艦船艙內(nèi)有溫控電子產(chǎn)品可靠性指標驗證方法

金亞楠，王鑫，項道才，魯雪峰

（1.中國電子技術(shù)標準化研究院，北京 100176；2.華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家研究中心，武漢 430223）

引言

艦船平臺電子產(chǎn)品具有任務(wù)時間長、系統(tǒng)組成復雜、可靠性指標要求高等特點，采用串聯(lián)可靠性模型進行基本可靠性分配的局限性，使得層級較低電子產(chǎn)品可靠性指標進一步提高。隨著試驗鑒定工作改革，可靠性指標驗證在艦船電子產(chǎn)品研制工作中的重要性不斷提升，但驗證高可靠指標給研制單位帶來試驗成本高、研制進度慢兩大問題[1]。

傳統(tǒng)上，艦船電子產(chǎn)品可靠性指標驗證執(zhí)行標準是GJB 899A，標準將艦船電子產(chǎn)品分為艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境產(chǎn)品、艦船艙內(nèi)無溫控環(huán)境產(chǎn)品、艦船艙外環(huán)境產(chǎn)品以及潛艇環(huán)境產(chǎn)品共四個類型,每個類型都有對應(yīng)的試驗剖面[2]。本文聚焦于艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境產(chǎn)品的可靠性指標驗證問題，從GJB 899A 規(guī)定的試驗剖面特點出發(fā)，結(jié)合產(chǎn)品工作環(huán)境特點，提出內(nèi)外場結(jié)合法、可靠性加速試驗法兩個方法，為研制單位技術(shù)人員編制可靠性試驗大綱，規(guī)范開展可靠性指標驗證提供參考。

1 艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境產(chǎn)品試驗剖面特點分析

艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境安裝的常見電子產(chǎn)品有顯控臺、加固計算機、電子機柜，主要是短波通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、光電系統(tǒng)等系統(tǒng)的艙內(nèi)安裝部分[3]。為保證人員居留的舒適性，通常有人居留的環(huán)境安裝有環(huán)控設(shè)備，使得在艙內(nèi)產(chǎn)品工作于較適宜的溫度和濕度環(huán)境[4]。

艙內(nèi)有溫控環(huán)境安裝產(chǎn)品的可靠性試驗剖面見圖1。試驗的一個完成周期包括6 個冷循環(huán)和1 個熱循環(huán)，共168 h。168 h 中常溫段約22 h×6+7 h=139 h，占比約為82.73 %；低溫段（低于0 ℃）約12 h，占比約為7.14 %；高溫段（不小于50 ℃）約6 h，占比約為3.57 %?？芍搩?nèi)有溫控環(huán)境安裝的電子產(chǎn)品，其處于常溫段的時間占比較多，且相對濕度并不是很高。

圖1 艦船有溫控環(huán)境產(chǎn)品的可靠性試驗剖面

產(chǎn)品可靠性試驗振動應(yīng)力采用常用的戰(zhàn)斗損傷頻譜和運輸隨機頻譜，見圖2。每24 h 施加6 h，以3 h 為一個周期，每周期含10 min 戰(zhàn)斗損傷頻譜和120 min 運輸隨機頻譜。

圖2 艦船有溫控環(huán)境產(chǎn)品的可靠性試驗振動頻譜

2 兩種可靠性指標驗證方法

2.1 內(nèi)外場結(jié)合法

艙內(nèi)有溫控環(huán)境安裝產(chǎn)品的可靠性試驗剖面，總體可分為低溫段、常溫段和高溫段。內(nèi)外場結(jié)合法按如下步驟實施：

1）計算常溫段試驗時間T1，即T1=82.73 %×T總，在常溫環(huán)境下采用完整測試手段開展試驗，試驗應(yīng)力以常溫環(huán)境為主；

2）剩余試驗時間為T2=17.27 %×T總，在試驗箱內(nèi)綜合環(huán)境應(yīng)力下開展，試驗剖面按剔除常溫段剩余部分施加；

3）振動應(yīng)力施加時間均攤到各試驗循環(huán)內(nèi)開展。

內(nèi)外場結(jié)合法整體思路是總試驗時間不減少，縮短產(chǎn)品在綜合應(yīng)力下的試驗時間，以達到降低產(chǎn)品試驗經(jīng)費的目的，對于系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、系泊和航行試驗時間多的產(chǎn)品，效果非常明顯。

2.2 可靠性加速試驗法

可靠性加速試驗法主要是利用經(jīng)典的加速模型，通過調(diào)整試驗應(yīng)力量級縮短試驗時間。采用可靠性加速試驗驗證產(chǎn)品可靠性指標按如下實施步驟：

1）計算常溫段試驗時間T1，在高溫試驗箱內(nèi)，采用高溫老化試驗方法開展試驗，試驗的基準溫度為25 ℃，加速后的試驗時間為T3=T1/AF1，AF1表示阿倫尼斯模型加速因子。加速因子的計算公式如下[5]：

式中：

Ea—激活能，通常取0.6 eV；

k—玻爾茲曼常數(shù)，取8.617×10-5eV/K；

Tuse—試驗的基準溫度；

Ttest—加速后的試驗溫度。

2）剩余試驗時間為T2，在試驗箱內(nèi)綜合環(huán)境應(yīng)力下開展。設(shè)計一個含冷浸和熱浸試驗剖面，剖面時間為24 h，含三次冷浸和三次熱浸，見圖3；設(shè)計一個溫度循環(huán)剖面（見圖3），剖面時間為26 h，加速前總溫度循環(huán)數(shù)為N1=[T2/26]，加速后總溫度循環(huán)數(shù)為N2=[N1/AF2]，AF2表示溫度循環(huán)加速因子，[·]表示取整運算。加速因子的計算公式如下[6-8]：

圖3 艦船有溫控環(huán)境產(chǎn)品可靠性試驗加速前設(shè)計剖面

式中：

ΔTtest—加速后溫度循環(huán)的溫差；

ΔTuse—未加速前溫度循環(huán)的溫差；

ΔVtest—加速后溫度循環(huán)的溫變速率；

ΔVuse—未加速前溫度循環(huán)的溫變速率；

Tmax—未加速前溫度循環(huán)的高溫段溫度；

3）振動應(yīng)力施加時間包括戰(zhàn)斗損傷頻譜施加時間T4=20×N3 和運輸隨機頻譜施加時間T5=240×N3，其中N3=[T總/24]。加速后，按每26 h 施加6 h 振動應(yīng)力，每3h 為一個周期，則戰(zhàn)斗損傷頻譜施加時間T6=20×N2 和運輸隨機頻譜施加時間T7=240×N2。通過如下公式確定振動應(yīng)力量值[9]：

①戰(zhàn)斗損傷頻譜加速后最大加速度：

②運輸隨機頻譜加速后功率譜密度峰值：

加速后的振動應(yīng)力按照“譜型不變，量值同步提高”原則，修改對應(yīng)振動應(yīng)力譜型。

綜上，加速后的總試驗時間為T=T3+24 h+26 h×N2，最終總的加速因子為AF=T總/T。相比于內(nèi)外場結(jié)合法，可進一步縮短試驗時間，保證研制進度。

3 案例應(yīng)用

某型監(jiān)控箱屬于研改型設(shè)備，成熟度較高，工作于艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境，采用GJB 899A 中21 號方案，可靠性試驗總時間T總=1.1×θ1=1.1×6 000 h=6 600 h。考慮上級總體對產(chǎn)品研制單位的要求，結(jié)合產(chǎn)品實際使用狀態(tài)，試驗時間的累積主要分為兩部分：

1）第一部分：實驗室綜合應(yīng)力試驗，主要考核產(chǎn)品在綜合環(huán)境應(yīng)力下的可靠性；

2）第二部分：長時間連續(xù)運行試驗，主要考核產(chǎn)品在長時間連續(xù)運行下的可靠性。

考慮試驗費用和研制進度，第一、第二部分試驗均采用加速方法開展。已知產(chǎn)品低溫貯存溫度-50 ℃，高溫貯存溫度＋65 ℃，低溫溫工作度：-10 ℃，高溫工作溫度：50 ℃。要求累積試驗時間為6 600 h，1 臺設(shè)備參與試驗，按照3.2 節(jié)所述方法：

1）常溫段試驗時間T1=6 600 h×82.73 %≈5 460.2 h，試驗基準溫度25 ℃，采用高溫老化試驗后，試驗溫度取50 ℃，則加速因子為AF1=6.09，加速后試驗時間為T3=T1/AF1=5 460.2 h/6.09=897 h，即在高溫試驗箱內(nèi)開展高溫老化試驗不少于897 h，試驗溫度為50 ℃，濕度取46 %；

2）試驗箱內(nèi)綜合環(huán)境應(yīng)力下試驗時間為T2=6 600 h-5 460.2 h=1 139.8 h。加速前，溫度循環(huán)剖面：-10 ℃-50 ℃-（-10 ℃），溫變速率為60 ℃/h，總溫度循環(huán)數(shù)為N1=[1 139.8/26]=44。加速后，下限溫度變?yōu)?20 ℃，上限變?yōu)?5 ℃，溫變速率調(diào)整為5 ℃/min，溫度循環(huán)加速因子為：

則加速后總溫度循環(huán)數(shù)為N2=[N1/AF2]=11。

3）加速前，振動應(yīng)力施加時間包括戰(zhàn)斗損傷頻譜施加時間T5=20×（6 600/24）=5 500 min，運輸隨機頻譜施加時間T6=240×（6600/24）=66 000 min。加速后，戰(zhàn)斗損傷頻譜施加時間T7=20×N2=220 min，運輸隨機頻譜施加時間T8=240×N2=2 640 min。加速后振動應(yīng)力量值為：

①戰(zhàn)斗損傷頻譜加速后最大加速度：

②運輸隨機頻譜加速后功率譜密度峰值：

按照“譜型不變，量值同步提高”原則，修改對應(yīng)振動應(yīng)力譜型。

加速后總試驗時間為T=T3+24 h+26 h×N2=897 h+24 h+286 h=1 207 h，最終綜合加速因子為AF=6 600 h/1 207 h≈5.47。加速后試驗剖面則按上述應(yīng)力量值對圖2 和圖3 進行適應(yīng)性修改。

4 總結(jié)

計算結(jié)果表明，艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境產(chǎn)品通過采用本文所提加速試驗方法驗證可靠性指標，可有力縮短試驗時間。同時，對于有長時間連續(xù)運行工作要求的產(chǎn)品，可以在高溫老化試驗中，通過不間斷運行達到考核產(chǎn)品性能目的。本文所用加速方案設(shè)計均選用成熟加速模型，理論依據(jù)充分。此外，按照裝備試驗鑒定“三個階段、三個環(huán)路”思想，通過有限的可靠性試驗時間完成指標驗證，實現(xiàn)保障研制進度與考核產(chǎn)品可靠性水平的雙重目的。產(chǎn)品的實際可靠性水平通過后續(xù)使用階段的數(shù)據(jù)搜集，開展可靠性評估，再反饋給設(shè)計端，落實“階段-環(huán)路”理論。