航空發動機附件可靠性強化試驗方法及初步應用

胡偉瀚

摘 要：可靠性強化試驗是一種較新型的試驗技術，可以盡早暴露產品設計及工藝方面的薄弱環節，從而采取合理的措施以提高產品的可靠性，該技術可縮短產品研制時間，這與航空發動機的研制需求互補。本文介紹了可靠性強化試驗方法，并以某航空發動機典型機電產品附件為案例對該方法進行了初步的應用。

關鍵詞：航空發動機;可靠性;強化試驗;初步應用

引言

由于成附件可靠性要求普遍很高，相關標準中能夠在較短研制周期內對可靠性有效驗證并改進的常規方法極少，因此，采用開展附件可靠性強化試驗作為一項重要的可靠性研制試驗，基本思路為：制定相關可靠性強化試驗規范，依據規范開展成附件可靠性強化試驗與驗證工作，以提早暴露附件潛在問題并解決，提高成附件可靠性。

1 可靠性強化試驗方法簡介

可靠性強化試驗是一類激發試驗，采用加速應力環境快速激發產品潛在缺陷，使其以故障形式表現出來，通過故障原因分析、失效模式分析和改進措施消除缺陷，達到可靠性增長的目的。

可靠性強化試驗技術的理論依據是故障物理學，它把故障或失效當作研究的主要對象，通過發現、研究和根治故障達到提高可靠性的目的。可靠性強化試驗通常采用人為施加的強化應力環境進行試驗，快速激發產品的潛在缺陷使其以故障形式表現出來，通過故障模式分析、故障機理分析和改進措施消除缺陷提高產品可靠性。

2 可靠性強化試驗技術的應用情況

從20世紀80年代末到90年代初，國外特別是美國在各工業部門開始推廣應用可靠性強化試驗技術，到目前已廣泛地應用于通信、電子、計算機、醫療、能源、交通、航空、航天和軍事等領域，呈現出蓬勃發展的趨勢，取得了巨大的成功。

國外大多數為機械、電子工業提供設計、制造和試驗服務的公司，已經把可靠性強化試驗作為一項重要的服務內容。據QualMark公司在1995年5月至1996年3月間的統計，該公司先后為來自19個不同工業部門的33個公司的47種產品（涉及電子產品和機電產品）[1]，提供了可靠性強化試驗服務，均獲得了顯著成效。美國為航空航天、軍事工業和一般民用工業提供試驗服務的Garwood Laboratories公司，所提供的一項重要服務就是產品的可靠性試驗，Garwood Laboratories公司的客戶在軍事工業方面包括雷神公司、波音公司、Northrop Grumman公司、MeggittSafety Systems公司等。

國內在可靠性強化試驗領域從20世紀90年代中后期開始進行跟蹤研究[2-5]。文獻《國外可靠性強化試驗技術文集》[4]是較早系統地介紹國外可靠性強化試驗概念的文獻之一。而后，國防科學技術大學于2000年引進了早期的氣動式強化試驗設備，并在相關科研項目“可靠性強化試驗技術”的支持下，針對可靠性強化試驗的理論問題開展了專項研究，基本上明晰了強化試驗環境描述、強化試驗失效機理，并在吸收國外可靠性強化試驗方法的基礎上形成了完整的應用方法，并針對某型衛星相關系統開展了較為系統的應用研究[6-7]。

此外，國內高校、科研院所如北航、工信部電子五所等單位的可靠性強化試驗及理論水平也隨著我國工業的發展不斷在工程應用中發展壯大，現已成為各軍兵種裝備研制的重要支撐單位。

可靠性強化試驗技術由于其顯而易見的優勢，已經被廣泛接受，并得到普遍應用。

3 可靠性強化試驗主要流程

3.1 可靠性強化試驗應力確定

結合附件自身特點和工作環境，通過對其進行敏感應力分析確定可靠性強化試驗的試驗應力類型及量值范圍。根據航空發動機的特點，附件敏感應力主要是溫度、振動、電應力和三種應力的綜合。

3.2可靠性強化試驗順序

可靠性強化試驗包括：試驗前準備工作、低溫步進應力試驗、高溫步進應力試驗、快速溫度循環試驗、振動步進應力試驗、綜合環境應力試驗和回歸驗證等七個階段。

可靠性強化試驗順序如圖1所示。

4 案例

4.1 試驗前準備工作

在可靠性強化試驗開始前，應梳理附件元器件信息、開展FMEA分析，并對其在生產、試驗、檢驗過程中發現的故障情況進行分析，試驗中應重點關注質量等級較低、耐溫抗振性能較弱的元器件及零部件等的薄弱環節。

4.2 試驗過程簡述

4.2.1 低溫步進應力試驗

a）以-10℃作為低溫步進的起始溫度;

b）在低溫步進應力達到-40℃之前，溫度臺階為-10℃、-20℃、-30℃;之后，以-5℃為步長;

c）溫度變化速率約20℃/min;

d）每個溫度臺階停留的時間約61min;

e）當試驗箱溫度達到每個溫度臺階值時，以1次/min改變壓差使被試品電路實現“接通—斷開—接通”，直至本臺階測試完成;

f）低溫步進應力試驗進行到-80℃。

4.2.2 高溫步進應力試驗

a）以100℃作為高溫步進的起始溫度;

b）在高溫步進應力達到130℃之前的溫度臺階分別為100℃、110℃、120℃;之后，以5℃為步長;

c）溫度變化速率約20℃/min;

d）每個溫度臺階停留的時間約61min;

e）當試驗箱溫度達到每個溫度臺階值時，以1次/min改變壓差使被試品電路實現“接通—斷開—接通”，直至本臺階測試完成;

f）高溫步進應力試驗進行到180℃。

4.2.3 快速溫度循環試驗

a）快速溫度循環試驗從低溫階段開始;

b）溫度范圍為-75～175℃;

c）循環次數：10個完整循環周期;

d）溫度變化速率約20℃/min;

e）每個循環中低溫和高溫階段停留時間約60min;

f）從快速溫度循環試驗開始降溫時，以1次/min改變壓差使被試品電路實現“接通—斷開—接通”，直至整個快速溫度循環試驗完成;

g）在每個循環的升溫段和降溫段對被試品進行測試;

h）在每個循環階段，被試品電壓按“上限（30V）-標稱（28V）-下限（24V）-標稱（28V）-上限（30V）”變化，以此類推。

4.2.4 振動步進應力試驗

a）振動形式：氣錘式三軸六自由度超高斯隨機振動;

b）起始振動量級：5g，振動步長：5g;

c）每個振動量級保持時間約20min，在每個振動步進臺階都進行測試;

d）當振動量值超過20g后，在每個振動量級臺階結束后將振動量值降至5g，維持時間約5min，以便及時發現被試品在高量級振動時出現的焊點斷裂等情況;

e）從振動步進應力試驗開始時，以1次/min改變壓差使被試品電路實現“接通—斷開—接通”，直至整個振動步進應力試驗完成;

f）振動步進應力試驗進行到70g。

4.2.5 綜合環境應力試驗

a）循環次數：10個完整循環周期;

b）溫度應力的施加方式與快速溫度循環試驗一致;

c）第一循環至第五循環振動量級分別為14g、28g、42g、56g和65g，后五個循環的振動量值與前五個循環一致。

d）施加振動時機與持續時間：在每個循環的升溫段開始前5min施加相應的振動量級直至升溫段結束后5min;在每個循環的降溫段開始前5min施加相應的振動量級直至降溫段結束，然后將振動量級降至5g并維持5min，以及時發現由于溫度應力和振動應力同時作用而出現的焊點斷裂等情況;

e）從開始降溫時，以1次/min改變壓差使被試品電路實現“接通—斷開—接通”，直至整個綜合環境應力試驗完成;

f）在每個循環的升溫段和降溫段對被試品進行測試;

g）在每個循環階段，被試品電壓按 “上限（30V）-標稱（28V）-下限（24V）-標稱（28V）-上限（30V）”變化，以此類推。

4.3 故障情況及處理

試件故障修復后重新進行綜合環境應力試驗，試驗中和試驗后產品性能均合格。

5 總結和建議

通過可靠性強化試驗，可在產品設計初期及時發現產品的設計及工藝薄弱環節，提出準確的改進措施，提高可靠性。

參考文獻：

[1] Anderson J A， Polkinghome M N. Application of HALT and HASS techniques in an advanced factory.1997 5th International Conference on Factory， 2000： 223～228.

[2] 陳循，陶俊勇，張春華.可靠性強化試驗與加速壽命試驗綜述.國防科技大學學報，2002， 24 （4）： 29～32.

[3] 陶俊勇，陳循，任志乾.可靠性強化試驗及其在某通訊產品中的應用研究.系統工程與電子技術，2003，25 （4）： 509～512.

[4] 陳奇妙.國外可靠性強化試驗技術文集.國防科工委質量與可靠性研究中心，1998， 03.

[5] 朱美嫻.高加速壽命試驗（HALT）與高加速應力篩選（HASS）.裝備質量，2001， （8）： 1～15.

[6] 蔣培.全軸隨機振動環境的疲勞強化機理研究[D].長沙：國防科技大學，2003.

[7] 蔣瑜.頻譜可控的超高斯隨機振動環境模擬技術及其應用研究[D].長沙：國防科技大學，2005.

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）