機(jī)載加卸載設(shè)備可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)應(yīng)用研究

張 楠，武 健，孟 博

(航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

機(jī)載加卸載設(shè)備作為機(jī)載設(shè)備任務(wù)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)設(shè)備，負(fù)責(zé)將地面任務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)給機(jī)載任務(wù)設(shè)備，其可靠性顯得尤為重要。傳統(tǒng)的環(huán)境模擬試驗具有時間長、效率低、費用大等問題，為此需要采用一種能夠高效、快速激發(fā)和暴露加卸載設(shè)備設(shè)計中薄弱環(huán)節(jié)的試驗技術(shù)。

為了解決該問題，可靠性強(qiáng)化試驗應(yīng)運而生。可靠性強(qiáng)化試驗是一種激發(fā)試驗，采用比技術(shù)規(guī)范極限更嚴(yán)酷的試驗應(yīng)力，加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，并通過不斷地改進(jìn)和驗證，提高產(chǎn)品的固有產(chǎn)品可靠性，使產(chǎn)品更加“健壯”。產(chǎn)品通過可靠性強(qiáng)化試驗，可以獲得更快的增長速度、更高的固有可靠性水平、更低的使用維護(hù)成本、更好的環(huán)境適應(yīng)能力和更短的研制周期[1-3]。

1 加卸載設(shè)備組成及特點

加卸載設(shè)備包括加卸載卡和加卸載座兩部分，其組成框圖如圖1所示。

圖1 加卸載設(shè)備組成

加卸載設(shè)備由加卸載座和加卸載卡兩部分組成。加卸載卡用于數(shù)據(jù)的存儲和傳輸通信，對外提供USB接口，主要由USB外設(shè)、存儲器電路、處理器電路等組成，加卸載座作為加卸載卡的插入載體，主要由數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊組成，加卸載座通過網(wǎng)絡(luò)/總線接口與機(jī)載網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，具有數(shù)據(jù)加卸載功能，實現(xiàn)加卸載卡對機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)加卸載。

加卸載設(shè)備作為受試產(chǎn)品(UUT)主要承受溫度、振動和濕度等環(huán)境應(yīng)力的作用。其中加卸載卡作為可拆卸設(shè)備，其安裝可靠性與拆卸便捷性是可靠性設(shè)計的關(guān)鍵點。

2 加卸載設(shè)備可靠性強(qiáng)化試驗技術(shù)研究

2.1 加卸載設(shè)備可靠性強(qiáng)化試驗流程

加卸載設(shè)備的可靠性強(qiáng)化試驗按照以下五個項目的順序完成試驗：

1) 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗；

2) 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗；

3) 快速溫變循環(huán)試驗；

4) 振動步進(jìn)應(yīng)力試驗；

5) 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗。

各試驗項目之間的相互關(guān)系如圖2所示。可靠性強(qiáng)化試驗前需要對UUT進(jìn)行產(chǎn)品溫度調(diào)查。采用紅外熱成像儀對UUT進(jìn)行非接觸式溫度調(diào)查，可了解UUT的熱分布和溫升后溫度穩(wěn)定時間。

圖2 加卸載設(shè)備的可靠性強(qiáng)化試驗流程

2.1.1 低/高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗

低/高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗實施方法：

1) 低/高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗以室溫或相關(guān)規(guī)定的溫度作為該項試驗的起始點溫度；

2) 每步的保持時間包括產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定時間+產(chǎn)品檢測時間。UUT內(nèi)部溫度穩(wěn)定時間可以通過溫度調(diào)查獲得或者通過溫度傳感器進(jìn)行測試。

3) 步長在達(dá)到UUT規(guī)定的工作溫度前為10 ℃，達(dá)到UUT規(guī)定工作溫度后為5 ℃；

4) 在整個試驗過程中，對UUT施加標(biāo)稱電壓。在每個溫度段產(chǎn)品達(dá)到穩(wěn)定后，首先進(jìn)行3～5次通斷電啟動檢測，以考核UUT在該溫度下的啟動能力，保證每次上下電后功能正常。之后，再進(jìn)行產(chǎn)品的功能性能檢測；

5) 在低/高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗過程中，一旦發(fā)現(xiàn)UUT出現(xiàn)異常，立即將溫度恢復(fù)至上一量級，進(jìn)行全面檢查。如果UUT恢復(fù)正常，則判定UUT出現(xiàn)異常的溫度應(yīng)力為UUT低/高溫工作極限；如仍然不正常則判定產(chǎn)品出現(xiàn)異常的溫度應(yīng)力為UUT的低/高溫破壞極限；

6) UUT達(dá)到低/高溫工作極限溫度、低/高溫破壞極限溫度或在-80 ℃～120 ℃范圍內(nèi)，UUT均未發(fā)生故障，試驗終止。

2.1.2 快速溫變循環(huán)應(yīng)力試驗

快速溫變循環(huán)應(yīng)力試驗實施方法：

1) 溫度循環(huán)的溫度上下限溫度值決定了試驗強(qiáng)度。選擇上下限溫度值的關(guān)鍵是給UUT施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)力以分析出缺陷又不損壞UUT。根據(jù)工程經(jīng)驗，可取低溫工作極限加5 ℃，高溫工作極限減5 ℃；

2) 溫度變化速率不小于15～40 ℃/min；

3) 保持時間包括產(chǎn)品內(nèi)部溫度穩(wěn)定時間+產(chǎn)品檢測時間；

4) 溫度循環(huán)次數(shù)影響試驗的有效性和總試驗時間，從而影響試驗費用。若要達(dá)到相同的缺陷激發(fā)效果，則不同的溫度變化率需要的循環(huán)次數(shù)不同。

表1 溫度變化率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

5) 快速溫變循環(huán)過程中，UUT在產(chǎn)品規(guī)定的標(biāo)稱電壓、最高輸入電壓及最低輸入電壓下進(jìn)行功能、性能測試，以考核不同電壓下UUT的工作能力。

6) 達(dá)到所需的快速溫度循環(huán)次數(shù)或受試產(chǎn)品發(fā)生不可修復(fù)故障時試驗終止。

2.1.3 振動步進(jìn)應(yīng)力試驗

振動步進(jìn)應(yīng)力試驗可以采用全軸振動臺或者傳統(tǒng)的電動振動臺來實施，針對加卸載設(shè)備的安裝特點，加卸載設(shè)備使用全軸振動臺進(jìn)行振動步進(jìn)應(yīng)力試驗。

振動步進(jìn)應(yīng)力試驗實施方法：

1) 采用全軸振動臺進(jìn)行振動步進(jìn)應(yīng)力試驗的初始值設(shè)置為5 Grms；

2) 每個振動應(yīng)力的停留時間包括UUT振動穩(wěn)定的駐留時間以及功能、性能檢測時間。振動穩(wěn)定后駐留時間一般為5 min～10 min，需要根據(jù)UUT具體情況決定；

3) 采用氣錘振動臺進(jìn)行振動步進(jìn)應(yīng)力試驗的應(yīng)力步長一般為3 Grms～5 Grms，不超過5 Grms，具體選擇依據(jù)UUT能夠承受的最大應(yīng)力和UUT的實際使用情況。

4) 整個試驗過程中UUT處于通電工作狀態(tài)，并施加標(biāo)稱電壓；

5) 在振動過程步進(jìn)試驗過程中，當(dāng)UUT出現(xiàn)異常時，立即將應(yīng)力恢復(fù)上一量級，進(jìn)行功能、性能檢測；如果UUT恢復(fù)正常，則判定受試產(chǎn)品出現(xiàn)異常的振動應(yīng)力為UUT的振動應(yīng)力工作極限；如果仍不正常則判定當(dāng)前應(yīng)力為振動應(yīng)力破壞應(yīng)力；

6) 當(dāng)受試產(chǎn)品達(dá)到振動應(yīng)力工作極限、破壞極限或者達(dá)到50 Grms量值時，UUT均未發(fā)生故障，試驗終止。

2.1.4 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗實施方法為：

1) 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗中溫度循環(huán)應(yīng)力施加方法與快速溫變循環(huán)應(yīng)力試驗相同；

2) 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗中振動應(yīng)力采用步進(jìn)振動應(yīng)力，根據(jù)已完成的振動步進(jìn)應(yīng)力試驗得到的振動工作極限除以溫度循環(huán)次數(shù)；

3) 當(dāng)UUT發(fā)生不可修改故障或者達(dá)到所需循環(huán)次數(shù)時，終止綜合環(huán)境應(yīng)力試驗。

3 加卸載設(shè)備可靠性強(qiáng)化試驗實例應(yīng)用

3.1 試驗實施方案

某型加卸載設(shè)備試驗組網(wǎng)圖如圖3所示。測試環(huán)境包括工控機(jī)(含有FC-PC仿真卡)、調(diào)試電纜、供電電源等。可靠性強(qiáng)化試驗箱采用液氮制冷并且通過風(fēng)管直接將氣流吹向UUT來實現(xiàn)超高降溫的高溫變化率的溫度循環(huán)環(huán)境；以氣錘連續(xù)沖擊的多向激勵來實現(xiàn)三軸六自由度的全軸振動環(huán)境。試驗箱設(shè)置為40 ℃/min的溫度變化率，快速溫變使用5個循環(huán)。綜合環(huán)境應(yīng)力中振動步進(jìn)應(yīng)力初始量值為振動步進(jìn)應(yīng)力試驗的1/5工作極限、依次類推。

圖3 加卸載設(shè)備試驗組網(wǎng)圖

3.2 試驗結(jié)果

該型加卸載設(shè)備可靠性試驗過程中共發(fā)生2次故障，故障情況如表2所示。

表2 故障情況匯總表

通過可靠性強(qiáng)化試驗，得到了該型加卸載設(shè)備的工作極限，低溫：-80 ℃；高溫：85 ℃；振動：50 g。

4 結(jié)束語

本文針對加卸載設(shè)備特點采用了可靠性強(qiáng)化試驗，相比傳統(tǒng)的環(huán)境模擬試驗大大縮短了試驗時間、節(jié)省了試驗經(jīng)費。通過對某型加卸載設(shè)備開展可靠性強(qiáng)化試驗，發(fā)現(xiàn)了該型加卸載設(shè)備的2個設(shè)計薄環(huán)節(jié)和工作極限，并且制定了糾正措施，增加了該產(chǎn)品的可靠性，下一步工作計劃，按照糾正措施進(jìn)行回歸驗證。