實驗室環境試驗條件及其剪裁技術

翟波,蔡良續,祝耀昌

(1.中航工業洛陽光電所,河南洛陽471009;2.中航工業綜合所,北京10028)

實驗室環境試驗條件及其剪裁技術

翟波1,蔡良續2,祝耀昌2

(1.中航工業洛陽光電所,河南洛陽471009;2.中航工業綜合所,北京10028)

探討了試驗用的環境條件的基本概念及其與設計用環境條件的區別和聯系,分析了GJB 150和GB 2423兩類試驗方法標準中規定試驗條件的特點和帶來的問題。分析表明,試驗用的環境條件不一定就是設計用的環境條件,并指出了不同階段試驗用環境條件確定原則和方法。

環境試驗;試驗條件;剪裁

長期以來,環境試驗方法通用標準一直存在著既包括試驗方法又包括試驗用環境條件的狀況,如GJB 150《軍用設備環境試驗方法》[1]中的各個試驗方法,基本為每個試驗程序都規定了試驗用的環境條件。這種條件不是給出最嚴酷的量值,就是給出相應的計算公式,根據公式計算出的量值也往往是最嚴酷的量值,只有很少部分試驗條件需要根據受試產品的實際情況,需在引用此標準的產品技術條件中另行確定。如GJB 150中的高溫試驗中包括高溫貯存和高溫工作試驗兩個程序,高溫貯存試驗程序的溫度和時間規定為70℃和48 h,高溫工作試驗的溫度和時間則不作明確規定要求。GB 2423《電工電子產品環境試驗》[2—3]就不同,其各個試驗方法中,試驗環境條件不作具體規定,只是給出了嚴酷度等級,某一產品具體的試驗條件則根據產品應用場合和特點等從這組等級中選取?？梢哉J為,其試驗用環境條件是需要根據產品實際遇到的環境剪裁的,只是為了系列化和規范化,將其限制在一定范圍內指定的等級上,而不能用任意量值。GB 2423中對試驗嚴酷度(應力強度和作用時間)進行分等分級這一做法的目的是將貨架產品按其耐環境能力分成各種等級,以便于采購。某一個等級產品的試驗環境條件及應用范圍和場合是固定的,試驗環境條件剪裁實際上就是產品應用環境等級的選擇。

可以看出,GJB 150和GB 2423在試驗環境條件的確定原則上有明顯的區別。GJB 150給出的是最嚴酷的條件,國標則是給的一組等級,具體條件要根據產品實際應用地域范圍選擇,但這兩類標準的共同之處都是在試驗方法中列出了試驗環境條件(或嚴酷度等級),并未解釋試驗環境條件的準確含義及其與環境適應性要求環境條件的關系。導致出現了把設計用環境條件和試驗用環境條件混為一談的現象,把試驗環境條件當作環境適應性設計要求的環境條件。文中將對試驗環境條件的內涵,GJB 150和GB 2423兩類標準中試驗環境條件規定導致的問題,以及試驗環境條件的剪裁進行探討,或許對正確理解和貫徹GJB 150A[4]剪裁標準能有幫助。

1 試驗環境條件的基本概念

1.1 試驗環境條件與試驗條件

環境試驗的試驗條件,從廣義上來說應當包括環境應力條件、電應力和負載條件,必要時還有冷卻通風要求等,這些都是受試產品試驗中必然經受到的外加應力條件[5—7]。在GJB 150中沒有對試驗條件作出明確的說明,其試驗條件一節中給出的只是環境條件,因此長期以來試驗條件已固化為環境應力條件。GJB 899《可靠性鑒定和環境驗收試驗》盡管在正文中將電應力排除在試驗條件之外,但在其附錄《綜合環境條件》中,明確將電應力、溫度、振動、濕度一起納入綜合應力剖面,實際已經將電應力作為試驗條件之一,而且一些工作狀態需要冷卻通風的產品還增加了冷卻通風流量方面的規定。負載條件隨產品而異,一般不會將納人其試驗剖面,而只在試驗程序中加以規定。

應當指出,目前就環境工程專業通常的理解來說,試驗條件只是狹義看作為環境條件,而把有關電應力或動力源應力、冷卻通風要求和負載要求統統納入試驗程序。因此文中僅討論試驗用環境條件。

試驗環境條件一般由2個方面組成[8—9],一是施加環境應力強度的大小或量值;二是應力作用的時間(循環數)或次數。要說明的是,不同環境因素產生環境應力的表征方式往往是不一樣的。例如,對于溫度這一環境因素而言,表征溫度應力的大小主要是溫度的高低和溫度變化速率,對于振動和沖擊等力學環境因素來說,表征其應力強度的是譜型或波形和加速度量值。對于多個環境因素的試驗來說,環境應力必然涉及多個環境因素,例如濕熱試驗的試驗條件將涉及溫度和相對濕度2個環境應力,對于太陽輻射試驗來說,涉及溫度、太陽光譜,太陽輻射強度。此外,某些環境因素,如霉菌無法定量表示,只能規定菌種類型組成,菌種構成的不同必然使環境條件應力作用強度有所區別。應力作用時間或次數則決定了應力作用的累積效應程度大小,累積效應越大,產品被破壞或劣化可能性越大,也是試驗環境條件的重要組成部分。

1.2 試驗環境條件不一定等于設計用環境條件

長期以來,由于GJB 150中明確規定了試驗條件,許多型號總師單位在編制環境要求文件及其與成品廠簽訂成品研制合同中,直接把GJB 150試驗方法中的試驗用的環境條件作為環境要求引入合同或產品技術文件,甚至在更高層次的研制任務書中,也有把GJB 510標準中某一試驗方法中的試驗條件直接作為要求的現象[10—13]。造成這種情況的原因有兩個方面:主觀上是對設計用環境條件和試驗用的環境條件概念不清,認為試驗條件即設計條件;客觀上是缺少現成的環境數據和確定設計用的環境條件即環境(設計)要求的方法,不得不把GJB 150中規定的試驗用的環境條件直接作為設計要求。

裝備的環境要求應包括兩個方面,一是環境適應性(設計)要求,二是對合同中提出的環境性適應性(設計)進行驗證的要求,即環境適應性設計要求和適應性驗證要求。這兩個要求均應在研制任務書或合同中加以明確。環境適應性設計要求是設計員必須考慮的技術指標,而環境適應性驗證要求則包括各種分析驗證方法和試驗驗證方法,環境試驗是進行驗證的主要手段,但不是全部手段。

環境試驗應用于產品研制、生產和使用各個階段,各階段的試驗目的不同,因此試驗應用的環境條件也不相同。只有在定型階段進行環境鑒定試驗和生產階段進行環境例行試驗用各試驗項目的環境條件基本等同于設計用的環境條件。其余環境試驗的環境應力均應以設計用的環境條件為基線,根據試驗目的對其進行適當剪裁調整。

1.3 GJB 150中試驗環境條件的應用

GJB 150各試驗方法中規定試驗用的環境條件是驗證產品對某一環境適應性用的環境條件,這一環境條件基本上是GJB 150中規定相應類別的裝備在實際壽命期內遇到的最嚴酷的環境應力條件。目前,由于許多型號不具備裝備壽命期遇到的實際環境數據,因此不得不采取權宜措施,直接把GJB 150中規定的試驗用環境條件作為某產品環境適應性設計和試驗驗證用的環境條件。應當指出,這種條件并不可能適用于每一個產品,采用這種條件必然造成過設計和過試驗,個別情況導致欠設計和欠試驗。這也就是GJB 150A(MIL-STD-810F)改為剪裁標準,不再規定試驗用環境條件,只提供剪裁用數據和剪裁指導方面內容的原因[14—15]。GJB 150A中規定根據實測數據或標準中提供的數據及剪裁指南等通過剪裁確定試驗用的環境條件。

2 試驗環境條件的剪裁

2.1 試驗環境條件剪裁應用時機

試驗用環境條件的剪裁過程如圖1示,從圖1可以看出,試驗用環境條件的剪裁是環境工程剪裁的組成部分。這項工作的前提是已通過剪裁確定了環境適應性要求即設計的環境條件,還確定了驗證環境適應性要求要進行的環境試驗項目(試驗程序)。

2.2 試驗環境條件剪裁原則

進行試驗用環境條件剪裁應考慮的主要因素有試驗應用階段、試驗目的、試驗設備和測試儀表以及時間等可得資源[16]。

圖1 試驗環境條件剪裁過程及其在環境工程剪裁中的位置Fig.1 Flow chart of test conditions＇tucloring and its position in environmental engineering

2.2.1試驗用環境應力量值剪裁原則

試驗所用應力量值的大小取決于試驗的目的。產品壽命期不同階段的試驗目的不一樣,采用的應力也不同。

1)環境鑒定試驗。定型階段環境鑒定試驗的目的是驗證設計制造產品的環境適應性是否滿足合同的要求,作為能否轉入批生產決策依據,因此這種試驗各項目用的環境條件不能低于環境適應性設計的環境條件,即不低于合同規定的環境適應性要求[17]。已確定的各試驗項目的環境條件一般應與適應性設計要求的環境條件一致。有環境適應性設計要求的環境因素一般都應安排相應的環境鑒定試驗項目,這些項目及其環境條件可作為確定其他階段的試驗項目及其試驗條件的基線。

2)環境適應性研制試驗。研制階段早期進行這一試驗目的是發現產品設計和制造缺陷,施加的應力原則上要大于設計要求的應力量值,確保設計產品的耐環境能力有一定的裕度,裕度的大小取決于采用的設計準則、技術能力及其他資源的許可。

3)環境響應特性調查試驗。這一試驗用于結構已基本固化,物理特性不再會有較大改變的產品,其目的是確定產品對施加的溫度、振動應力響應特性,例如溫度分布,熱點和溫度穩定時間,其共振頻率、優勢頻率等。這些數據可為后續試驗及產品正確使用提供有用的信息。鑒于這一目的,施加的應力不能大于實際使用中遇到的最大應力,即不能大于環境性適應性要求中規定的環境條件。對于振動應加響應特性調查試驗來說,施加的應力可以小于環境適應性要求中規定的應力,以免產生累積損傷。當該試驗的目的是調查確定產品耐受某種環境應力的極限能力,如工作應力極限和破壞應力極限時,以及應力裕度時,應力量值應超過環境適應性設計要求中規定的環境應力條件。

4)飛行器安全環境試驗。在航空、航天飛行器首飛前進行環境試驗的目的是確保初次飛行和后續試飛安全,避免因某些環境影響的直接作用使飛行器關鍵設備產生故障而導致事故?；谶@一目的,這一試驗應選用與安全緊密相關的相應環境因素的試驗項目,其試驗條件至少應與環境適應要求中規定設計用的環境條件一致,也可更嚴酷,但不應超過環境適應性研制試驗用過的最大應力。

5)環境驗收試驗。(批)生產階段環境驗收試驗是驗收檢驗的一種手段,用于剔除合不格產品,一般選用易于激發制造過程引入缺陷的應力類型。如溫度和振動應力,應力量值可等于或適當低于環境適應性要求中規定設計用的環境應力。如只選用高低溫工作試驗和振動功能試驗且應力和時間減小。近年來,一些電子設備的生產中已用環境應力篩選代替這種環境驗收試驗。

6)環境例行試驗。由于批生產階段的環境例行試驗是為了檢查批生產的穩定性和合同的符合性,因此,其試驗條件與鑒定的試驗條件一致,只考慮試驗項目有適量縮減。批生產階段產品的材料和結構是不變的,因此可以去除其影響主要與材料和結構密切相關的環境因素,如霉菌和鹽霧對應的試驗項目。

2.2.2應力作用時間剪裁原則

施加應力時間一般按有關試驗方法規定,也可根據試驗性質和壽命期中環境應力出現的頻率和持續技術時間長短分析確定。

2.3 試驗環境條件剪裁基本步驟

試驗環境條件剪裁基本步驟如下:

1)搜集信息。搜集壽命期該應力量值大小、作用頻度或時間信息;相似設備該項試驗的環境條件、試驗結果和相關使用故障信息;環境適應性設計要求中相關環境因素的設計用的環境條件。

2)確定鑒定試驗用的環境條件。根據環境適應性要求中,該項試驗相關環境因素設計用的環境條件和產品壽命期內該應力出現的頻度和持續時間,以及試驗方法標準規定等確定鑒定試驗的環境條件。

3)確定其他種類試驗的環境條件。以鑒定試驗的環境條件為基線按2.2節中闡述的試驗環境條件剪裁原則,結合試驗的目的和性質、試驗設備情況、研制進度要求、經費等可得資源,確定其他種類環境試驗的環境條件。

3 結語

文中通過對試驗和設計用環境條件的基本概念、區別和聯系的探討,結合GJB 150和GB 2423兩類試驗方法標準中規定試驗條件的特點以及帶來的問題,分析并指出了試驗用的環境條件不一定就是設計用的環境條件的依據。進而針對GJB 150A這一剪裁性標準,討論了試驗環境條件剪裁的應用時機、原則、基本步驟等問題,并著重對裝備研制不同階段、不同類型環境試驗用試驗條件的確定原則和方法進行了分析。

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[3] GB/T 2423.2—2001,電工電子產品環境試驗 第2部分:試驗方法試驗B高溫[S]. GB/T 2423.1—2001,Electrical and Electronic Products Environmental Test Part 2:Test Method for Testing B High Temperature[S].

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The Conditions of Laboratory Environmental Tests and Its Tailoring Techniques

ZHAI Bo1,CAI Liang-xu2,ZHU Yao-chang2

(1.Luoyang Research Institute of Electro-optical Equipment,AVIC,Luoyang 471009,China; 2.AVIC AeroPloytechnology Establishment,Beijing 100028,China)

The basic concepts of environmental test conditions,the distinction and connection between the test and the design environmental conditions were discussed in this paper.The characteristics and problems of the two types of test conditions provided by GJB 150 and GB 2423 were also analyzed.The analysis showed that the test environmental conditions were not necessarily the environmental conditions for designing.The principles and methods of determining the environmental conditions in different stages were pointed out.

environmental test;test conditions;tailoring

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.017

V416.6

:A

1672-9242(2014)05-0087-05

2014-07-01;

2014-08-10

Received:2014-07-01;Revised:2014-08-10

翟波(1972—),男,河南濟源人,工程師,主要研究方向為環境和可靠性試驗。

Biography:ZHAI Bo(1972—),Male,from Jiyuan,Henan,Engineer,Research focus:environment and reliability tests.