胡偉瀚

摘 要：可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種較新型的試驗(yàn)技術(shù)，可以盡早暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝方面的薄弱環(huán)節(jié)，從而采取合理的措施以提高產(chǎn)品的可靠性，該技術(shù)可縮短產(chǎn)品研制時(shí)間，這與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求互補(bǔ)。本文介紹了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法，并以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型機(jī)電產(chǎn)品附件為案例對(duì)該方法進(jìn)行了初步的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);可靠性;強(qiáng)化試驗(yàn);初步應(yīng)用

引言

由于成附件可靠性要求普遍很高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中能夠在較短研制周期內(nèi)對(duì)可靠性有效驗(yàn)證并改進(jìn)的常規(guī)方法極少，因此，采用開展附件可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)作為一項(xiàng)重要的可靠性研制試驗(yàn)，基本思路為：制定相關(guān)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)規(guī)范，依據(jù)規(guī)范開展成附件可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)與驗(yàn)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(qiáng)化試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一類激發(fā)試驗(yàn)，采用加速應(yīng)力環(huán)境快速激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷，使其以故障形式表現(xiàn)出來，通過故障原因分析、失效模式分析和改進(jìn)措施消除缺陷，達(dá)到可靠性增長(zhǎng)的目的。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)的理論依據(jù)是故障物理學(xué)，它把故障或失效當(dāng)作研究的主要對(duì)象，通過發(fā)現(xiàn)、研究和根治故障達(dá)到提高可靠性的目的。可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)通常采用人為施加的強(qiáng)化應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，快速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷使其以故障形式表現(xiàn)出來，通過故障模式分析、故障機(jī)理分析和改進(jìn)措施消除缺陷提高產(chǎn)品可靠性。

2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用情況

從20世紀(jì)80年代末到90年代初，國(guó)外特別是美國(guó)在各工業(yè)部門開始推廣應(yīng)用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)，到目前已廣泛地應(yīng)用于通信、電子、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、能源、交通、航空、航天和軍事等領(lǐng)域，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，取得了巨大的成功。

國(guó)外大多數(shù)為機(jī)械、電子工業(yè)提供設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)服務(wù)的公司，已經(jīng)把可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)作為一項(xiàng)重要的服務(wù)內(nèi)容。據(jù)QualMark公司在1995年5月至1996年3月間的統(tǒng)計(jì)，該公司先后為來自19個(gè)不同工業(yè)部門的33個(gè)公司的47種產(chǎn)品（涉及電子產(chǎn)品和機(jī)電產(chǎn)品）[1]，提供了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)服務(wù)，均獲得了顯著成效。美國(guó)為航空航天、軍事工業(yè)和一般民用工業(yè)提供試驗(yàn)服務(wù)的Garwood Laboratories公司，所提供的一項(xiàng)重要服務(wù)就是產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)，Garwood Laboratories公司的客戶在軍事工業(yè)方面包括雷神公司、波音公司、Northrop Grumman公司、MeggittSafety Systems公司等。

國(guó)內(nèi)在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)領(lǐng)域從20世紀(jì)90年代中后期開始進(jìn)行跟蹤研究[2-5]。文獻(xiàn)《國(guó)外可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)文集》[4]是較早系統(tǒng)地介紹國(guó)外可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)概念的文獻(xiàn)之一。而后，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)于2000年引進(jìn)了早期的氣動(dòng)式強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備，并在相關(guān)科研項(xiàng)目“可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)”的支持下，針對(duì)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的理論問題開展了專項(xiàng)研究，基本上明晰了強(qiáng)化試驗(yàn)環(huán)境描述、強(qiáng)化試驗(yàn)失效機(jī)理，并在吸收國(guó)外可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上形成了完整的應(yīng)用方法，并針對(duì)某型衛(wèi)星相關(guān)系統(tǒng)開展了較為系統(tǒng)的應(yīng)用研究[6-7]。

此外，國(guó)內(nèi)高校、科研院所如北航、工信部電子五所等單位的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)及理論水平也隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展不斷在工程應(yīng)用中發(fā)展壯大，現(xiàn)已成為各軍兵種裝備研制的重要支撐單位。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)由于其顯而易見的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛接受，并得到普遍應(yīng)用。

3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)主要流程

3.1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力確定

結(jié)合附件自身特點(diǎn)和工作環(huán)境，通過對(duì)其進(jìn)行敏感應(yīng)力分析確定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的試驗(yàn)應(yīng)力類型及量值范圍。根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，附件敏感應(yīng)力主要是溫度、振動(dòng)、電應(yīng)力和三種應(yīng)力的綜合。

3.2可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)順序

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)包括：試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作、低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、快速溫度循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)和回歸驗(yàn)證等七個(gè)階段。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)順序如圖1所示。

4 案例

4.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)開始前，應(yīng)梳理附件元器件信息、開展FMEA分析，并對(duì)其在生產(chǎn)、試驗(yàn)、檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的故障情況進(jìn)行分析，試驗(yàn)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注質(zhì)量等級(jí)較低、耐溫抗振性能較弱的元器件及零部件等的薄弱環(huán)節(jié)。

4.2 試驗(yàn)過程簡(jiǎn)述

4.2.1 低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

a）以-10℃作為低溫步進(jìn)的起始溫度;

b）在低溫步進(jìn)應(yīng)力達(dá)到-40℃之前，溫度臺(tái)階為-10℃、-20℃、-30℃;之后，以-5℃為步長(zhǎng);

c）溫度變化速率約20℃/min;

d）每個(gè)溫度臺(tái)階停留的時(shí)間約61min;

e）當(dāng)試驗(yàn)箱溫度達(dá)到每個(gè)溫度臺(tái)階值時(shí)，以1次/min改變壓差使被試品電路實(shí)現(xiàn)“接通—斷開—接通”，直至本臺(tái)階測(cè)試完成;

f）低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)進(jìn)行到-80℃。

4.2.2 高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

a）以100℃作為高溫步進(jìn)的起始溫度;

b）在高溫步進(jìn)應(yīng)力達(dá)到130℃之前的溫度臺(tái)階分別為100℃、110℃、120℃;之后，以5℃為步長(zhǎng);

c）溫度變化速率約20℃/min;

d）每個(gè)溫度臺(tái)階停留的時(shí)間約61min;

e）當(dāng)試驗(yàn)箱溫度達(dá)到每個(gè)溫度臺(tái)階值時(shí)，以1次/min改變壓差使被試品電路實(shí)現(xiàn)“接通—斷開—接通”，直至本臺(tái)階測(cè)試完成;

f）高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)進(jìn)行到180℃。

4.2.3 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)

a）快速溫度循環(huán)試驗(yàn)從低溫階段開始;

b）溫度范圍為-75～175℃;

c）循環(huán)次數(shù)：10個(gè)完整循環(huán)周期;

d）溫度變化速率約20℃/min;

e）每個(gè)循環(huán)中低溫和高溫階段停留時(shí)間約60min;

f）從快速溫度循環(huán)試驗(yàn)開始降溫時(shí)，以1次/min改變壓差使被試品電路實(shí)現(xiàn)“接通—斷開—接通”，直至整個(gè)快速溫度循環(huán)試驗(yàn)完成;

g）在每個(gè)循環(huán)的升溫段和降溫段對(duì)被試品進(jìn)行測(cè)試;

h）在每個(gè)循環(huán)階段，被試品電壓按“上限（30V）-標(biāo)稱（28V）-下限（24V）-標(biāo)稱（28V）-上限（30V）”變化，以此類推。

4.2.4 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)

a）振動(dòng)形式：氣錘式三軸六自由度超高斯隨機(jī)振動(dòng);

b）起始振動(dòng)量級(jí)：5g，振動(dòng)步長(zhǎng)：5g;

c）每個(gè)振動(dòng)量級(jí)保持時(shí)間約20min，在每個(gè)振動(dòng)步進(jìn)臺(tái)階都進(jìn)行測(cè)試;

d）當(dāng)振動(dòng)量值超過20g后，在每個(gè)振動(dòng)量級(jí)臺(tái)階結(jié)束后將振動(dòng)量值降至5g，維持時(shí)間約5min，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)被試品在高量級(jí)振動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的焊點(diǎn)斷裂等情況;

e）從振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)開始時(shí)，以1次/min改變壓差使被試品電路實(shí)現(xiàn)“接通—斷開—接通”，直至整個(gè)振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)完成;

f）振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)進(jìn)行到70g。

4.2.5 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)

a）循環(huán)次數(shù)：10個(gè)完整循環(huán)周期;

b）溫度應(yīng)力的施加方式與快速溫度循環(huán)試驗(yàn)一致;

c）第一循環(huán)至第五循環(huán)振動(dòng)量級(jí)分別為14g、28g、42g、56g和65g，后五個(gè)循環(huán)的振動(dòng)量值與前五個(gè)循環(huán)一致。

d）施加振動(dòng)時(shí)機(jī)與持續(xù)時(shí)間：在每個(gè)循環(huán)的升溫段開始前5min施加相應(yīng)的振動(dòng)量級(jí)直至升溫段結(jié)束后5min;在每個(gè)循環(huán)的降溫段開始前5min施加相應(yīng)的振動(dòng)量級(jí)直至降溫段結(jié)束，然后將振動(dòng)量級(jí)降至5g并維持5min，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力同時(shí)作用而出現(xiàn)的焊點(diǎn)斷裂等情況;

e）從開始降溫時(shí)，以1次/min改變壓差使被試品電路實(shí)現(xiàn)“接通—斷開—接通”，直至整個(gè)綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)完成;

f）在每個(gè)循環(huán)的升溫段和降溫段對(duì)被試品進(jìn)行測(cè)試;

g）在每個(gè)循環(huán)階段，被試品電壓按 “上限（30V）-標(biāo)稱（28V）-下限（24V）-標(biāo)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(fù)后重新進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)中和試驗(yàn)后產(chǎn)品性能均合格。

5 總結(jié)和建議

通過可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及工藝薄弱環(huán)節(jié)，提出準(zhǔn)確的改進(jìn)措施，提高可靠性。

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（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）