某型空空導彈電子部件加速貯存壽命試驗方法研究

席運洋，劉萬遠，鮑　華

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽　471009)

?

某型空空導彈電子部件加速貯存壽命試驗方法研究

席運洋，劉萬遠，鮑華

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009)

摘 要:為挖掘某型空空導彈電子部件貯存壽命的潛力,提出一種以加速壽命試驗為基礎的試驗方法。通過分析產品貯存期應力、壽命薄弱環節、壽命分布特征、適用的加速模型等,設計了試驗方案。由試驗得到產品真實的貯存壽命,通過與產品實際使用情況對比,證明了該試驗方法的合理性。該試驗方法可推廣應用于其他航空武器裝備。

關鍵詞:空空導彈;加速貯存壽命;試驗方法;指數分布;阿倫尼斯模型

0引言

空空導彈的貯存壽命是設計時根據工程實際預估的可靠性定量指標，到壽即意味著導彈性能的下降、可靠性的降低、戰斗力的減弱。但導彈的日歷壽命到壽時其大部分組成部件并未或遠未到壽，可能僅有個別零部件失效或性能降低。空空導彈是長期貯存、一次使用的產品，為了保證高的可靠性，貯存壽命指標一般有一定的余量。因此，空空導彈到壽時，實際仍有一段“剩余的”可靠的貯存壽命。

到壽的空空導彈如果立即全部報廢，將是巨大的浪費。產品戰技指標仍滿足作戰需要時，發掘到壽導彈的潛能，得到產品真實的貯存壽命信息，并通過維修保障措施保證其作戰效能是各軍事強國的通用做法[1-2]。

某型空空導彈電子部件自交付部隊至今，已經到壽或即將到壽。本文以加速壽命試驗為基礎，結合產品實際，研究產品真實具有的貯存壽命，以及為保證貯存期可靠性而必須開展的相關升級、維修、改造等工作。這對增加部隊可用產品的數量、提升戰斗力、節省國防開支具有重要的意義[3]。

1加速壽命試驗基礎

1.1試驗原理

加速壽命試驗是在保持產品的失效機理不變的前提下，用高于產品正常應力的試驗應力加速產品失效，發現壽命薄弱環節并統計相關故障數據，選用相關數學模型推算出產品在正常應力水平下的壽命的一種試驗方法[4]。加速貯存壽命試驗屬于加速壽命試驗的一種。

加速壽命試驗分為恒定應力、步進應力和序進應力試驗三種類型。恒定應力試驗是在定時或定數截尾情況下，分別對各組產品施加不同等級應力進行加速壽命試驗，統計各組產品失效情況，采用數理統計法評估結果。從應用效果來看，恒定應力加速壽命試驗方法雖試驗時間較長、樣品數量較多，但比較簡單易行，且數據處理方法比較成熟，外推的準確性較高，是目前應用最多的一種試驗方法。步進和序進應力雖加速效果顯著，但加速試驗方法較繁瑣，試驗設備較復雜。

1.2試驗基本前提[5]

(1) 失效機理具有一致性

指產品在加速試驗中所施加的不同應力水平作用下失效機理保持不變。

(2) 失效過程具有規律性

指產品壽命特征值與試驗應力之間存在一個確切的函數關系式，即可用某個加速模型表達。

(3) 失效分布具有同一性

指產品在不同的試驗應力水平下壽命特征服從同一分布，這是進行數據處理的前提條件。

1.3試驗模型

加速壽命試驗是利用較高的試驗應力水平下的壽命特征去推算正常應力水平下的壽命特征。推算的關鍵在于建立應力水平與壽命特征之間的關系，即加速方程或稱加速模型。常用的加速模型如表1所示[6]。

表1　常用的加速模型

表1公式中：L為特征壽命；N為循環壽命；E為激活能；K為波爾茲曼(Boltzmann)常數；T為溫度(K)； ΔT為溫度變化范圍；H為濕度應力；S為非熱應力；A，B，n，β為常數。

1.4數據處理

根據AD/A-107519，BMD公司承擔空軍試驗與鑒定中心的一項研究工作的最終報告《評定導彈系統貯存可靠性的一種方法》，失效前時間分布采用指數分布； AD/A-053403《導彈部件可靠性預計手冊》中，貯存可靠性按指數分布處理； LC-78-1《導彈貯存可靠性》中，采用指數分布； 鹽見弘著《可靠性工程基礎》中，認定系統或設備的失效時間分布近似指數分布； 國內諸多型號貯存延壽均采用指數分布； 統計某型號定型以來的故障數據，基本服從指數分布。因此，本試驗數據按指數分布處理。

假定在單一應力si的恒定作用下，產品壽命分布服從指數分布，其分布函數為

Fi(t)=1-e-t/θi

(1)

式中：t>0；i=0,1,2,…，k；θi為產品平均壽命。

θi與si之間有如下加速模型：

lnθi=a+bφ(si)

(2)

得到產品試驗數據后，先進行加速模型檢驗； 計算加速方程中的a，b； 列出加速壽命方程； 計算平均壽命點估計值[7]。

2試驗方案設計

為避免零失效對數據處理的不利影響,盡量減少總試驗時間,本試驗采取4個溫度應力水平、無替換、定時截尾、恒定應力的加速試驗總體方案。

2.1貯存期應力分析

某型空空導彈電子部件在貯存期內，會隨導彈反復經歷包裝、裝卸、運輸、存放、分解、檢測、維修、待機和戰備值班等過程。在這些過程中，裝備會受到振動、沖擊、高溫、低溫、高濕、鹽霧、霉菌、沙塵、有害氣體、輻射等外部環境因素的影響，由此引起腐蝕、老化、霉變、疲勞等，導致產品電氣性能、機械性能、密封性能和物化性能退化甚至失效，以及貯存可靠性、戰備完好性和系統效能的降低[8]。產品貯存期主要環境和應力見表2。

某型空空導彈在貯存期內大部分時間處于表2的“貯存環境”中，“貯存環境”又分后方倉庫、待發房、野戰環境等，且有帶包裝箱存放和不帶包裝箱存放之分。在此過程中，溫度、濕度為主要應力，但因產品為密封設計，濕度的影響相對較小，因此總體來看，溫度為產品在貯存期內所經歷的最主要應力，所以應選擇溫度作為加速應力。

表2　主要環境和應力

2.2薄弱環節分析

某型空空導彈電子部件包括導引頭、飛行控制組件、舵機、引信等，由大量的電路板、接插件、密封件、輔料等組成，失效模式包括接觸不良、斷路、短路、管腳斷裂、銹蝕、長霉、碎裂、參數漂移、器件失效、密封圈變形、潤滑脂變稠干涸、軸承磨損等等。研究表明：影響貯存壽命的薄弱環節主要是電子類部件和非電類部件[5]，尤其是以電子元器件、橡膠件(如O型圈、密封墊、絕緣板)等居多[9]。

2.3加速模型選取

溫度為產品在貯存期內所經歷的最主要應力，且溫度對產品的薄弱環節具有較好的加速效果。溫度可加速多種失效機理，如電子元器件的二次俘獲、表面電荷擴散、蠕變、電遷移、金屬間晶粒生長、介質擊穿等； 高溫可加速橡膠和塑料制品等的老化、熱敏電阻器阻值漂移、精密儀表的金屬件熱膨脹、陀螺結構間隙發生變化、機械部分卡滯或松動、質心偏移等。所以選擇溫度作為加速變量，其加速壽命方程為阿倫尼斯模型，它把材料劣化的時間和溫度這兩個變量聯系在一起，因而經常用來計算加速熱老化參數。該模型表示[10]為

(3)

式中：τ為某一壽命特征，如中位壽命、平均壽命；A為常數，A>0；E為激活能，與材料有關，以eV表示，對于某一確定反應來說，激活能是不隨溫度變化的常數；K為波爾茲曼常數，為8.617×10-5eV/℃；T為絕對溫度。

阿倫尼斯模型表明，壽命特征將隨著溫度上升而按指數下降。對模型兩邊取對數，可得

lnτ=a+b/T

(4)

式中：a=lnA；b=E/K，它們都是待定的參數，由試驗數據經最小二乘法求得。式(4)的線性化形式即為式(2)，表明壽命特征的對數是溫度倒數的線性函數。

2.4應力水平確定

當應力條件超過產品破壞極限時，由于產品已經被破壞，加速失去意義； 當應力條件超過其工作極限時，雖然產品依然工作，但其加速失效機理可能已經改變。按照初始應力接近于正常應力，最高應力不改變失效機理的原則，參考某型號的高溫工作環境65 ℃，選擇70 ℃為初始應力； 按照薄弱環節為電子元器件、橡膠件等考慮，選擇100 ℃為最高應力水平。按照相鄰溫度水平間隔不少于10 ℃，應力水平數應在3～5個之間的原則，確定加速貯存壽命試驗的應力水平數為4個，分別為70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃。

2.5測試周期確定

測試周期直接決定試驗數據獲取的充分性和有效性，過于密集或稀疏都可能影響到產品可靠性指標的估計精度。每個應力水平下的測試次數應不少于8次。

在開始試驗后的前兩次每隔48小時測試一次數據, 以后每隔96小時測試一次,并隨時進行觀察,看是否有異常輸出情況。若產品出現故障, 做好故障記錄。

2.6樣品抽取原則及數量確定

抽取已在部隊服役一定時期的某型空空導彈電子部件，地域分布上覆蓋南方、北方不同區域； 交付時間上盡量抽取早期交付的產品； 盡量抽取部隊掛飛、通電時間長的產品。

從滿足條件的某型號的多個生產批次中一次性隨機抽取16套電子部件作為樣品參加試驗，各樣品在本質上是同一設計，貯存壽命指標均為12年。樣品的貯存壽命平均已達到11.74年(樣本個體間最大差別在0.38年，數據統一按11.74年處理)。樣品分為4組，分別進行4個應力水平的試驗。

2.7故障統計

按以下原則制定產品的故障判據：

(1) 根據產品研制任務書規定的參數指標要求制定；

(2) 根據產品執行的相關規范、標準制定；

(3) 充分考慮加速敏感性能參數的特征，根據產品實際使用要求等制定。

測試中嚴格按照故障判據，對發現的產品損壞、功能喪失、參數指標超差以及軟件缺陷或錯誤等關聯故障進行詳細記錄。對于可修復故障，允許進行修復后繼續完成試驗。

2.8數據統計分析

在恒定應力加速試驗的k個加速應力水平下均進行定時截尾壽命試驗，獲得如下的定時截尾樣本：

t1≤t2≤t3…≤tri<τi, i=1,2,…，k

式中：τi為截尾時間； ri為ni個樣品中在0～τi時間內的失效數。

計算si下的總試驗時間：

(5)

(6)

計算yi, xi:

(7)

計算相關系數r：

(8)

計算自由度：

f=k-2

(9)

查相關系數檢驗的臨界值表得到rα，若r>rα，可以認為xi與yi之間存在線性關系。

用最小二乘法計算a，b的最小二乘估計(LSE)：

(10)

即得如下模型：

(11)

3試驗結果分析

按照第2節的試驗方案對16套電子部件進行加速老化試驗，得到試驗數據如表3所示。

(1)加速模型檢驗

由公式(5)～(8)，可得相關系數r=0.96，查相關系數檢驗的臨界值表得到rα=0.95，r>rα，xi與yi之間存在線性關系。

(2)計算加速方程中的a，b

(12)

(3)列出加速壽命方程

-10.40+6 050.33(1/T0)=10.25

(13)

式中： T0=273+20。

(4)計算平均壽命點估計值

(14)

試驗結果表明：抽樣樣品所代表的批次產品，其日歷壽命雖已即將到壽，但產品實際仍有3.23年的平均貯存壽命。原貯存壽命指標較為保守，產品總貯存壽命平均應在14.79年(11.74年+3.23年)。通過調研部隊和導彈修理廠，與產品實際使用情況對比，證明該結論具有一定的準確性和合理性。

但本文僅采用溫度作為加速應力，沒有考慮貯存壽命期內振動、濕度等非主要應力的影響，沒有考慮實際環境下多應力作用的相互疊加、抵消等，因此本試驗方法還有進一步提升的空間，進行綜合環境應力加速壽命試驗是下一步的研究方向。

針對試驗中的故障情況，如密封圈老化失效、軸承磨損等，根據故障分析情況，提出有針對性的維修保障建議，恢復或保證整批產品的壽命與可靠性。維修保障建議如表4所示。

表4　維修保障建議

4結論

對貯存壽命到壽或即將到壽的空空導彈電子部件，利用加速壽命試驗，可以在較短時間內，比較準確地得到導彈的貯存壽命潛力信息,為導彈可靠性、維修性等的評估提供依據,并可提出有針對性的維修保障建議，具有重大的軍事、經濟意義。此方法可推廣應用于其他航空武器裝備。

參考文獻：

[1] 李久祥，申軍，侯海梅，等.裝備貯存延壽技術[M].北京：中國宇航出版社, 2007.

[2] 馮志剛，方昌華，李靜.國外導彈加速老化試驗現狀分析[J].飛航導彈，2007(4)：47-52.

[3] 張仕念，孟濤，張國彬, 等.從民兵導彈看性能改進在導彈武器貯存延壽中的作用[J].導彈與航天運載技術，2012(1)： 58-61.

[4] 李敏偉，傅耘，王麗，等.加速貯存壽命試驗設計方法研究[J].裝備環境工程，2014，11(4)： 58-64.

[5] 賈占強，蔡金燕，梁玉英，等.基于綜合環境加速壽命試驗的電子裝備故障預測研究[J].電子學報，2009，36(6)： 1277-1282.

[6] 陳兵，李星.加速壽命試驗技術在國內外的工程應用研究[J].強度與環境，2010，37(6)： 31-38.

[7] 謝魁，羅云寶. 基于指數分布的加速壽命試驗簡論[J].電光與控制，2012，19(9)： 80-81.

[8] 肖軍，佘保民，吳洪濤. 空空導彈的壽命研究[J].航空兵器，2009(2)： 61-64.

[9] 劉興莉，隆萍，蘇元海.加速壽命試驗方法及評估[J].自動化與儀器儀表，2010(3)： 190-192.

[10] 肖坤，顧曉輝，彭琛.基于恒定應力加速退化試驗的某引信用O型橡膠密封圈可靠性評估[J].機械工程學報，2014，50(16)： 62-69.

[11] 陳海建，李波，顧鈞元，等.基于加速壽命試驗的導彈壽命預估方法[J].四川兵工學報，2010，31(4)： 11-12.

Testing Method Study of Accelerated Storage Life for Electronic Components in Certain Air-to-Air Missile

Xi Yunyang，Liu Wanyuan，Bao Hua

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China)

Abstract:To mine the storage life potential of electronic components of a certain air-to-air missile，a testing method based on the accelerated life testing is proposed.The stress in storage period, life weakness, life distribution, suitable accelerated model for the product are analyzed, and the testing plan is designed.The true storage life is obtained through the testing，and by comparing with the actual use of the product，the rationality of the testing method is proved. This testing method can be applied to other aviation weaponry.

Key words:air-to-air missile； accelerated storage life； testing method； exponential distribution； arrhenius model

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.012

收稿日期：2015-05-06

作者簡介：席運洋(1982-)，男, 河南南陽人, 碩士，工程師，研究方向為可靠性。

中圖分類號:TJ760.6+23;V216.5

文獻標識碼:A

文章編號:1673-5048(2016)01-0064-05