夏志鵬，王戰(zhàn)生，虞晉鳳

(航空工業(yè)太原航空儀表有限公司，山西太原 030006)

0 引言

某型壓力傳感器(以下簡稱“產(chǎn)品”)安裝在飛機(jī)槳葉根部，直接暴露在大氣環(huán)境中，長期使用時(shí)，受大氣環(huán)境溫度、壓力等綜合應(yīng)力作用，基準(zhǔn)腔內(nèi)的氣體泄漏加速，導(dǎo)致大量產(chǎn)品在使用期限內(nèi)，因基準(zhǔn)腔內(nèi)壓力降低原因喪失告警功能。對產(chǎn)品密封部位進(jìn)行改進(jìn)，提高密封性能后，在生產(chǎn)過程中用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行產(chǎn)品泄漏率檢測，不能預(yù)計(jì)產(chǎn)品的泄漏量。由于產(chǎn)品工作性能退化失效特性參數(shù)具備2個(gè)條件：有準(zhǔn)確定義而且能夠進(jìn)行監(jiān)測；隨著產(chǎn)品工作時(shí)間的延長，有明顯的趨勢性變化，能客觀反映產(chǎn)品的工作狀態(tài)[1]。因此，加速泄漏試驗(yàn)可以解決這一問題。

加速泄漏試驗(yàn)借鑒GJB/Z 34-93《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》、HB 6206-89《機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選方法》、HB/Z 213-92《機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選指南》等關(guān)于電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選的理念，參考加速退化(ADT)理論，既不模擬真實(shí)環(huán)境，也不采用極端環(huán)境[2]，對產(chǎn)品施加溫度、壓力等激發(fā)應(yīng)力并保持一段時(shí)間，根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)前后“起始工作壓力”的變化量篩選出存在潛在泄漏故障的產(chǎn)品，提高出廠產(chǎn)品的可靠性。由于加速應(yīng)力不隨時(shí)間變化，因此加速泄漏試驗(yàn)可作為產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)方法，驗(yàn)證產(chǎn)品的使用期限。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能

產(chǎn)品由基準(zhǔn)腔、O型密封圈和波紋管組成，其工作原理圖見圖1。底座、O型密封圈和玻璃罩組成產(chǎn)品基準(zhǔn)腔，波紋管裝在基準(zhǔn)腔內(nèi)，是壓力敏感元件，在壓力差作用下產(chǎn)生位移，帶動指示帽移動，指示帽上有紅色和黃色的色帶，玻璃罩上有與指示帽色帶寬度尺寸相對應(yīng)的透明和白色不透明環(huán)形帶。

圖1 產(chǎn)品工作原理圖

產(chǎn)品基準(zhǔn)腔內(nèi)充滿約為1.5 atm(1 atm=101.325 kPa)的氣體，波紋管內(nèi)腔通過螺紋接管嘴與飛機(jī)槳葉容腔相通。容腔內(nèi)未充氣時(shí)，產(chǎn)品玻璃罩顯示全紅；容腔內(nèi)充氣過程中，波紋管伸長，指示帽移動，玻璃罩逐漸顯示黃色；當(dāng)容腔內(nèi)壓力達(dá)到1.6 atm時(shí)，指示帽黃色色帶完全進(jìn)入玻璃罩透明環(huán)形帶，顯示全黃；當(dāng)容腔內(nèi)氣體泄漏時(shí)，波紋管收縮，玻璃罩顯示紅色和黃色相間色帶；當(dāng)容腔內(nèi)壓力下降到一定值時(shí)，玻璃罩顯示全紅。

產(chǎn)品基準(zhǔn)腔氣體泄漏時(shí)，波紋管內(nèi)部和外部壓力差大于0.1 atm，玻璃罩持續(xù)顯示黃色，產(chǎn)品告警功能失效。

2 泄漏機(jī)理分析

產(chǎn)品主要密封環(huán)節(jié)由底座法蘭面、玻璃罩法蘭面、O型橡膠密封圈組成，密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。底座法蘭面和玻璃罩法蘭面與O型橡膠密封圈接觸，擰緊大螺帽后，法蘭面與橡膠材料相互擠壓實(shí)現(xiàn)密封，用氦質(zhì)譜儀檢測產(chǎn)品泄漏率，應(yīng)小于9.5×10-10Pa·m3/s。

圖2 產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品橡膠O型圈密封可歸為平面密封問題。從宏觀上來看，平面密封的兩密封面可認(rèn)為是“平面”。但從微觀上來看，加工表面并不是理想的平面，而是由許多微觀的凸峰和凹谷組成的平面，如圖3所示，橡膠墊圈未填充的凹谷，便是產(chǎn)生泄漏的通道[3]。

圖3 密封接觸過程示意圖

基準(zhǔn)腔內(nèi)壓力高于外部大氣壓，氣體從接觸面表面微觀粗糙部分的凹谷處發(fā)生泄漏，氣體在狹窄間隙中流動，當(dāng)漏率小于1×10-9Pa·m3/s時(shí)，氣體處于分子流狀態(tài)[4]。根據(jù)ROTH基于分子流假設(shè)提出的單橡膠密封圈泄漏的基本方程[3]，由于O型密封圈有2個(gè)密封面，密封圈泄漏的基本方程可表示為

(1)

檢查失效產(chǎn)品密封部位：用高倍放大鏡檢查O型密封圈外觀，無損傷、裂紋等缺陷；檢測橡膠材料物理特性，主要性能指標(biāo)合格，無老化現(xiàn)象；用輪廓測量儀和標(biāo)準(zhǔn)測針測量底座和玻璃罩法蘭面的表面粗糙度，結(jié)果如表1所示。與橡膠接觸的法蘭面越粗糙，產(chǎn)品基準(zhǔn)腔的泄漏率越大。

表1 產(chǎn)品漏率與法蘭面表面粗糙度檢測值

3 產(chǎn)品泄漏率分析

產(chǎn)品泄漏率與O型橡膠圈和法蘭面之間泄漏通道的大小和基準(zhǔn)腔內(nèi)外壓力差有關(guān)。產(chǎn)品裝配時(shí)擰緊大螺帽的密封軸向力大小不同，底座和玻璃罩法蘭面壓縮橡膠圈時(shí)橡膠圈填充通道的程度不同，產(chǎn)品的泄漏率就不相同，產(chǎn)品基準(zhǔn)腔內(nèi)外壓力差不同，泄漏率也不同。同一產(chǎn)品的泄漏率也不是恒定的，隨著基準(zhǔn)腔內(nèi)氣體不斷泄漏，腔體內(nèi)外壓力差逐漸減小，產(chǎn)品的泄漏率也逐漸減小，泄漏率隨著時(shí)間的延長，有明顯的趨勢性變化。

產(chǎn)品的使用期限是在3年貯存期和10年日歷工作時(shí)間內(nèi)，基準(zhǔn)腔內(nèi)氣體壓力允許的泄漏量為3 kPa，折算成日平均泄漏量為1.73 Pa。產(chǎn)品泄漏量檢測只針對產(chǎn)品出廠時(shí)的原始泄漏率，不能根據(jù)測得的泄漏率推測產(chǎn)品實(shí)際泄漏情況，而且工廠現(xiàn)有的科研生產(chǎn)條件不能滿足出廠產(chǎn)品泄漏率檢測要求。根據(jù)產(chǎn)品泄漏機(jī)理分析和工作原理可知，溫度和壓力是加速泄漏應(yīng)力，產(chǎn)品在加速應(yīng)力水平下的失效機(jī)理與額定應(yīng)力下的失效機(jī)理一致[5],因此可以采用加速應(yīng)力法，通過產(chǎn)品顯黃和顯紅“起始工作壓力”的變化量來檢測產(chǎn)品基準(zhǔn)腔泄漏率。

4 加速泄漏試驗(yàn)方法

4.1 測量系統(tǒng)分析

準(zhǔn)確測量產(chǎn)品顯黃和顯紅“起始工作壓力”的變化量是加速泄漏試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素有環(huán)境溫度、產(chǎn)品放置位置、判讀誤差等。環(huán)境溫度變化1 ℃，產(chǎn)品起始工作壓力變化0.495 kPa，測試產(chǎn)品顯黃壓力時(shí)，產(chǎn)品放置位置和目視觀測角度發(fā)生變化會造成“起始工作壓力”讀數(shù)誤差，應(yīng)改進(jìn)測量系統(tǒng)，保證產(chǎn)品起始工作壓力測試值準(zhǔn)確，有效。

將產(chǎn)品放入溫度箱內(nèi)進(jìn)行保溫，當(dāng)產(chǎn)品溫度恒定后進(jìn)行測試，測試時(shí)將產(chǎn)品從箱內(nèi)取出，按固定位置擺放，固定角度觀察指示帽色帶變化，在3 min內(nèi)完成測試。

改進(jìn)后的測量系統(tǒng)產(chǎn)品判讀誤差約0.3 kPa，測試系統(tǒng)合格，完全可用。

4.2 加速應(yīng)力

加速應(yīng)力的大小決定了能否將產(chǎn)品潛在缺陷變?yōu)楣收蟍2]，為使加速泄漏試驗(yàn)用于產(chǎn)品過程篩選，溫度、壓力等試驗(yàn)參數(shù)在保證加速效果的前提下，不應(yīng)造成產(chǎn)品損傷。

加速泄漏試驗(yàn)溫度應(yīng)力，依據(jù)GJB150.3A高溫試驗(yàn)、GJB150.4A低溫試驗(yàn)中自然暴露環(huán)境溫度確定，為提高溫度循環(huán)篩選度，將產(chǎn)品高溫70 ℃、低溫-55 ℃貯存溫度作為其上、下限溫度[2]；貯存時(shí)間24 h作為試驗(yàn)時(shí)間，壓力應(yīng)力設(shè)定為低氣壓(真空)和背壓(加壓)。

4.3 計(jì)算加速倍率

收集了有完整履歷信息的50支不同生產(chǎn)日期、不同工作時(shí)間、不同地域服役的失效產(chǎn)品，按照溫度和壓力參數(shù)的不同組合，分組進(jìn)行了各項(xiàng)加速泄漏試驗(yàn)，根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)前后“起始工作壓力”的變化量計(jì)算各項(xiàng)加速泄漏試驗(yàn)的加速倍率ΔQ1/ΔQ2。

加速泄漏試驗(yàn)的加速倍率是指對失效產(chǎn)品進(jìn)行加速泄漏試驗(yàn)，加速試驗(yàn)日泄漏量與實(shí)際工作時(shí)日泄漏量的比值。

(2)

式中：ΔQ1為產(chǎn)品加速試驗(yàn)日泄漏量；ΔC1為產(chǎn)品加速試驗(yàn)前后“起始工作壓力”的變化量；T1為加速試驗(yàn)時(shí)間。

(3)

式中：ΔQ2為產(chǎn)品實(shí)際工作日泄漏量；ΔC2為產(chǎn)品失效前后“起始工作壓力”的變化量；T2為實(shí)際工作時(shí)間(包含貯存期)。

試驗(yàn)條件為負(fù)壓0.3 MPa，高溫70 ℃，試驗(yàn)時(shí)間48 h的高溫背壓試驗(yàn)加速倍率最大，加速效果最為顯著。

4.4 合格判據(jù)

產(chǎn)品泄漏率分析和高溫背壓加速泄漏試驗(yàn)檢測結(jié)果基本一致。在相同加速試驗(yàn)條件下，產(chǎn)品基準(zhǔn)腔內(nèi)外壓力差越大，加速倍率也越大，試驗(yàn)記錄見表2。

表2 高溫背壓加速泄漏試驗(yàn)記錄

選取最小倍率值60作為高溫背壓加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)加速倍率值，對改進(jìn)了密封結(jié)構(gòu)的新產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，2d試驗(yàn)結(jié)束后，測試新產(chǎn)品加速試驗(yàn)前后的變化量，然后將試驗(yàn)后的新產(chǎn)品繼續(xù)恒溫恒壓存放，在120d前后測試顯黃和顯紅壓力值，與加速試驗(yàn)測得的泄漏量相比較，當(dāng)二者數(shù)值一致時(shí)記錄下存放天數(shù)，據(jù)此修正高溫背壓加速泄漏試驗(yàn)的加速倍率。

(4)

式中：n為修正后的加速倍率；d1為存放天數(shù)；d2為試驗(yàn)天數(shù)。

根據(jù)修正后的加速倍率可以推導(dǎo)出高溫背壓加速試驗(yàn)后產(chǎn)品允許的泄漏量，即合格判據(jù)。

5 結(jié)論

本文介紹的加速泄漏試驗(yàn)方法是一種加速退化理論的實(shí)踐活動，為長期正壓密封腔體氣密性檢測提供了試驗(yàn)方法，可以根據(jù)密封腔體內(nèi)氣體泄漏量與日歷時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證產(chǎn)品的日歷使用期限。本加速泄漏試驗(yàn)將實(shí)際使用中產(chǎn)生的泄漏量與加速試驗(yàn)相結(jié)合，可以減小壽命估計(jì)的誤差[6]。對于貯存期內(nèi)失效機(jī)理與使用期限內(nèi)失效機(jī)理一致，激發(fā)環(huán)境應(yīng)力相同的產(chǎn)品，也可以使用同樣的試驗(yàn)剖面進(jìn)行加速貯存退化試驗(yàn)。