低沖擊分離裝置的加速退化試驗(yàn)方案研究

董雪，欒家輝，韓慧超，米海波

（中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071）

引言

低沖擊分離裝置是一種點(diǎn)式分離裝置，具有連接強(qiáng)度好、沖擊小、沖量小和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛行器級(jí)間分離、器間分離等領(lǐng)域中[1-3]。隨著長(zhǎng)期貯存，其螺栓預(yù)緊力會(huì)松弛，橡膠密封圈的密封性能以及MoS2涂層的潤(rùn)滑性能都會(huì)逐漸下降，進(jìn)而會(huì)影響飛行器能否成功地完成規(guī)定的任務(wù)。因此，有必要對(duì)低沖擊分離裝置進(jìn)行貯存壽命預(yù)測(cè)研究。

通常，使用自然貯存老化試驗(yàn)方法對(duì)低沖擊分離裝置進(jìn)行貯存壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果將是最精確的，但對(duì)于長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，試驗(yàn)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。目前，各個(gè)領(lǐng)域都廣泛采用加速壽命試驗(yàn)[4-6]方法來(lái)減少試驗(yàn)時(shí)間，但通過(guò)該方法一般只能得到產(chǎn)品的失效時(shí)間數(shù)據(jù)，通常需要一定數(shù)量的樣品發(fā)生失效或者較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間才能結(jié)束試驗(yàn)。而加速退化試驗(yàn)方法可以克服上述兩種方法對(duì)長(zhǎng)壽命、高可靠產(chǎn)品進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的不足[7,8]，其只需加速產(chǎn)品性能的退化，并可以明顯地推斷出產(chǎn)品的性能退化趨勢(shì)，就可以終止試驗(yàn)。因此，對(duì)于像低沖擊分離裝置這樣高可靠、長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品，為了使其能夠在較短的時(shí)間內(nèi)得到更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，應(yīng)選擇加速退化試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行貯存壽命預(yù)測(cè)。

本文在分析低沖擊分離裝置失效模式的基礎(chǔ)上，確定了加速退化試驗(yàn)類型、性能退化參數(shù)、加速應(yīng)力、加速模型、應(yīng)力水平的組合、樣本量以及試驗(yàn)截止時(shí)間，并給出了低沖擊分離裝置加速退化試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟。

1 加速退化試驗(yàn)方案

根據(jù)加速退化試驗(yàn)的要求和低沖擊分離裝置的特點(diǎn)，低沖擊分離裝置加速退化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1.1 加速退化試驗(yàn)類型的確定

由于受到試驗(yàn)應(yīng)力實(shí)施過(guò)程和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方面的限制，以及考慮到壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)于低沖擊分離裝置，選擇恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)。恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)技術(shù)成熟，數(shù)據(jù)分析相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較簡(jiǎn)單，結(jié)果更加精確。

從加速退化試驗(yàn)樣品的級(jí)別方面來(lái)講，加速退化試驗(yàn)有系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、整機(jī)級(jí)和元器件材料級(jí)加速退化試驗(yàn)[6,9,10]。低沖擊分離裝置的失效模式主要是預(yù)緊力松弛失效、橡膠密封圈失效和MoS2涂層潤(rùn)滑失效，數(shù)量有限，且其作為整機(jī)級(jí)別的設(shè)備，尺寸并不是很大，并有相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備可對(duì)其進(jìn)行加速退化試驗(yàn)。因此，關(guān)于低沖擊分離裝置貯存壽命預(yù)測(cè)的加速退化試驗(yàn)定位在整機(jī)級(jí)。

1.2 性能退化參數(shù)的確定

在實(shí)際貯存中，低沖擊分離裝置的性能退化會(huì)受到多種因素（比如溫度、濕度、外載荷、振動(dòng)、鹽霧、灰塵以及紫外光等）的影響，且用來(lái)表征其失效模式性能退化的參數(shù)也有多種，表征預(yù)緊力性能退化的參數(shù)可以是預(yù)緊力，表征橡膠密封圈的密封性能退化的參數(shù)可以是壓縮永久變形率，表征MoS2涂層潤(rùn)滑性能退化的參數(shù)可以是耐磨壽命、承載能力、動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)等。

如果采用上述所有的性能退化參數(shù)來(lái)表征低沖擊分離裝置的性能退化，就要考慮這些參數(shù)的測(cè)量以及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，會(huì)使本加速退化試驗(yàn)變得復(fù)雜，難以實(shí)施。為了使本加速退化試驗(yàn)易于實(shí)施，又能反映低沖擊分離裝置的主要分離性能的退化情況，采用解鎖壓力作為低沖擊分離裝置的敏感性能退化參數(shù)。

由于每個(gè)低沖擊分離裝置之間存在差異性，所以每個(gè)產(chǎn)品的解鎖壓力初值以及經(jīng)過(guò)相同條件的加速試驗(yàn)后解鎖壓力值的變化都是不同的，為了消除低沖擊分離裝置個(gè)體差異性的影響，選擇解鎖壓力的退化比例來(lái)表征低沖擊分離裝置的性能退化，即

式中：

y0—低沖擊分離裝置的解鎖壓力初值；

y—加速退化試驗(yàn)后的解鎖壓力值；

Y—低沖擊分離裝置的解鎖壓力的退化比例值。

1.3 加速應(yīng)力類型的確定

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及對(duì)低沖擊分離裝置貯存失效的機(jī)理分析，得到溫度、濕度和外載荷是影響預(yù)緊力性能退化的主要因素；溫度和濕度是影響橡膠密封圈密封性能下降的主要因素；溫度、濕度和外載荷等是影響MoS2涂層潤(rùn)滑性能下降的主要因素。

為了在較小試驗(yàn)樣本量的條件下，確定對(duì)低沖擊分離裝置性能退化的主要影響因素，采用正交試驗(yàn)[11,12]方法，研究不同水平下的溫度、相對(duì)濕度和外載荷對(duì)低沖擊分離裝置性能退化的影響。通過(guò)極差和方差分析結(jié)果，確定了溫度和相對(duì)濕度是影響其性能退化的主要影響因素。因此，將溫度和相對(duì)濕度作為加速應(yīng)力。

圖1 低沖擊分離裝置加速退化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)流程圖

1.4 加速模型的確定

加速模型[5,9,13-16]是用來(lái)描述壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，是進(jìn)行壽命外推的基礎(chǔ)。常用的加速模型有Arrhenius模型、逆冪律模型、Eyring模型和Peck模型等。由1.3節(jié)可知，已選擇溫度和相對(duì)濕度作為加速應(yīng)力。其中，只有Peck模型是以定量的形式表示溫度和濕度與產(chǎn)品壽命特征之間的關(guān)系。因此，選擇Peck模型來(lái)描述低沖擊分離裝置貯存壽命與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，即

式中：

T — 絕對(duì)溫度，以K表示；

RH —— 相對(duì)濕度，以%表示；

η — 產(chǎn)品在加速應(yīng)力S下的壽命特征量；

A — 與失效模式、加速試驗(yàn)類型和其它因素相關(guān)的常數(shù)；

γ— 與失效模式或其它因素相關(guān)的常數(shù)，取值范圍在2 ～ 3；

Ea— 激活能，以eV表示；

k — 玻爾茲曼常數(shù)，k = 8.6173×10-5eV/K。

計(jì)算Peck模型在溫度為T、相對(duì)濕度為RH時(shí)的加速因子，計(jì)算公式如下：

式中：

sT、RHs—產(chǎn)品在正常貯存或工作時(shí)的溫度和相對(duì)濕度。

1.5 加速應(yīng)力水平的確定

在處理加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，為了能夠很好地提高模型的擬合度，對(duì)于所確定的每一種應(yīng)力類型，至少都需要三個(gè)不同的應(yīng)力水平。又因?yàn)槭軜悠窋?shù)量的限制，所以應(yīng)力水平數(shù)取3。

根據(jù)低沖擊分離裝置的實(shí)際存貯情況以及各元器件的加速退化試驗(yàn)條件來(lái)確定溫度和相對(duì)濕度水平。并根據(jù)GB/T 2689.1-1981恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則[17]來(lái)確定溫度應(yīng)力水平之間的間隔，計(jì)算公式如下：

式中：

g—加速試驗(yàn)中應(yīng)力水平的個(gè)數(shù)，在本方案中g(shù) = 3；

T1、T2、……、Tg—從低到高g個(gè)應(yīng)力水平下的絕對(duì)溫度，單位為K。

考慮到使用溫度和相對(duì)濕度兩個(gè)加速應(yīng)力，結(jié)合之前單一加速退化試驗(yàn)以及正交試驗(yàn)應(yīng)力水平的選取，取T1= 60 ℃（333.15 K），T3= 70 ℃（343.15 K）。將其代入式（4）～式（6）中，求得T2= 338.0761 K，T2約為65 ℃（338.15 K）。將上述所設(shè)溫度從高到低分別表示為Tmax= 70 ℃、Tmed= 65 ℃、Tmin= 60 ℃。

低沖擊分離裝置長(zhǎng)期貯存時(shí)正常的相對(duì)濕度為75 %，空調(diào)發(fā)生故障時(shí)，相對(duì)濕度會(huì)達(dá)到95 %。因此，將相對(duì)濕度從高到低分別設(shè)置為RHmax= 90 %、RHmed= 85 %和RHmin= 80 %。溫度和相對(duì)濕度的所有組合設(shè)計(jì)如表1所示。

將低沖擊分離裝置長(zhǎng)期貯存條件以及主要失效模式的激活能95.57 kJ/mol[12]代入加速因子公式（3）中，計(jì)算上述各種應(yīng)力水平組合的加速因子，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)低沖擊分離裝置中的橡膠密封圈的加速退化試驗(yàn)條件及壽命結(jié)果，選取整機(jī)級(jí)恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)時(shí)間為60天，可知加速因子為110.72，考慮到數(shù)據(jù)的分散性和樣品的數(shù)量以及加速應(yīng)力的水平數(shù)，故應(yīng)選擇應(yīng)力組合s3、s5和s7，將其分別記為S1、S2和S3，列于表3中。

表1 整機(jī)級(jí)恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)所有的加速應(yīng)力水平表

1.6 試驗(yàn)樣本量的確定

由于在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要反映出不同樣品之間的隨機(jī)性，所以在每個(gè)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)取出的樣品不能少于兩個(gè)。又低沖擊分離裝置的數(shù)量有限，那么一個(gè)應(yīng)力組合水平不能少于三個(gè)測(cè)試點(diǎn)，故所需的滿足基本統(tǒng)計(jì)分析要求的樣本數(shù)不能少于：

3（應(yīng)力組合水平）*3（一個(gè)應(yīng)力組合水平下的檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)）*2（每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的樣本數(shù)）=18個(gè)。

1.7 試驗(yàn)時(shí)間與測(cè)量次數(shù)的確定

由于現(xiàn)有文獻(xiàn)沒(méi)有關(guān)于低沖擊分離裝置整機(jī)級(jí)恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容，且低沖擊分離裝置屬于長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品，可采取定時(shí)截尾的方法來(lái)進(jìn)行加速退化試驗(yàn)[18]。截尾時(shí)間的選取參考低沖擊分離裝置中的橡膠密封圈的加速退化試驗(yàn)時(shí)間60天，且選取S1、S2和S3三個(gè)應(yīng)力水平組合，那么理論上在三個(gè)應(yīng)力水平組合下的失效時(shí)間分別為67.1天、47.8天、35天。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及低沖擊分離裝置實(shí)際的貯存情況以及上述計(jì)算得到的截尾時(shí)間，將試驗(yàn)截尾時(shí)間定為66天。那么在低沖擊分離裝置個(gè)數(shù)為18的情況下，不同的應(yīng)力水平組合下對(duì)應(yīng)的檢測(cè)時(shí)間見(jiàn)表4所示。

2 加速退化試驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)

1）隨機(jī)抽取18個(gè)低沖擊分離裝置，對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)解鎖試驗(yàn)，記錄它們的解鎖壓力初始值；

2）將3個(gè)高低溫恒溫恒濕環(huán)境箱調(diào)到1.5節(jié)加速應(yīng)力水平組合的對(duì)應(yīng)溫度和相對(duì)濕度，并保持溫度和相對(duì)濕度恒定；

3）分別在3個(gè)高低溫恒溫恒濕環(huán)境箱中放入6個(gè)低沖擊分離裝置；

4）以應(yīng)力水平為S1的高低溫恒溫恒濕環(huán)境箱為例，每隔528 h從環(huán)境試驗(yàn)箱中取出兩個(gè)低沖擊分離裝置放置于正常環(huán)境中，待恢復(fù)到正常應(yīng)力之后，進(jìn)行氣動(dòng)解鎖試驗(yàn)，記錄其解鎖壓力值；

5）重復(fù)過(guò)程4）直至達(dá)到截尾時(shí)間1 584 h結(jié)束低沖擊分離裝置整機(jī)級(jí)恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)，記錄相關(guān)的解鎖壓力值。

其它加速應(yīng)力水平下的低沖擊分離裝置整機(jī)級(jí)恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)的步驟類似于應(yīng)力水平S1下的加速退化試驗(yàn)步驟。

3 總結(jié)

本文根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)、各種先驗(yàn)信息以及正交試驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計(jì)了低沖擊分離裝置的加速退化試驗(yàn)方案，包括加速退化試驗(yàn)類型的確定、性能退化參數(shù)的確定、加速應(yīng)力的確定、加速模型的確定、應(yīng)力水平組合的確定、樣本量的確定以及試驗(yàn)時(shí)間的確定。最后，給出了該低沖擊分離裝置加速退化試驗(yàn)步驟。本文的方案具有較高的可行性和可操作性，適用于低沖擊分離裝置貯存壽命評(píng)估。

表2 低沖擊分離裝置加速退化試驗(yàn)的加速因子表

表3 整機(jī)級(jí)恒定應(yīng)力加速退化試驗(yàn)的加速應(yīng)力水平組合表

表4 低沖擊分離裝置加速退化試驗(yàn)的檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)