艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力研究

魯雪峰，金亞楠，樊九九

（1.華中光電技術(shù)研究所，武漢 430223； 2.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100176）

引言

可靠性試驗(yàn)作為暴露產(chǎn)品缺陷、驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性水平的重要手段，在艦載電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。常見的可靠性試驗(yàn)類型包括可靠性研制試驗(yàn)、可靠性增長試驗(yàn)、可靠性增長摸底試驗(yàn)、可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)。除可靠性研制試驗(yàn)不局限于綜合應(yīng)力外，其余類型均屬于綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，采用的應(yīng)力包括恒定溫度、溫度變化、濕度變化、恒定濕度、振動(dòng)、電應(yīng)力等[1]。

艦載電子產(chǎn)品開展可靠性試驗(yàn)的傳統(tǒng)依據(jù)文件包括《海軍電子裝備可靠性試驗(yàn)實(shí)施方法》和GJB 899A-2009，二者在振動(dòng)應(yīng)力的規(guī)定上均采信了美軍標(biāo)MILHDBK-781A。本文基于艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的工程實(shí)踐，通過分析不同標(biāo)準(zhǔn)，從環(huán)境試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)的關(guān)系角度，發(fā)現(xiàn)了在振動(dòng)應(yīng)力施加方面的多個(gè)問題，提出了多項(xiàng)改進(jìn)措施，為研制單位高效開展可靠性試驗(yàn)提供參考。

1 艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力分析

不同于機(jī)載產(chǎn)品和彈上產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)剖面，艦載產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)剖面均采用統(tǒng)一的試驗(yàn)剖面。根據(jù)GJB 899A-2009，艦載電子產(chǎn)品開展可靠性試驗(yàn)的試驗(yàn)剖面主要根據(jù)產(chǎn)品的安裝位置選擇，包括潛艇環(huán)境、水面艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境、水面艦船艙外環(huán)境、水面艦船艙內(nèi)無溫控環(huán)境。無論安裝位置，其振動(dòng)應(yīng)力均包括戰(zhàn)斗損傷頻譜和運(yùn)輸隨機(jī)頻譜。具體情況如下[2-4]：

1.1 戰(zhàn)斗損傷頻譜

戰(zhàn)斗損傷頻譜的如圖1所示，施加條件如下：

圖1 戰(zhàn)斗損傷頻譜

1）頻率范圍：（4~60）Hz；

2）振幅：0.76 mm（±0.15）（（4~15）Hz），7.5 m/s2（15~60）Hz；

3）持續(xù)時(shí)間：10 min。

圖1所示的戰(zhàn)斗損傷頻譜屬于正弦振動(dòng)，在低頻段（4~15）Hz保持恒定位移，在高頻段（15~60）Hz保持恒定加速度，交越頻率為15 Hz。為了減小對(duì)振動(dòng)臺(tái)的損傷，通常采取平滑交越的方式，具體包括[5]：

1）交越頻率點(diǎn)位移取0.76 mm，則相應(yīng)的加速度為：

2）交越頻率點(diǎn)加速度取7.5 m/s2，則相應(yīng)的位移為：

由于在低頻段有相應(yīng)的位移允差要求，故通常采用的戰(zhàn)斗損傷頻譜是低頻段（4~15）Hz恒定位移0.84 mm，高頻段（15~60）Hz保持恒定加速度7.5 m/s2。需要說明的是，根據(jù)GJB 1060.1-1991、GJB 4.7-1983和GJB 150.16A-2009，這里的正弦振動(dòng)條件并不是從炮擊振動(dòng)析出的，而主要是從艦載平臺(tái)螺旋槳、推進(jìn)軸系、旋轉(zhuǎn)機(jī)械等振動(dòng)環(huán)境析出的。因此，嚴(yán)格意義上講，該頻譜并能算是考慮戰(zhàn)斗損傷環(huán)境的振動(dòng)譜，而是考慮艦船行駛過程中存在螺旋槳、推進(jìn)軸系、旋轉(zhuǎn)機(jī)械等正弦振動(dòng)環(huán)境。

1.2 運(yùn)輸隨機(jī)頻譜

運(yùn)輸隨機(jī)頻譜的如圖2所示，施加條件如下[2-4]；

圖2 運(yùn)輸隨機(jī)頻譜

1）頻率范圍：（10~200）Hz；

2）量級(jí)（總均方根值r.m.s）：10 m/s2；

3）持續(xù)時(shí)間：20 min。

與車載、機(jī)載平臺(tái)類似，艦船在行駛過程中確實(shí)會(huì)產(chǎn)生一定量級(jí)的隨機(jī)振動(dòng)。運(yùn)輸隨機(jī)頻譜正是考慮這種隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境對(duì)艦載電子產(chǎn)品可靠性的影響而提出的。需要說明的是，根據(jù)GJB 1060.1-1991、GJB 4.7-1983和GJB 150.16A-2009，并不存在這樣的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境，這就為艦載電子產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)實(shí)施帶來了若干問題。

2 艦載電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力分析

艦載電子產(chǎn)品振動(dòng)環(huán)境條件的論證主要依據(jù)GJB 1060.1-1991，振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是GJB 4.7-1983和GJB 150.16A-2009。其中GJB 1060.1-1991關(guān)于設(shè)備振動(dòng)環(huán)境的描述與GJB 150.16-1986要求基本一致，主要是正弦振動(dòng)。 GJB 4.7-1983的振動(dòng)試驗(yàn)條件均屬于正弦振動(dòng)，但頻率范圍與GJB 150.16-1986的要求有差異。GJB 150.16A-2009則主要是增加了隨機(jī)振動(dòng)的要求。GJB 4.7-1983要求的振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)見表1，GJB 150.16A要求的振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表1 GJB 4.7-1983規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)[6]

表2 GJB 150.16A規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)[7]

由表1和表2可以得到以下結(jié)論：

1）安裝在不同位置的產(chǎn)品其振動(dòng)環(huán)境條件不同，如主體區(qū)和桅桿區(qū)的差異性；

2）安裝在不同平臺(tái)的環(huán)境條件可能相同,如潛艇平臺(tái)和水面艦船平臺(tái)；

3）振動(dòng)的頻率范圍覆蓋（1~110）Hz；

4）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動(dòng)環(huán)境條件以正弦振動(dòng)為主。

3 艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力問題分析

艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)剖面采用的是溫度、濕度、振動(dòng)、電應(yīng)力多應(yīng)力綜合環(huán)境。其中振動(dòng)應(yīng)力剖面如圖1和圖2所示，通常潛艇平臺(tái)每24 h施加3 h振動(dòng)，水面艦船每24 h施加6 h振動(dòng)，每3 h為一個(gè)周期，前10 min施加戰(zhàn)斗損傷頻譜，隨后每施加20 min運(yùn)輸隨機(jī)頻譜停機(jī)10 min，累計(jì)施加120 min。通過第2章和第3章對(duì)艦載電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力的分析，結(jié)合當(dāng)前艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力施加的工程實(shí)踐，主要存在如下問題：

1）GJB 899A給定的戰(zhàn)斗損傷頻譜命名不符合實(shí)際，容易造成誤解。GJB 899A給定的正弦振動(dòng)頻譜量值及頻率范圍均與GJB 4.7-1983和GJB 150.16A-2009規(guī)定的艦船功能振動(dòng)試驗(yàn)條件相當(dāng)，且戰(zhàn)斗損傷更多來自炮擊振動(dòng)環(huán)境；

2）GJB 899A給定的戰(zhàn)斗損傷頻譜未考慮不同安裝位置所帶來的振動(dòng)條件差異。從表1和表2可知，主體區(qū)、桅桿區(qū)、首尾區(qū)的振動(dòng)條件存在明顯差異；

3）GJB 1060.1-1991并沒有艦船隨機(jī)振動(dòng)條件。論證艦船總體振動(dòng)條件時(shí)要注意該問題，避免提出不切實(shí)際的要求；[8]

4）GJB 150.16A-2009和GJB 899A-2009規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)條件存在明顯差異。前者頻率范圍是（1~100）Hz，加速度功率譜密度峰值為0.001 g2/Hz，均方根值為1 g；后者頻率范圍是（10~200）Hz，加速度功率譜密度峰值為0.01 g2/Hz，均方根值為0.315 g。即可靠性試驗(yàn)的振動(dòng)條件相比環(huán)境試驗(yàn)更為嚴(yán)酷，顯然不符合常識(shí)；

5）GJB 150.16A-2009中規(guī)定的耐久振動(dòng)在可靠性試驗(yàn)剖面中未考慮。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的振動(dòng)形式包括正弦掃頻振動(dòng)、耐久振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)；

6）未按平臺(tái)總體環(huán)境條件要求制定合理的可靠性試驗(yàn)剖面。平臺(tái)總體環(huán)境條件要求即是開展環(huán)境試驗(yàn)的條件輸入，也是可靠性試驗(yàn)剖面制定的頂層輸入，而實(shí)踐中往往直接參考標(biāo)準(zhǔn)，造成過應(yīng)力試驗(yàn)；

7）當(dāng)前的可靠性試驗(yàn)剖面未考慮不同艦船平臺(tái)的差異性。文獻(xiàn)[9]中分析獲取的某艦載平臺(tái)振動(dòng)應(yīng)力頻率上限達(dá)到了600 Hz，用當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)開展試驗(yàn)時(shí)則顯然造成了欠試驗(yàn)。

4 工程實(shí)踐案例及振動(dòng)應(yīng)力施加建議

某型航行數(shù)據(jù)記錄儀可靠性試驗(yàn)實(shí)施過程中，可靠性試驗(yàn)進(jìn)行到倒數(shù)第二循環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其組成單元外存儲(chǔ)體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)異常。經(jīng)故障排查，故障定位為航行數(shù)據(jù)記錄儀的外存儲(chǔ)體內(nèi)部板卡數(shù)據(jù)連接線磨損斷裂，進(jìn)而使得外存儲(chǔ)體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)異常。通過更換新的導(dǎo)線，外存儲(chǔ)體可恢復(fù)正常工作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參考GJB/Z 34-1993和HB/Z 213-1992，板卡數(shù)據(jù)連接線斷裂和隔熱材料磨損的激發(fā)應(yīng)力主要為力學(xué)環(huán)境。本次可靠性試驗(yàn)中的主要力學(xué)環(huán)境為振動(dòng)應(yīng)力。

根據(jù)產(chǎn)品安裝平臺(tái)環(huán)境條件規(guī)定，其環(huán)境條件要求中無隨機(jī)振動(dòng)要求。施加的隨機(jī)振動(dòng)條件已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品造成事實(shí)上的過應(yīng)力，因此根據(jù)GJB 899A-2009的故障分類要求，可歸為非責(zé)任故障。

同一平臺(tái)的某軸系狀態(tài)監(jiān)測裝置，其可靠性試驗(yàn)采用加速試驗(yàn)方案。由于產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)要求較高，且產(chǎn)品對(duì)振動(dòng)應(yīng)力較為敏感，在進(jìn)行加速試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，提供了三種方案供產(chǎn)品研制單位選擇，包括：

1）方案一：若產(chǎn)品的耐振動(dòng)能力較強(qiáng)，則按照GJB 150.16A-2009附錄給定的加速因子計(jì)算公式，同步調(diào)整其振動(dòng)應(yīng)力施加時(shí)間；

2）方案二：若產(chǎn)品的耐振動(dòng)能力較弱，則縮減GJB 899A-2009給定振動(dòng)應(yīng)力施加時(shí)間間隔，即3 h的振動(dòng)周期內(nèi)，10 min的正弦振動(dòng)和120 min的隨機(jī)振動(dòng)連續(xù)施加；

3）方案三：考慮產(chǎn)品的平臺(tái)環(huán)境條件要求，剔除掉隨機(jī)振動(dòng)部分，僅在可靠性試驗(yàn)中開展正弦振動(dòng)。

最終方案三由于可操作性更強(qiáng)得到采納，有力保障了產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的快速實(shí)施。實(shí)際上，關(guān)于艦載產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)中振動(dòng)應(yīng)力的裁剪在文獻(xiàn)[10]中已經(jīng)有應(yīng)用。

綜上，艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的實(shí)施過程中，應(yīng)充分考慮艦載產(chǎn)品的環(huán)境條件要求，從分析平臺(tái)振動(dòng)環(huán)境出發(fā)，考慮產(chǎn)品的安裝位置，合理裁剪標(biāo)準(zhǔn)給定的振動(dòng)應(yīng)力剖面，避免對(duì)產(chǎn)品造成過應(yīng)力試驗(yàn)。

5 總結(jié)

可靠性試驗(yàn)不同于一般的環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)，其實(shí)施過程耗費(fèi)的人力、物力、財(cái)力巨大，必須審慎的實(shí)施試驗(yàn)，尤其是對(duì)試驗(yàn)剖面的充分分析。本文聚焦于艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)剖面中的振動(dòng)應(yīng)力，通過充分分析不同標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)應(yīng)力的差異性，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)提出了當(dāng)前可靠性試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力施加過程中的多個(gè)問題，并結(jié)合工程實(shí)踐案例給出了建議，為艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的高效實(shí)施提供借鑒。