán)境影響的趨勢(shì)關(guān)系，因?yàn)橄麓沽渴菙[片彈性恢復(fù)力的直接反應(yīng)指標(biāo)，而彈性恢復(fù)力是影響加速度計(jì)的偏值等指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。

3)永磁體磁性能退化模型。加速度計(jì)磁鋼材料為永磁體，其變化直接影響加速度計(jì)標(biāo)定因數(shù)的大小。而永磁體的貯存過(guò)程中，應(yīng)該避遠(yuǎn)離熱源，避免日光暴曬，存放處保持干燥，無(wú)腐蝕性氣體[14]。Dan Xu等[15]研究了 Alnico5 分別在 70℃、80℃、90℃下加速老化的磁性能的變化，實(shí)驗(yàn)表明，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，各個(gè)溫度下的試樣的零偏差因子均呈上升趨勢(shì)，比例系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且上升和下降的趨勢(shì)逐漸變緩。磁鋼在使用時(shí)需要滿足一定的要求，當(dāng)比例系數(shù)下降到一定程度時(shí)，其性能將不再滿足使用要求，即隨著使用時(shí)間的增加，磁鋼失效。

當(dāng)周圍溫度升高或降低到一定溫度后重新返回到原始溫度時(shí)，其測(cè)量值與原始溫度下測(cè)量的磁性值不同，我們把這種變化稱為溫度的不可逆變化。廖雅琴[16]根據(jù)Arrhenius模型，建立了鋁鎳鈷磁不可逆損失率隨時(shí)間以及溫度的變化規(guī)律。具體如公式(2)。

η=exp(p*(x,y))=736.35e-3995.13/T×t-1.0661+496.63/T

(2)

式中：η為永磁體的磁不可逆損失率，p*(x,y)為老化模型的擬合參數(shù)曲面。

4)電容檢測(cè)性能退化模型。加速度計(jì)的靜態(tài)輸出變化量由差動(dòng)電容檢測(cè)的靈敏度決定，加速度計(jì)的軛鐵上下極板、鍍膜擺片上下擺舌面構(gòu)成了差動(dòng)電容原理的基本機(jī)械結(jié)構(gòu)，具體如圖6所示。電容檢查的靈敏度如公式(3)。

(3)

式中：ΔC為電容的變化量，kC為電容靈敏度，δ0為電容極板的初始間距，ω0為組件的固有頻率，C0為電容極板的初始電容量，LP為輸出軸至線圈中心軸的距離，p為擺組件擺性，Kl為擺組件剛度。

在氣候環(huán)境試驗(yàn)中，軛鐵“C型”鏡面可能會(huì)發(fā)生銹蝕、老化、材料晶體微觀特征變化而造成鏡面物理性能退化，進(jìn)而影響檢測(cè)電容的靈敏度。

4.2 部件級(jí)試驗(yàn)參數(shù)退化模型

加速度計(jì)老化試驗(yàn)的判據(jù)為加速度計(jì)輸出變化量，為了分離觸發(fā)這種變化的本質(zhì)來(lái)源，首先需要將加速度計(jì)分離為表頭以及伺服電路，分別進(jìn)行研究。將若干試驗(yàn)加速度計(jì)分離為A與B兩組，將A組加速度計(jì)的表頭與B組加速度計(jì)的伺服電路做環(huán)境老化試驗(yàn)。定期的將A組與B組加速度計(jì)恢復(fù)之后進(jìn)行參數(shù)性能測(cè)試。除了對(duì)比加速度計(jì)靜態(tài)環(huán)境下輸出值，還應(yīng)關(guān)注加速度計(jì)超調(diào)量、諧振峰值、諧振頻率等動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參量，以及加速度計(jì)在隨機(jī)與定頻振動(dòng)下加速度計(jì)輸出的前后變化量[17]。

4.3 整機(jī)級(jí)參數(shù)退化模型

加速度計(jì)材料級(jí)與部件級(jí)老化試驗(yàn)參數(shù)退化的研究是為加速度計(jì)整機(jī)參數(shù)退化模型作為參考，整表參數(shù)退化是加速度計(jì)老化試驗(yàn)的真實(shí)反映，更加接近于加速度計(jì)自然貯存下的狀態(tài)，同時(shí)，可以反映加速度計(jì)退化情況的參數(shù)也最多[18-21]。在研究整機(jī)參數(shù)退化模型時(shí)，可以通過(guò)控制整表的密封狀態(tài)，設(shè)置零密封到全密封狀態(tài)下的加速度計(jì)整表子樣，研究不同密封性的加速度計(jì)的參數(shù)退化情況。加速退化試驗(yàn)可以進(jìn)行到加速度計(jì)功能失效，然后對(duì)加速度計(jì)解剖分析，進(jìn)行故障定位，最后對(duì)故障對(duì)應(yīng)下的環(huán)境應(yīng)力應(yīng)用控制變量以及正交試驗(yàn)等方法進(jìn)行驗(yàn)證。

加速度計(jì)退化薄弱環(huán)節(jié)分析試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法見(jiàn)如下表1所示。

表1 加速度計(jì)貯存延壽試驗(yàn)薄弱環(huán)節(jié)分析情況

5 失效判據(jù)

通過(guò)本節(jié)內(nèi)容的分析，可以區(qū)分加速度計(jì)貯存失效與自身故障的本質(zhì)來(lái)源，以及加速度計(jì)輸出參數(shù)退化的趨勢(shì)，在加速貯存試驗(yàn)中，輸出參數(shù)的退化實(shí)質(zhì)來(lái)源于構(gòu)成加速度計(jì)的材料的物理與電氣性能的退化，而材料參數(shù)的退化一般為初始的線性退化，在到中間的收斂(穩(wěn)定)，再到最后的不收斂(曲線崩塌)的大體趨勢(shì)。至于中間的收斂項(xiàng)時(shí)間，需要各個(gè)材料退化曲線加權(quán)預(yù)估。加速度計(jì)退化判據(jù)根據(jù)加速計(jì)退化曲線而來(lái)，即加速度計(jì)退化曲線開(kāi)始崩塌的駐點(diǎn)，具體如圖6所示。

圖6 加速度貯存試驗(yàn)輸出曲線示意圖

圖6中由穩(wěn)定階段到離散階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“駐點(diǎn)”。貯存試驗(yàn)關(guān)鍵是要觀測(cè)到駐點(diǎn)，說(shuō)明加速度計(jì)開(kāi)始出現(xiàn)退化或者失效的趨勢(shì)，對(duì)于駐點(diǎn)的判斷可以用加速度計(jì)輸出二階求導(dǎo)的微分方式計(jì)算，如下

(4)

6 結(jié)論

石英加速度計(jì)貯存延壽的核心是獲取加速因子，前提是獲得性能參數(shù)退化的趨勢(shì)。通過(guò)材料級(jí)、部件級(jí)以及整機(jī)級(jí)的試驗(yàn)分離與試驗(yàn)驗(yàn)證，可以獲取加速貯存失效的薄弱環(huán)節(jié)，將加速度計(jì)貯存延壽試驗(yàn)引起的性能退化與隨機(jī)故障區(qū)分。針對(duì)加速度計(jì)失效的判據(jù)問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)每個(gè)加速度計(jì)的個(gè)體差異問(wèn)題，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)引起的敏感參量進(jìn)行二階駐點(diǎn)分析，才能從本質(zhì)上判定加速度計(jì)是否出現(xiàn)失效，避免因人為設(shè)置判據(jù)而引起的“偽失效”。