高原環(huán)境下多路開關(guān)模塊加速壽命試驗方案研究

周一鳴，王茜，楊碩

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空彈藥系，徐州 221000； 2.空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室，洛陽 471000）

高原環(huán)境下多路開關(guān)模塊加速壽命試驗方案研究

周一鳴1，王茜1，楊碩2

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空彈藥系，徐州 221000； 2.空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室，洛陽 471000）

目的研究某型多路開關(guān)模塊在高原環(huán)境下加速壽命試驗方法。方法通過分析高原環(huán)境對多路開關(guān)模塊的影響，結(jié)合加速壽命試驗理論，選取試驗環(huán)境和加速應(yīng)力，并確定應(yīng)力的施加方式。結(jié)果 設(shè)計了加速壽命試驗平臺，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)確定了試驗的具體參數(shù)和失效依據(jù)，并提供了判定失效的數(shù)學(xué)方法。結(jié)論目前有關(guān)裝備高原環(huán)境下加速壽命試驗的文獻(xiàn)很少，本文在試驗方案的制定上具有一定的探討性。

高原環(huán)境；多路開關(guān)模塊；加速壽命試驗；方案設(shè)計

1 試驗背景

武器裝備的綜合技術(shù)保障能力是保證武器裝備處于良好的戰(zhàn)斗準(zhǔn)備狀態(tài)的關(guān)鍵，而武器裝備的功能性能檢測和故障診斷是綜合技術(shù)保障的核心，其實現(xiàn)過程離不開武器裝備檢測設(shè)備。武器裝備檢測設(shè)備的性能及功能對于武器裝備的技術(shù)保障具有重要影響，確保其滿足裝備的測試保障要求。

某型多路開關(guān)模塊是某機載制導(dǎo)彈藥綜合檢測設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，控制著多路信號通道的通斷和控制指令的發(fā)出，其工作原理如圖1所示。當(dāng)其到壽或者失效時會對綜合檢測設(shè)備的測試性能和安全運行產(chǎn)生重要影響，因此需要對其進(jìn)行及時更換。目前該模塊尚未在高原地區(qū)投入使用，在其投入使用前，需要通過試驗手段得出該模塊在高原環(huán)境下的失效機理以及可靠性，為該模塊在該地區(qū)的消耗規(guī)律研究提供依據(jù)。

2 加速壽命試驗

多路開關(guān)模塊屬于軍品，軍品普遍可靠性較高比并且使用周期長。加速壽命試驗是研究該類產(chǎn)品可靠性的常用方法。美國Rome Aviation Development Center于1967年在一份報告中指出：加速壽命試驗是在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過和試件加速失效有關(guān)的數(shù)學(xué)模型對在高于常規(guī)應(yīng)力水平的加速環(huán)境下得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使得試件在額定應(yīng)力水平下可靠性特征可以復(fù)現(xiàn)，并且可以進(jìn)行數(shù)值估計的一種試驗方法[1]。因為高強應(yīng)力加速了產(chǎn)品失效或損壞，加速壽命試驗在周期上很大程度上縮減了常規(guī)壽命試驗的時間消耗，可以在產(chǎn)品的真實壽命消耗實現(xiàn)之前獲得壽命過程數(shù)據(jù) ，提升了試驗速率，減少了經(jīng)費開支，因此使可靠性能較高的產(chǎn)品壽命評估在工程上具有了實現(xiàn)的可能性。本文主要討論多路開關(guān)模塊在高原環(huán)境下的加速壽命試驗的理論與設(shè)計方案。

3 試驗分析

3．1 高原環(huán)境概況

高原環(huán)境主要包括兩個方面：氣候環(huán)境以及地理環(huán)境。高原區(qū)域的自然環(huán)境特點可以歸納為“兩強三低”，即“太陽輻射強、風(fēng)沙強、氣溫低、空氣壓力低、空氣含氧量低”[2]。高原地區(qū)的地理環(huán)境特點概括起來主要是坡度陡峭、地形多變、路面崎嶇、凹凸不平。由于多路開關(guān)模塊的使用環(huán)境處于專門的測試房中，所以不需要考慮地理環(huán)境的影響，僅需要考慮高原氣候環(huán)境對模塊的影響，具體的氣候環(huán)境參數(shù)與海拔高度的關(guān)系，如表1所示。

3．2 高原環(huán)境對多路開關(guān)模塊的影響分析

在制定高原環(huán)境下多路開關(guān)模塊加速壽命試驗方案之前，要對多路開關(guān)模塊所受的影響進(jìn)行分析。多路開關(guān)模塊是低壓成套開關(guān)設(shè)備，屬于低壓電器的一種。根據(jù)高原環(huán)境的氣候特點及對高原環(huán)境的調(diào)研情況分析,高原環(huán)境對低壓電器產(chǎn)品的主要影響主要體現(xiàn)在低壓、低溫以及大溫差這幾個環(huán)境因素。

3.2.1低壓的影響主要體現(xiàn)在：

1）溫升。隨著地勢提升，空氣密度減小，氣體的對流作用削弱。因此通過空氣作為冷卻媒介的電器，它的溫升就會相應(yīng)升高，影響電器使用壽命。由相關(guān)資料可知，海拔每增加100 m，電器的溫升相應(yīng)提高0.1～0.5 k（通常低于0.4 k）。盡管空氣溫度隨海拔的提升會降低，一般海拔每增加100 m，氣溫減少約0.6 k，可以部分彌補由海拔升高對電器溫升的影響。但是多路開關(guān)模塊都是在室內(nèi)工作，由于室內(nèi)外溫差的存在，環(huán)境溫度對該模塊的溫升補償效果不夠顯著[3]。

2）絕緣性能。由以往經(jīng)驗可知，地勢上升，空氣壓力降低，空氣密度隨之減小，電器絕緣性能減弱。受此影響，存在擊穿外絕緣表面和不同電位的帶電間隙的風(fēng)險，對低壓電器的安全使用造成威脅。但最新試驗表明海拔改變對各類低壓電器產(chǎn)品的絕緣性能受的影響并不顯著, 并沒有出現(xiàn)上述不良情況。所以高原地區(qū)影響電氣絕緣性能的原因不僅僅只有氣壓, 還存在其他尚未發(fā)現(xiàn)的因素。待條件成熟時, 還需做進(jìn)一步的研究和探索[4]。

3）動作性能。由上面的分析可知，高原地區(qū)氣壓減小，空氣散發(fā)熱量的對流作用不明顯，同時該區(qū)域最低溫度低，晝夜之間溫度只差較大，低壓電器的動作特性會因此受到波及。比如熱繼電器和熱磁式低壓斷路器的動作特性與平原地區(qū)相比都會產(chǎn)生一些變動。但是在該環(huán)境下，帶電子脫口器的動作性能基本上未受波及，所以對電子式低壓斷路器，不需要對其動作特性進(jìn)行調(diào)整。因此不需要考慮高原環(huán)境對多路開關(guān)模塊動作特性的影響。

圖1 多路開關(guān)模塊的原理框圖

表1 環(huán)境參數(shù)與海拔高度的基本關(guān)系

4）接通能力和分?jǐn)嗄芰Α４髿饷芏群蜌鈮旱臏p小，會對以空氣作為滅弧介質(zhì)的開關(guān)電器的滅弧性能產(chǎn)生影響。海拔升高，會造成開關(guān)電器滅弧時間延長。而且高海拔地區(qū)觸頭材質(zhì)的熔、沸點會減小，電弧電流產(chǎn)生高溫的過程中，觸頭材質(zhì)的升華速率上升，觸頭材質(zhì)的耗損量變大。因此嚴(yán)重地影響到觸頭的壽命,從而使電器加速失效，使得接通和通斷能力降低。

3.2.2低溫和大溫差的影響主要體現(xiàn)在：

高原環(huán)境空氣溫度隨海拔高度的增加而降低,電工絕緣材料的熱老化壽命取決于平均空氣溫度。高原氣溫寒冷，使設(shè)備密封結(jié)構(gòu)容易破裂，外殼容易變形、龜裂。由于多路開關(guān)模塊處于室內(nèi)工作，因此受外界的嚴(yán)酷低溫影響較小。但是由此引起的高原地區(qū)較大的晝夜溫差不可忽視，對低壓電器的材料機理破壞較大[5]。

3．3 實驗環(huán)境和加速應(yīng)力的選擇

由以上分析可知,低壓對多路開關(guān)模塊的影響是多方面的，因此整個加速壽命試驗應(yīng)該放置在低壓條件下進(jìn)行。而這些影響因素引起失效的主要原因是，電子器件散熱困難，產(chǎn)生高溫，加速電子器件的壽命損耗。

同時由于高原地區(qū)晝夜大溫差的存在，會對電子器件的組成結(jié)構(gòu)和材料產(chǎn)生破壞，影響器件的可靠性。

綜合以上分析，多路開關(guān)模塊加速壽命試驗需在低氣壓條件下進(jìn)行，并且選取的加速應(yīng)力為熱應(yīng)力。

3．4 加速應(yīng)力的施加方式

熱應(yīng)力是多路開關(guān)模塊加速壽命試驗的加速應(yīng)力，而形式不同的熱應(yīng)力如低溫、高溫和熱沖擊等引起的低壓電器的失效模式互不相同[6]。由于要考慮到晝夜溫差的影響，本方案主要研究熱循環(huán)應(yīng)力對低壓電器可靠性的影響。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法Nb》中嚴(yán)酷等級、條件試驗等相關(guān)規(guī)定，設(shè)計了該多路開關(guān)模塊熱循環(huán)加速試驗的總體方案，如圖2所示。該基本試驗方案，用來檢驗試件承受環(huán)境溫度變化的性能和在環(huán)境高低溫循環(huán)過程中的工作性能[7][8]。

圖2表明熱循環(huán)加速試驗中的一個循環(huán)周期內(nèi)包括有低溫期、高溫期和兩個高低溫極值間的過渡變化期。其中，TA是循環(huán)周期的低溫應(yīng)力值，TB是循環(huán)周期的高溫應(yīng)力值，t1是暴露在高、低溫應(yīng)力值下的持續(xù)時間。

4 試驗方案設(shè)計

4．1 試驗平臺設(shè)計

制定多路開關(guān)模塊熱循環(huán)加速壽命試驗平臺，關(guān)鍵是確定加載加速應(yīng)力的方式和采集實時數(shù)據(jù)信息的方法。圖3是高原環(huán)境下多路開關(guān)模塊加速壽命試驗平臺示意圖。下面對該試驗平臺進(jìn)行闡述：

1）DC5 V供給：根據(jù)多路開關(guān)模塊額定電壓和供電特點，通過干式變壓器把工業(yè)用電提供的三相電源380 V轉(zhuǎn)變成單相交流電源220 V。接著，通過VXI機箱將交流電源轉(zhuǎn)換為直流5 V，驅(qū)動多路開關(guān)模塊運行。

圖2 熱循環(huán)試驗基本示意圖

圖3 多路開關(guān)模塊加速壽命試驗平臺框圖

2）氣壓溫度環(huán)境模擬：對于低壓環(huán)境的模擬，試驗箱應(yīng)將氣壓保持在高原地區(qū)的平均水平60 kPa。對于溫度應(yīng)力條件的模擬，該試驗箱必須具有調(diào)溫功能，允許溫度加載，且溫度的應(yīng)力水平可以被控制。

3）數(shù)據(jù)采集方式：由電腦發(fā)指令給VXI機箱控制多路開關(guān)模塊通道的通斷，當(dāng)通道接通時數(shù)據(jù)采集儀器可以得到通道的導(dǎo)通電阻值。測試導(dǎo)通電阻值得過程中，采樣頻率偏小或者過偏，都不利于數(shù)據(jù)的分析處理。若頻率偏大，則增加數(shù)據(jù)統(tǒng)計的負(fù)擔(dān)，提升數(shù)據(jù)處理的難度。若頻率偏小，則數(shù)據(jù)有限，難以展現(xiàn)電阻值變化的平滑性。根據(jù)以上分析，在熱循環(huán)試驗期間每間隔1 min，對多路開關(guān)的各通路電阻測試一次。一個循環(huán)結(jié)束之后，將該循環(huán)內(nèi)測試的電阻值匯總，并分組保存[9]。

4．2 樣品分組及加速應(yīng)力水平制定

在熱循環(huán)加速壽命試驗中，高/低溫循環(huán)是一種周期性交變的溫度應(yīng)力。這種交替往復(fù)作用能夠看成由若干個高/低溫恒定應(yīng)力作用的累加[6]。該周期性交變的溫度應(yīng)力對試件可靠性造成的影響是一個復(fù)雜而緩慢的發(fā)展過程。因此從減小試驗時間，提高費效比，加快多路開關(guān)模塊失效進(jìn)程出發(fā)，本文結(jié)合恒定應(yīng)力加速壽命試驗原理，制定了試驗方案中的高溫值。考慮到該模塊的工作環(huán)境在室內(nèi)，因此循環(huán)中的低溫值不宜過低，均設(shè)定為產(chǎn)品的額定溫度下界：-10 ℃。

在制訂加速壽命試驗方案時，通常會選擇 3～5 個加速應(yīng)力水平[10]，因此考慮到實際情況將這些試驗樣品分為4組，分別在試驗箱內(nèi)施加4種不同水平的高溫加速應(yīng)力。根據(jù)樣品的分組情況，本方案在進(jìn)行多路開關(guān)模塊加速壽命試驗時選定了4個等級的高溫加速應(yīng)力。

對于4個高溫值的選取，根據(jù)加速應(yīng)力水平選取原則，高溫值的最低標(biāo)準(zhǔn)T1應(yīng)該盡可能接近但又不能太過接近正常應(yīng)力水平下的加速變量值。國際電工技術(shù)委員會做出過相關(guān)的規(guī)定，在制定高溫值時，高溫值的最低加速應(yīng)力應(yīng)不高于所要預(yù)測正常溫度的20～25 k[11]。已知多路開關(guān)模塊在平原地區(qū)工作時的溫度約為40 ℃左右，由于氣壓的影響，該模塊在高原地區(qū)工作時散熱性能減弱，工作時的溫度預(yù)計為45 ℃左右，故將最低溫度應(yīng)力水平定為65 ℃；而對于高溫值的最高溫度應(yīng)力T4在兼顧調(diào)溫箱工作極限的基礎(chǔ)上，一般選擇工作溫度界限（當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到此界限值時，多路開關(guān)模塊便會出現(xiàn)故障。這時將環(huán)境溫度復(fù)原到設(shè)計界限以內(nèi)，多路開關(guān)模塊依舊可以照常運行）[5]。一般而言電磁繼電器的工作溫度在110 ℃左右，軍品可達(dá)到更高溫度，所以本方案考慮選擇最高溫度應(yīng)力為110 ℃。對于熱應(yīng)力而言，當(dāng)與T1與T4確定后，按照加速壽命試驗理論，當(dāng)溫度作為加速應(yīng)力時，致使試件故障的內(nèi)部化學(xué)物理原理與加速應(yīng)力之間的聯(lián)系，可以通過Arrhenius模型進(jìn)行描述[12]。根據(jù)Arrhenius模型，應(yīng)力選取的原則為相鄰應(yīng)力的倒數(shù)之差相等，即

其中：最低應(yīng)力水平是T1，最高應(yīng)力水平是Tn，應(yīng)力水平的總數(shù)為n。

通過上式可以計算出中間兩個應(yīng)力水平的數(shù)值分別是 T2=79 ℃、T3=94 ℃。

將各組試驗選取的加速應(yīng)力進(jìn)行匯總，如表2所示。

表2 各組加速應(yīng)力水平匯總情況

4．3 熱循環(huán)加速試驗參數(shù)的確定

GB/T 2423.22指出加速試驗的高溫值、低溫值、溫度之間的變化速率以及熱循環(huán)次數(shù)共同確定了熱循環(huán)試驗的嚴(yán)酷等級。所以，本方案要對上所述涉及到的因素的主要參數(shù)進(jìn)行分析確定。

如果沒有特殊的規(guī)定和要求，試驗機箱內(nèi)中溫度升降變化速率不能高過（5±1）℃/min。應(yīng)按照（1±0.2）℃/min、（3±0.6）℃ /min或 者（5±1） ℃ /min進(jìn)行相應(yīng)的選取。如果是對晝夜溫差變化進(jìn)行模擬，那么（1±0.2）℃/min的變化速率最為適宜。試驗的循環(huán)次數(shù)推薦為10、20、30、50、100、200次等[8]。從節(jié)約成本和時間的角度出發(fā)，可將循環(huán)次數(shù)定為20次。

按照試件在高、低溫應(yīng)力下的暴露時間t1的選取規(guī)定，如果則是試驗試件的熱響應(yīng)時間，d是試驗試件本身的溫度與試驗介質(zhì)中溫度的差，D是高溫與低溫應(yīng)力值的差值。由摸底試驗可知多路開關(guān)模塊的熱時間常數(shù)為8 min左右，確定多路開關(guān)模塊熱循環(huán)加速試驗中在高、低溫應(yīng)力值的暴露時 間t1=60 min。

可將多路開關(guān)模塊熱循環(huán)加速壽命試驗參數(shù)概括為如表3所示。

表3 熱循環(huán)加速壽命試驗參數(shù)

4．4 樣品失效判斷標(biāo)準(zhǔn)

在試驗過程中，必須要明確樣品什么樣的狀態(tài)可歸為失效，樣品的具體的失效判據(jù)制定要根據(jù)其自身性質(zhì)來確定。按照國家標(biāo)準(zhǔn)—控制用電磁繼電器可靠性試驗通則中的相關(guān)判斷依據(jù)，當(dāng)試品在試驗后檢測中，任一項目的檢測結(jié)果不符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定則視為失效[13]。由該模塊的使用維護(hù)說明書可知，該模塊每通道單線導(dǎo)通電阻必須小于等于1.5 Ω，否則可以判斷為失效。與此同時要做好試驗樣品從試驗開始到失效的時間記錄存盤工作。

5 數(shù)據(jù)處理

將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，統(tǒng)計出每次熱循環(huán)后該模塊單線導(dǎo)通電阻的阻值。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，多路開關(guān)模塊通道的吸附能力會降低，因此可以預(yù)見單線導(dǎo)通電阻值呈緩慢上升趨勢，但增加幅度并不大，并不足以使得多路開關(guān)模塊失效。因此必須估計出單線導(dǎo)通電阻值上升到1.5Ω時，試驗樣品所經(jīng)歷熱循環(huán)的次數(shù)。

本方案通過灰色算法對產(chǎn)品在試驗中的失效期限做灰色預(yù)測。以-10℃—110℃—-10℃這組應(yīng)力水平中的樣品為例，將其單線導(dǎo)通電阻值作為原始數(shù)據(jù)序列，即

則對x(0)進(jìn)行一次累加運算（1-AGO），生成一次累加序列為

x(1)的均值序列（MEAN）為

由（2）式～（4）式中三組序列得到中間參數(shù)包為P=(C,D,E,F)

因此，序列中發(fā)展系數(shù)a，與灰色作用量b分別是

則有GM(1,1)模型為

而GM(1,1)白化響應(yīng)式為

（8）式、（9）式就是灰色預(yù)測模型的擬合與預(yù)測公式。根據(jù)失效判據(jù)的規(guī)定單線導(dǎo)通電阻R=1.5 Ω，由灰色模型可以預(yù)測出-10 ℃～110 ℃～-10 ℃熱循環(huán)試驗中樣品熱循環(huán)壽命的次數(shù)。同理，可以運用同樣的方法預(yù)測出-10 ℃ ～65 ℃ ～-10 ℃、-10 ℃～79 ℃ ～-10 ℃、-10 ℃～94 ℃～-10 ℃熱循環(huán)試驗中樣品熱循環(huán)壽命次數(shù)。

最后依據(jù)4種應(yīng)力下的熱循環(huán)壽命，利用多項式擬合方法推算出高原環(huán)境下多路開關(guān)的熱循環(huán)壽命。

6 總結(jié)

本文在分析了高原環(huán)境因素對多路開關(guān)模塊可靠性

影響的基礎(chǔ)上，制定了加速壽命試驗加速應(yīng)力的類型和施加方式。出于對試驗成本和時間的考慮，對試驗樣品施加了有限次的熱循環(huán)，借助灰色模型預(yù)測出樣品失效時經(jīng)歷熱循環(huán)的次數(shù)，進(jìn)而根據(jù)不同加速應(yīng)力水平下的出的數(shù)據(jù)，評估出高原環(huán)境下該模塊應(yīng)有的壽命。由于目前有關(guān)高原環(huán)境下加速壽命試驗的研究很少，本文只是在有限的學(xué)術(shù)成果上，設(shè)計出具有初探性的研究方案。試驗方案中應(yīng)力水平和參數(shù)的制定仍有一定的斟酌空間。

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Method for Calculating Moments and Products of Inertia of Large Assembly Under Airborne Circumstance

ZHOU Yi-ming1， WANG Qian1，YANG Shuo2
(1.Department of Aviation Ammunition, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000;2.Military Representative Office of Air-borne Missile Academy, Luoyang 471000)

In order to research the ALT method of a certain type multiplexer module under altitude environment, the testing environment and accelerated stress were chosen and the way to preload stress was decided according to the effect of altitude environment on multiplexer module and the theory of ALT. The ALT platform was designed and the specific parameter and definition of failure were decided according to National Standard , this paper also provided the mathematical method to judge the sample failed or not. There are few literatures on ALT under altitude environment for the moment, the design of testing scheme is worthy of being discussed.

altitude environment; multiplexermodule; ALT; scheme designing

TJ01

A

1004-7204(2017)04-0052-06

周一鳴（1992.02- ），男，碩士研究生，主要研究方向為機載武器系統(tǒng)與運用。