產品定壽與延壽中的幾個環境問題

趙保平,孫建亮,張韜,于英揚,雷濤

(北京機電工程研究所,北京100074)

產品定壽與延壽中的幾個環境問題

趙保平,孫建亮,張韜,于英揚,雷濤

(北京機電工程研究所,北京100074)

目的提出產品定壽與延壽中應注意的5個問題,為產品延壽和壽命預測提供一些思路。方法在分析產品及其壽命周期環境特點的基礎上,結合產品壽命研究及壽命周期故障情況,并借鑒國外相似產品貯存條件與壽命情況。結果產品壽命受貯存期間的溫度、濕度、含氧量等環境條件和執勤過程中的環境條件影響,與產品復雜程度有關,并最終體現在時間效應上。結論應增強“產品設計重在防護”思維,做好壽命準確分析預測需要長時間的心理準備,在實施中堅持理論與實踐相結合。

壽命周期;延壽;自然環境試驗;加速貯存試驗

經過幾十年的發展,我國裝備產品走過了從研仿到自主設計生產的全過程,經歷了從低速到高速、從近程到遠程、從分立器件到集成電路、從模擬式到數字式等方面的變化過程,并在幾十年間向用戶提供了從單一品種到多品種多平臺產品。從20世紀80年代開始,早期產品陸續進入了壽命后期,因此陸續開展了壽命問題研究。鑒于大量產品屬于長期貯存、一次使用,在貯存期有值勤的特點,研究主要集中圍繞庫房貯存、自然環境暴露等問題展開,也因此積累了豐富的經驗,并形成了相關標準[1—3]。產品壽命的影響因素很多,特別是局部微環境影響與產品結構、材料等有關,所以形成精確模型比較困難,甚至有些因素及其影響尚無法確認。文中根據壽命周期內貯存中的一些故障情況進行分析,提出了相應的環境影響問題。

1 產品及其壽命周期環境特點

產品研制中的一個主要目的是確定外界環境對產品的影響,按環境專業的說法就是求產品壽命期各種環境集合與產品敏感因素的交集,并采取設計措施[1—2]。研制中,大部分極限環境、特殊環境一般都能比較準確地確定,并在實驗室中能夠較好驗證,但對壽命期經歷的庫房等自然環境的認識存在局限性,其看似簡單,但難以準確分析其影響。

航天產品具有長期貯存、一次使用的特點,中間穿插一定時間的值勤任務。由于其具有多平臺使用的特點,因此使用地域十分廣泛。上述特點決定了產品壽命周期內經歷的環境大部分時間在不同地點的庫房內,一定時間處于值勤狀態,其中值勤狀態的產品直接暴露于大氣環境中。由此,貯存和值勤是產品壽命期的主要部分,主要受到庫房和平臺環境影響。

航天產品構成復雜、層次多,在集成制造過程中各部分投產的時間點不同,因此,壽命周期不同于交付產品,材料、元器件、零組部件、設備、分系統均長于產品要求,如圖1所示。所受的環境也不完全與產品整體相同,一方面要經歷出廠到集成階段,包括貯存、運輸、工藝制造等人為誘發環境,同時還要經歷出廠后內部微環境影響。這也是延壽的理論基礎。

圖1 產品各層次壽命期Fig.1 Lifetime on different product level

2 產品壽命研究及壽命周期故障情況

2.1 歷史回顧

從20世紀80年代開始研究,直到2000年左右,產品批量增大,使用、存儲、壽命等問題開始非常突出,開始了大范圍試驗與延壽工作。

從20世紀80到90年代對庫存產品進行了大范圍調研,統計結果顯示南海暴露的問題和故障多,主要是潮濕影響。同時對20世紀70年代的產品開展了延壽試驗等工作,對某兩型產品重點開展了短壽件和系統級的延壽試驗,根據試驗結果提出了增加防護衣等防護措施。

從20世紀90年代到21世紀初,進行了大規模調研,統計結果仍是南海故障率較高,輔助設備故障率高于主要產品。對一些關鍵件、裸露件等開展了系統性的自然環境試驗,同時開展了大規模延壽試驗,重點對某三型產品進行了延壽試驗和自然環境試驗。根據試驗結果提出了改進,如對線路板增加三防漆工藝、系統級產品增加密封包裝發射箱等防護措施。此外,對大量在用產品進行了跟蹤測量研究和試驗,結果用于產品設計改進。

到目前為止,定型的每類產品都要進行試驗,定型或批產后投入一批產品分成幾組對其開展不同地點的貯存試驗。其中一組要求與產品正常使用經歷完全相同,并記錄相關數據。同時平行投入備品備件和相應新材料新構件的試驗。目前累計約有近百個產品。

通過上述自然環境試驗和部分產品的延壽試驗,已經得出了相應壽命的確切結論。

2.2 產品使用故障及壽命情況

1994年對某類產品進行了大范圍試驗和跟蹤測試,根據統計數據得出結論:在庫房貯存檢測中,對不同地點的故障數進行了統計,設備復雜程度越高,故障數越多;按照地點分布情況,南海地區故障數最多。執勤環境情況下,隨著執勤時間的延長,故障數增加。分析確定的主要環境影響因素是溫度和濕度。

1998年某類系統級產品的調查統計顯示,某庫房有多個包裝箱貯存產品15年后開啟測試,75%以上的無故障,其中有的3個月之后仍無故障。另外一個庫房貯存的多個產品14年后啟封測試,72%的產品無故障,其中有的4月后仍無故障 。說明20世紀80年代產品包裝貯存14年不經檢測有70%以上的產品能夠保持規定的功能。啟封越早,故障越多,因為破壞了貯存的環境。對故障分析中,發現設備分系統級的9種產品中,有7種產品的故障原因與潮濕有關,占到了78%以上[3]。特別應該注意的是,某些產品在潮濕環境下發生的故障,在干燥環境下消失。在南方發生的故障設備運到北方后消失,這可能有2種原因:金屬材料受潮后有電化學腐蝕、應力腐蝕、表面氧化電解等現象和非金屬材料受潮膨脹在不同材料之間產生應力;絕緣材料老化、受潮后絕緣電阻下降、電性能發生變化。

1990年至2004年近15年間,在海南三亞、萬寧投入復合材料產品用于貯存、暴曬試驗,以驗證其室內貯存壽命和露天暴曬壽命。相同類型的產品分為2組,其工藝、材料等狀態完全相同,分別用于室內貯存和露天暴曬。暴曬試驗于1996年完成試驗收回試驗件,庫房、棚下試驗2004年完成試驗收回試驗件,所有試驗件均在進行外觀檢查分析確認后,置于庫房存放,待系統延壽試驗同時進行性能檢測。2005年在進行系統延壽期間對所有試驗件分別進行了電性能、溫度、力學等試驗,表明全部滿足設計要求,暴曬壽命達到24個月以上,庫房貯存壽命達到15年以上。

2012年對在不同庫房的某2個批次的產品進行統計,意圖通過分析故障率與庫房環境特性之間的聯系,確定影響產品故障與壽命的主要因素,結果見表1。初步認為溫度、溫度和濕度的波動可能是影響產品故障的主要因素。

表1 庫房貯存環境與產品故障Table 1 The relationship between storage environment and product failure

3 國外相似產品貯存條件與壽命情況

查閱國外相似產品相關資料表明,庫房環境與包裝對產品的壽命影響至關重要,因此相關文件規定也十分嚴格。規定系統級產品在油封狀態有空調的庫房(恒溫恒濕)貯存,貯存期為6年;在無空調設備的庫房貯存,貯存期為4年;在野外條件下的遮雨棚貯存期為6個月;在啟封狀態下有空調設備庫房里貯存期為1年。對產品內部設備也有相應的規定,根據設備包裝與存放條件不同而不同,見表2。其中,特別強調對包裝箱內含氧量控制十分嚴格,并具有長期貯存、免測試、開封即用的要求。

表2 產品內設備的使用期限規定Table 2 The storage life limit of different products

4 產品壽命周期環境影響問題分析

根據上述國內外情況,可以得出溫度、濕度、含氧量、使用維修等對產品壽命影響很大,產品層次不同,要求差異也存在不同。產品貯存中庫房條件不大的差異造成壽命差異很大。

4.1 包裝與貯存溫濕度環境影響問題

恒溫恒濕庫房條件下產品壽命高出無空調庫房壽命將近1倍,很多貯存環境規定了較低的露點溫度,因此,對壽命的影響應與溫度、濕度及其波動有很大關系。特別是作為復雜產品,由于產品具有外殼密封等特殊形式,溫度波動帶來的產品包裝和內部結構變化以及呼吸作用等過程有助于濕度的傳播和影響。我國庫房貯存產品故障率南高北低的差異也說明,影響的結果與庫房具體環境條件和產品特點有很大關系,有統計研究結論稱,貯存環境差異造成失效率的差異也比較大,平均溫度越高,失效率也越高[4]。也有大量產品的貯存結果表明,濕度影響最大[3]。產品吸濕量變化與貯存環境濕度變化趨勢一致,其對性能影響程度與濕度成正比[5]。在產品貯存期遠高于設計壽命并不開箱的情況下,很多產品性能狀態表現良好,一旦開箱測試或使用,則故障凸現。這些產品在研制過程中進行的高溫高濕、溫濕度循環試驗中的溫度、濕度及其波動程度遠高于庫房的溫濕度條件,卻不出現故障,而貯存中的溫濕度卻表現出更大的影響。這至少說明兩者故障機理和故障模式存在較大差異,庫房中的很多故障屬于典型的貯存故障,不同于研制中溫度濕度試驗的作用機理,可能存在還沒有認識到位的重要影響因素,其中長期貯存下的產品本身特性變化與溫度/濕度的相互作用機理需要研究。可能的解釋是,開箱測試時,本來穩定的狀態被打破,環境的直接影響大幅增加。外部潮濕直接與元器件、原材料等接觸,導致已經長期熱老化或存在缺陷材料器件等性能降低。

4.2 含氧貯存環境影響問題

包裝良好并充氮氣的產品壽命比充干燥空氣并在恒溫恒濕庫房的壽命高出1倍,說明氧的影響很大。從實際暴露出的故障情況可以看出,存在表面銹蝕等情況,特別是產品的運動表面、接觸表面等出現氧化、冷焊、原子運動、揮發物與氧氣反應的污染物。這些也都是與溫濕度共同作用結果,但其含量與研制試驗暴露在大氣中的氧氣量相比很低,是否說明貯存中產品的環境效應不同?

4.3 執勤環境影響問題

產品在裸露或簡單防護條件下的壽命,是良好貯存狀態下壽命的1/10,執勤環境和產品的包裝對壽命的影響之大,超出想象。在產品研制中,很多情況下是按照全壽命周期內環境剖面中的極值環境條件設計的,并經過了試驗驗證,也按照GJB 899進行了典型綜合環境可靠性試驗,其中的環境剖面包含了典型的溫濕度振動環境。對它們影響差距如此之大可能的解釋是,與執勤地點當地的環境特點有很大關系,可能存在沒認識到的特殊性,如美軍沙漠風暴的沙塵等影響,同時還存在平臺誘發環境的綜合影響。

4.4 產品復雜程度影響問題

從產品故障統計結果看,設備越復雜,故障率越高,結構越復雜,集成度越高,失效故障率越高。這表明設計階段的認識存在很大差距,一方面低級別設備、器件、材料壽命長于產品,在產品集成制造過程中要經受運輸、轉運、加工、集成等人為影響,可能包含工藝過程對材料、結構等方面的損傷,在貯存中成為誘發故障的根源;另一方面,復雜產品的結構、質量、剛度等分布是不均勻的,在與外界環境相互作用中,形成了均勻性較差而且各不相同的微環境,正是產品本身的微環境微狀態等重要特性可能直接決定了溫度、濕度影響的過程和機理[8],以目前的技術很難清楚掌握。材料、元器件、構件等級別的建模分析還比較準確,但上升為產品系統級后,基于如此巨大的差異而進行仿真分析的模型建立是否準確可行還有待商榷。

4.5 時間效應與加速貯存問題

研制過程中的很多試驗環境條件采用的是極值條件,遠遠高于使用中的貯存庫房(溫濕度)條件,且都沒有出現問題,但產品在溫濕度長時間作用下卻出現了問題,其變化過程超出想象。可見是時間效應在起作用,貯存中的故障顯然與環境量級不是線性關系,產品故障不僅僅與環境有關,而且與自身特性和時間作用有關。可能與復雜程度、材料構成、濕度傳播過程、吸濕方式等,以及在長期作用下形成的微環境有關,這一點是認識分析比較困難和難以模擬的,也就是目前加速與實際結果差異的重要因素。時間效應中包括了產品重力下非均勻應力的長期作用,以及受力件長期作用松弛、材料蠕變、電參數漂移、冷焊、原子運動、氧化等現象。在長期貯存和使用中的自然環境應力和多次使用維護中的電應力、振動應力等綜合應力長期積累,也會加劇元器件和材料性能下降甚至失效,使得導彈故障率上升。這些因素很難采用建模分析和加速試驗方式準確預測。

同時,從產品長期貯存中性能測試結果來看,性能的變化量差異巨大,且毫無規律,貯存環境、貯存時間與產品性能退化量之間缺乏統計規律[4]。通過產品實際情況,可以基于物理分析結果得出確切的壽命長度結論,但難以通過貯存的性能退化量建立精確的退化模型,并為加速貯存試驗提供對照。由此,研制階段通過高加速試驗對壽命進行預測十分困難,還是要通過以往經驗數據判斷。

5 結論與建議

由上述分析,可以提出以下結論和建議:

1)產品設計重在防護。產品貯存故障與溫度、濕度有關,但產生影響的物理過程或機理不清楚,需要深入研究。對復雜產品而言,需要大量投入,時間和經費代價可能很大,因此,現階段我國產品貯存壽命保障的重點是提高防護質量,做到庫房恒溫、低濕、低氧。應對產品所在地區的值班環境及其特殊性進行深入研究,保證采取有針對性的防護措施,降低故障,延長壽命。產品設計盡量做到在貯存期間免測試或不開箱測試,減少庫房溫濕度影響。對復雜產品應深入分析溫濕度等傳播影響機理,盡量采取措施阻斷其傳播路徑。設計初期應對早期產品材料、器件、產品的壽命信息進行分析,短壽、易損等材料盡量避免,如果無法避免,設計應安排在易于修理、更換等部位,降低維護與延壽成本。

2)壽命的準確分析預測需要長時間堅持理論與實踐結合。由于復雜產品貯存環境影響機理復雜,認識需要長期研究過程,相應分析模型很難準確,因此,一方面要不斷分析已有產品的設計貯存結果和環境,同時要投入產品進行自然環境試驗,并堅持同步開展加速試驗研究。不急于求成,堅持長期跟蹤收集數據。從底層做起,逐步推廣到系統級產品。堅持建模仿真分析,與加速貯存試驗技術研究相結合,不斷修正預測模型。

6 結語

壽命影響因素很多,目前的延壽技術都是基于樸素的短板修復思想,準確定壽延壽從理論上說清楚需要長時間工作,美俄等發達國家的延壽技術都是經過長時間不斷修正完善的結果。同時準確預測產品壽命的基礎是掌握產品特性,還要堅持理論分析與試驗建模結合,爭取經過20年時間實現精確的預測目標。以上為筆者個人的一點看法,拋磚引玉,請批評指正。

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Some Problems of Environment Engineering in Life Estimation and Prolongation of Products

ZHAO Bao-ping,SUN Jian-liang,ZHANG Tao,YU Ying-yang,LEI Tao
(Beijing Mechanical-electronic Engineering Institute,Beijing 100074,China)

ObjectiveFive problems were summarized in order to put forward some consideration to prolong and forecast product life.MethodsFirstly,product and its environment characteristics in life cycle were analyzed.Secondly,the experience of life and faults in domestic product were summarized.Thirdly,storage condition and life information of oversea similar products were consulted.ResultsProduct life was affected by environment conditions,such as instance temperature,humidity and oxygen in its storage place or the condition of keeping as armaments.And it was related to the complexity of products.At last it was reflected in time effect.ConclusionThe opinion of"Emphasized protection in product design"should be enhanced,and we should get ready to precisely forecast product life in a long-term view,and persist in combining theory and practice in future study.

life cycle;life prolongation;natural environment test;accelerated storage life test

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.005

V263.5

:A

1672-9242(2014)04-0021-05

2014-05-30;

2014-06-21

Received:2014-05-30;Revised:2014-06-21

趙保平(1962—),男,河北石家莊人,研究員,主要從事產品環境工程、環境試驗和可靠性試驗技術研究和管理工作。

Biography:ZHAO Bao-ping(1962—),Male,from Shijiazhuang,Hebei,Professor,Research focus:environmental engineering,environmental test,reliability test and management.