可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)在機(jī)載成品上的應(yīng)用與研究

劉世華，巴 洪，汪曉翠，王彥曉

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

近年來，航空機(jī)載成品的可靠性水平要求越來越高，如某型基礎(chǔ)教練機(jī)、某大型運(yùn)輸機(jī)整機(jī)及成品的可靠性指標(biāo)是傳統(tǒng)三代機(jī)的5 倍以上，而承制單位的材料、元器件和工藝水平并沒有如此大的提升。傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)已不能滿足目前可靠性水平的需求，這就需要尋求一種費(fèi)用低、周期短、更快速提高成品可靠性水平的新技術(shù)，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)適時(shí)產(chǎn)生。

目前行業(yè)內(nèi)主要針對電子成品開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)[1]，通過某飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制盒可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例給出該試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)剖面，用于指導(dǎo)電子成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的實(shí)施。

1 電子成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

1.1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)施方案[2]

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)一般包括以下五部分試驗(yàn)內(nèi)容：

1） 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，包括：低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)；

2） 快速溫度變化試驗(yàn)；

3） 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)；

4） 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)；

5） 回歸驗(yàn)證。

1.2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

某飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制盒主要由繼電器和集成運(yùn)算放大器等電子元器件組成，功能為與起動(dòng)發(fā)電機(jī)配套，對直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電控制和故障保護(hù)等[3]。

開始前，采用溫度巡檢儀或紅外熱像儀，對成品進(jìn)行熱分布分析，了解熱分布情況，圖1 為成品開蓋溫度分布測試狀態(tài)圖；對成品進(jìn)行低振動(dòng)量值的振動(dòng)響應(yīng)分析，了解成品的共振特性和應(yīng)力累計(jì)點(diǎn)，圖2為成品振動(dòng)響應(yīng)測試狀態(tài)圖。

圖1 開蓋溫度分布測試狀態(tài)圖

圖2 振動(dòng)響應(yīng)測試狀態(tài)圖

1.2.1 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

低溫步進(jìn)試驗(yàn)剖面見圖3，低溫步進(jìn)的起始溫度為成品低溫工作溫度，步長為－5℃，溫度變化速率選擇5℃／min，每個(gè)溫度臺階上停留時(shí)間不小于成品溫度穩(wěn)定時(shí)間＋10min＋測試時(shí)間，找到成品的低溫工作極限或低溫破壞極限則結(jié)束試驗(yàn)。

圖3 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

1.2.2 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面見圖4，高溫步進(jìn)的起始溫度為成品高溫工作溫度，步長為＋5℃，溫度變化速率選擇5℃／min，每個(gè)溫度臺階上停留時(shí)間不小于成品溫度穩(wěn)定時(shí)間＋10min＋測試時(shí)間，找到成品的高溫工作極限或高溫破壞極限則結(jié)束試驗(yàn)。

圖4 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

1.2.3 快速溫度變化試驗(yàn)

快速溫度變化試驗(yàn)剖面見圖5，快速溫度變化循環(huán)開始為常溫，開展5 個(gè)循環(huán)，溫度范圍施加為低溫工作極限＋5℃至高溫工作極限－5℃，溫度變化速率不小于30℃／min，每個(gè)循環(huán)低溫和高溫階段持續(xù)時(shí)間為成品溫度穩(wěn)定時(shí)間＋10min＋測試時(shí)間。

圖5 快速溫變應(yīng)力試驗(yàn)剖面

1.2.4 振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)

振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面見圖6，起始振動(dòng)量值為4Grms，以2Grms 為試驗(yàn)的步長，每個(gè)振動(dòng)量值保持時(shí)間為10min 或測試時(shí)間（取長者），當(dāng)振動(dòng)量值超過12Grms 后，將振動(dòng)量值在每個(gè)臺階結(jié)束時(shí)下降到4Grms，保持5min，找到成品的振動(dòng)工作極限或振動(dòng)破壞極限則結(jié)束試驗(yàn)。

圖6 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面

1.2.5 綜合環(huán)境試驗(yàn)

綜合環(huán)境試驗(yàn)是對成品同時(shí)施加溫度、振動(dòng)和電應(yīng)力，剖面見圖7，循環(huán)次數(shù)為5 個(gè)循環(huán)，溫度應(yīng)力的要求同快速溫度變化試驗(yàn)，成品的起始振動(dòng)量值為振動(dòng)工作極限除以5，下一循環(huán)的振動(dòng)量值為此數(shù)值的2 倍，以此類推，每個(gè)振動(dòng)量值對應(yīng)一個(gè)溫度循環(huán)周期。

圖7 綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面

1.2.6 試驗(yàn)結(jié)果

某飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制盒可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 某飛機(jī)發(fā)電機(jī)控制盒可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看，暴露了3 個(gè)故障，經(jīng)過故障分析并采取糾正措施后，成品可靠性明顯增長。

2 機(jī)械成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

現(xiàn)階段可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法主要適用于新研或改型的電子成品，電子成品的敏感應(yīng)力主要為溫度和振動(dòng)，所以目前的強(qiáng)化試驗(yàn)方法對電子成品具有通用性。對于機(jī)械成品，失效模式多樣，與材料、結(jié)構(gòu)、載荷等都有較大關(guān)系。所以機(jī)械成品除了要經(jīng)受環(huán)境應(yīng)力的作用以外，同時(shí)還要經(jīng)受壓力、負(fù)載力、轉(zhuǎn)速、頻率等多種工作應(yīng)力的作用。因此目前的強(qiáng)化試驗(yàn)方法并不適用，所以機(jī)械成品的可靠性強(qiáng)化也是強(qiáng)化試驗(yàn)重點(diǎn)研究的方向。

采用機(jī)械成品耐久性機(jī)理分析和加速試驗(yàn)理論相結(jié)合的方式，制定了機(jī)械成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案[4]，試驗(yàn)方案流程圖見圖8。主要包括FMECA 分析、敏感應(yīng)力分析、失效加速性驗(yàn)證[5]、強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)確定、強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)施、回歸驗(yàn)證。

圖8 機(jī)械成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案流程圖

2.1 機(jī)械成品的FMECA 分析

了解成品的工作原理，對成品進(jìn)行FMECA 分析，以此確定成品的薄弱環(huán)節(jié)。

2.2 機(jī)械成品的敏感應(yīng)力分析

成品的薄弱環(huán)節(jié)由關(guān)鍵失效機(jī)理導(dǎo)致其故障，為了暴露成品的潛在缺陷，還要確定誘發(fā)成品故障的外在因素，所以要對成品的敏感應(yīng)力進(jìn)行分析。借鑒耐久性機(jī)理分析理論，對機(jī)械成品分析其敏感應(yīng)力，主要步驟為：

1） 結(jié)構(gòu)分解

結(jié)合成品的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及工作特性等方面的相關(guān)信息，按照初始約定層次、約定層次、最低約定層次對成品進(jìn)行結(jié)構(gòu)層次分解，確定成品機(jī)理分析的最低約定層次。

2）載荷分析

根據(jù)成品結(jié)構(gòu)分解的結(jié)果，對每一個(gè)最低約定層次進(jìn)行載荷分析，根據(jù)給定的載荷譜，確定其在工作過程中受到的工作載荷類型、環(huán)境載荷類型。

3）確定機(jī)理

結(jié)合結(jié)構(gòu)分解與載荷分析的結(jié)果，針對結(jié)構(gòu)分解所確定的最低約定層次單元，考慮所有可能的載荷類型并進(jìn)行映射關(guān)系研究，確定分析約定層次的耗損型故障機(jī)理。

表2 為某作動(dòng)器敏感應(yīng)力和故障機(jī)理分析的結(jié)果，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)針對這些敏感應(yīng)力開展。

表2 某作動(dòng)器敏感應(yīng)力及故障機(jī)理分析結(jié)果

2.3 失效加速性驗(yàn)證

成品的加速性是指成品壽命和可靠性隨著應(yīng)力增大而降低的特點(diǎn)。成品存在可加速性是成品進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的必要條件。例如某成品在30℃下的壽命為15 年，而當(dāng)溫度升高80℃時(shí)壽命僅為9 個(gè)月，則認(rèn)為該成品具有加速性。該特性可根據(jù)成品的使用特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)原理、耗損特性等綜合分析。

2.4 強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)確定

通過機(jī)械成品加速性的確認(rèn)和敏感應(yīng)力的分析，研究影響機(jī)械失效的因素以及改變這些因素的方法和途徑。例如：某機(jī)械成品的主要耗損機(jī)理之一是磨損，零部件之間的作用強(qiáng)度是決定磨損進(jìn)程的主要因素，所以可通過改變構(gòu)件間的作用強(qiáng)度讓成品加速失效，成品中某彈簧所產(chǎn)生的力的大小決定作用強(qiáng)度大小，則可通過步進(jìn)式地加大彈簧剛度來實(shí)施強(qiáng)化試驗(yàn)的技術(shù)途徑。

2.5 強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)施

強(qiáng)化試驗(yàn)的實(shí)施主要包括選取試驗(yàn)應(yīng)力、確定應(yīng)力量值及施加應(yīng)力的方式。選取工作應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力中的敏感工作應(yīng)力開展試驗(yàn)，施加方式采用步進(jìn)方式施加，需要考慮加速缺陷部位轉(zhuǎn)換成故障的速率。

2.6 回歸驗(yàn)證

被試品在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)后應(yīng)對發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，如零部件外形的重新設(shè)計(jì)、制造工藝優(yōu)化等，為評估糾正措施的有效性，改進(jìn)后再進(jìn)行可靠性強(qiáng)化回歸驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 機(jī)電成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

目前機(jī)電成品的可靠性試驗(yàn)方法主要采用電子成品的強(qiáng)化試驗(yàn)剖面，但這對于機(jī)電成品中的機(jī)械部分沒有充分驗(yàn)證。現(xiàn)在可以結(jié)合上述電子成品和機(jī)械成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的方式來設(shè)計(jì)機(jī)電成品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案[6]。 環(huán)境應(yīng)力的施加及其方式可參考電子成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的5 個(gè)階段，工作應(yīng)力的施加流程及方式參考機(jī)械成品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案。

4 結(jié)語

通過應(yīng)用實(shí)例給出電子成品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面，用于指導(dǎo)電子成品強(qiáng)化試驗(yàn)的實(shí)施，并將試驗(yàn)對象從電子成品延伸至所有具有加速性的機(jī)載成品上，擴(kuò)大了試驗(yàn)對象的應(yīng)用范圍，更有助于快速提高機(jī)載成品及整機(jī)的可靠性水平，降低成品在外場使用時(shí)的故障率，縮短成品研制周期，推動(dòng)機(jī)載成品的發(fā)展。