趙帥帥，許玉珍，陳靖怡，杜雨芳

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2.中國(guó)包裝科研測(cè)試中心，天津 300457）

加速試驗(yàn)自美羅姆航展中心1967年首次給出統(tǒng)一定義至今，已成功地應(yīng)用于航天、航空、民用等諸多領(lǐng)域[1-7]。目前國(guó)內(nèi)探討較多的應(yīng)力施加方法是恒定和步進(jìn)單應(yīng)力加速方法，多應(yīng)力加速方法較少[8-14]。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品，在工作期間除工作應(yīng)力外，還會(huì)受到溫度、濕度、振動(dòng)等各種環(huán)境應(yīng)力的綜合影響而產(chǎn)生故障。某型航空包裝箱使用壽命為16年，用于運(yùn)輸高精度飛機(jī)零部件，在運(yùn)輸裝卸過(guò)程中，易受綜合應(yīng)力影響而發(fā)生損壞，影響運(yùn)輸件安全。為了激發(fā)航空包裝箱使用壽命內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)，文中基于壽命期剖面和故障機(jī)理分析，設(shè)計(jì)了多應(yīng)力加速試驗(yàn)方法，暴露產(chǎn)品缺陷，進(jìn)而通過(guò)改進(jìn)措施提升包裝箱可靠性水平。

1 壽命期剖面和故障機(jī)理分析

壽命期剖面為產(chǎn)品自出廠到退役（包括報(bào)廢）過(guò)程中有關(guān)事件和條件的時(shí)間歷程[15]。某型航空包裝箱的壽命期剖面如圖1所示。

航空包裝箱潛在故障模式及機(jī)理分析如下：受環(huán)境因素而造成的老化；高溫高濕造成包裝箱金屬緊固件銹蝕，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；陸運(yùn)、海運(yùn)過(guò)程中受到振動(dòng)造成機(jī)械損傷；叉車裝運(yùn)過(guò)程中，叉齒碰撞造成機(jī)械損傷；反復(fù)拆裝造成機(jī)械損傷；裝卸和運(yùn)輸過(guò)程中受到的沖擊和跌落造成機(jī)械損傷。

包裝箱壽命期內(nèi)環(huán)境應(yīng)力包括自然環(huán)境應(yīng)力和誘發(fā)環(huán)境應(yīng)力。自然環(huán)境應(yīng)力中敏感應(yīng)力主要是海運(yùn)過(guò)程中的濕熱應(yīng)力；誘發(fā)環(huán)境應(yīng)力中的敏感應(yīng)力主要是陸運(yùn)、海運(yùn)、裝卸過(guò)程中的隨機(jī)振動(dòng)、叉運(yùn)、人工拆裝、沖擊、跌落，這些敏感應(yīng)力選作加速試驗(yàn)應(yīng)力。

圖1 航空包裝箱壽命期剖面

2 加速試驗(yàn)

基于壽命期剖面和故障機(jī)理分析，參照標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)加速試驗(yàn)方案。

2.1 加速方法

依據(jù)IEC 62506—2013的加速方法[16]，航空包裝箱主要通過(guò)三種手段實(shí)現(xiàn)加速。

1）時(shí)間壓縮方法是一種只考慮產(chǎn)品明顯損傷狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間的加速試驗(yàn)方法，適用于那些產(chǎn)品工作應(yīng)力及其累計(jì)損傷明顯高于其他工作模式（非工作狀態(tài)或者備用狀態(tài)）下的場(chǎng)合。航空包裝箱只考慮壽命期內(nèi)裝卸和運(yùn)輸?shù)葘?duì)產(chǎn)品有明顯損傷的時(shí)間段，而忽略存儲(chǔ)等備用狀態(tài)對(duì)產(chǎn)品基本無(wú)損傷的時(shí)間段。

2）事件壓縮方法適用于當(dāng)一種應(yīng)力是不斷循環(huán)的，可以通過(guò)增加應(yīng)力重復(fù)頻次來(lái)實(shí)現(xiàn)加速的場(chǎng)合。這種方式下，產(chǎn)品動(dòng)作的次數(shù)應(yīng)該與其實(shí)際使用時(shí)產(chǎn)生的累積損傷效果保持一致。包裝箱承受的叉運(yùn)、人工拆裝、沖擊、跌落應(yīng)力均采用事件壓縮方法。

3）加大應(yīng)力方法主要通過(guò)加大環(huán)境應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)加速目的。包裝箱承受的濕熱、隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力采用此方法加速，加速應(yīng)力不超過(guò)包裝箱的工作極限應(yīng)力。

2.2 試驗(yàn)方案

基于壽命期剖面和敏感應(yīng)力分析，航空包裝箱加速試驗(yàn)項(xiàng)目包括濕熱試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、叉運(yùn)試驗(yàn)、人工拆裝試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)。對(duì)于應(yīng)力施加方式，以每種應(yīng)力模擬壽命期的累積損傷為原則，兼顧工程上濕熱應(yīng)力與其他應(yīng)力綜合施加導(dǎo)致試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的大幅增加。因此，加速試驗(yàn)方案采用依次施加各種應(yīng)力的方式，此方法也被IEC 62506—2013及文獻(xiàn)[17]推薦和采用。

1）濕熱試驗(yàn)采用加大應(yīng)力方法，主要考核海運(yùn)過(guò)程中高溫高濕環(huán)境對(duì)包裝箱金屬緊固件的影響。濕熱試驗(yàn)僅加速溫度應(yīng)力，選取海運(yùn)高溫高濕時(shí)間段的平均相對(duì)濕度85%，溫度應(yīng)力選取85 ℃，金屬緊固件材質(zhì)為鋁合金，激活能為 0.48 eV，海運(yùn)過(guò)程中的平均溫度為25 ℃。采用阿倫尼斯模型[18]，根據(jù)式（1）求取加速因子為22.94。包裝箱海運(yùn)過(guò)程1年經(jīng)歷高溫高濕環(huán)境為 90天，模擬 1年的濕熱試驗(yàn)時(shí)間為94 h。

式中：E為激活能；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=8.617×10-5eV/℃；t0是正常溫度；tj是加速溫度。

2）隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)采用加大應(yīng)力方法，主要考核陸運(yùn)、海運(yùn)過(guò)程中振動(dòng)對(duì)包裝箱結(jié)構(gòu)的影響，包括陸運(yùn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)和海運(yùn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。陸運(yùn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件按照ISTA 3E—2009進(jìn)行[19]，1年中陸運(yùn)里程為360 km，振動(dòng)量級(jí)Grms=0.52，時(shí)間為30 min。海運(yùn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件在海運(yùn)實(shí)測(cè)隨機(jī)振動(dòng)條件振動(dòng)量值Grms基礎(chǔ)上增大至10倍，疲勞等價(jià)關(guān)系見式（2），其中，材料常量k取值2[20]。1年中海運(yùn)隨機(jī)振動(dòng)加速后振動(dòng)量級(jí)Grms=0.22，時(shí)間為42 min。

式中：T1為試驗(yàn)的時(shí)間；T0為實(shí)際的時(shí)間；W0為實(shí)測(cè)的隨機(jī)振動(dòng)量值，見圖2；W1為試驗(yàn)的隨機(jī)振動(dòng)量值；Grms0為實(shí)測(cè)的隨機(jī)振動(dòng)加速度均方根值；Grms1為試驗(yàn)的隨機(jī)振動(dòng)量加速度均方根值。

3）叉運(yùn)和人工拆裝試驗(yàn)。叉運(yùn)和人工拆裝試驗(yàn)采用事件壓縮方法，主要考核裝卸過(guò)程中叉運(yùn)和人工拆裝對(duì)包裝箱結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，包裝箱1年平均經(jīng)歷叉運(yùn)36次，人工拆裝6次，按照該次數(shù)模擬實(shí)際叉運(yùn)和拆裝過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 實(shí)測(cè)隨機(jī)振動(dòng)條件Fig.2 Determined condition of random vibration

4）沖擊和跌落試驗(yàn)。沖擊和跌落試驗(yàn)采用事件壓縮方法，主要考核運(yùn)輸和裝卸過(guò)程中沖擊和跌落對(duì)包裝箱結(jié)構(gòu)的影響。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，包裝箱1年平均經(jīng)歷沖擊18次，跌落9次，按照該次數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，沖擊和跌落位置平均分配于不同面和棱。

5）總體方案。包裝箱加速試驗(yàn)共16個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)等效1年，模擬包裝箱16年使用壽命過(guò)程中敏感應(yīng)力濕熱、隨機(jī)振動(dòng)、叉運(yùn)、人工拆裝、沖擊和跌落的綜合影響。每個(gè)循環(huán)試驗(yàn)按 1）—4）中規(guī)定的量級(jí)和時(shí)間進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為6天，總試驗(yàn)時(shí)間為96天。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，金屬緊固件發(fā)生銹蝕。在第13個(gè)循環(huán)，包裝箱側(cè)板分離，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分損壞，部分試驗(yàn)故障如圖3所示。針對(duì)故障進(jìn)行了分析，并采取了改進(jìn)措施[21]：對(duì)金屬緊固件增加了防銹處理工藝，對(duì)損壞部位進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了包裝箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)改進(jìn)后的產(chǎn)品增加了2個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，后續(xù)試驗(yàn)未出現(xiàn)故障。通過(guò)本次試驗(yàn)，包裝箱的可靠性水平得到了提高，在預(yù)防性維修的情況下，使用壽命滿足16年設(shè)計(jì)要求。

圖3 試驗(yàn)故障Fig.3 Test failure

3 結(jié)語(yǔ)

為了激發(fā)航空包裝箱16年使用壽命內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)，文中基于壽命期剖面和故障機(jī)理分析，設(shè)計(jì)了多應(yīng)力加速試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)間加速至96天，快速暴露了產(chǎn)品缺陷，進(jìn)而通過(guò)改進(jìn)措施提升了包裝箱可靠性水平。因此，對(duì)于使用工況復(fù)雜產(chǎn)品，準(zhǔn)確建立壽命期剖面和定位敏感應(yīng)力，合理設(shè)計(jì)加速試驗(yàn)方法，可以有效地激發(fā)產(chǎn)品壽命期薄弱環(huán)節(jié)，提升產(chǎn)品可靠性水平。