張 陽，杜 劍

(中國航天科技集團第九研究院第十六研究所，西安 710100)

0 引言

武器裝備貯存試驗具有重大的戰(zhàn)略意義，可以節(jié)省開支并延長武器型號的服役時間，但同時又是一項理論難度高、實踐性很強的工作，俄、美等軍事強國歷經(jīng)多年發(fā)展形成了具有特色的貯存延壽道路[1]。美國貯存延壽技術(shù)手段主要采取自然貯存試驗，輔以加速貯存試驗，在加速試驗應(yīng)用對象上，主要是元器件材料級和整機級，如美軍加速試驗曾應(yīng)用在民兵導(dǎo)彈發(fā)動機的所有部件，紅斑蛇導(dǎo)彈的元器件、零部件和設(shè)備，以及有關(guān)微機電產(chǎn)品，導(dǎo)彈推進劑等。俄羅斯貯存延壽技術(shù)處于世界先進水平，突出特點是可以做到整機級、分系統(tǒng)級和全彈級，見諸報道的應(yīng)用就是C-300地空導(dǎo)彈[2]。國內(nèi)也逐步形成了以試驗技術(shù)為核心的裝備貯存延壽方法，目前貯存延壽研究的重要內(nèi)容包含貯存壽命表征參數(shù)體系、失效模式與機理、貯存延壽試驗方法和貯存壽命預(yù)測方法，四者相互關(guān)聯(lián)，相互驗證，相互之間是閉環(huán)的邏輯關(guān)系[3]。

石英加速度計的貯存延壽是武器裝備延壽工程的一項重要內(nèi)容，相對于陀螺儀表，石英加速度計的結(jié)構(gòu)較為簡單，可靠性高，常規(guī)條件下加速老化效果不明顯，因此，增加了加速度計貯存試驗綜合評判的難度，比如失效機理、失效判據(jù)以及影響因素的選定，特別是加速老化試驗下加速度計失效薄弱環(huán)節(jié)的辨識，需要合理的退化模型與試驗方法來驗證，將自然失效與加速度計故障區(qū)分開來[4-6]。

1 加速貯存試驗問題分析

某型號加速度計選用70℃、80℃、90℃、100℃作為加速計加速貯存試驗溫度，每個溫度點加速度計子樣為5塊，總共20塊加速度計。每個溫度點貯存試驗完成之后進行四位置測試。隨著試驗周期的推移，典型的加速度計輸出參數(shù)變化曲線如圖1與圖2所示。

圖1.1 100℃溫度下1#加速度計偏值變化趨勢

圖1.2 100℃溫度下1#加速度計標(biāo)定因數(shù)變化趨勢

圖2.1 100℃溫度下2#加速度計偏值變化趨勢

圖2.2 100℃溫度下2#加速度計標(biāo)定因數(shù)變化趨勢

根據(jù)圖1與圖2所示，可以得到如下結(jié)論：

1)加速度計的偏值和標(biāo)度因數(shù)在初始階段，隨著貯存周期的增加，兩者趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。這說明加速度計的結(jié)構(gòu)、材料、裝配應(yīng)力在環(huán)境應(yīng)力的作用下趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，所以加速度計的輸出更加穩(wěn)定；

2)加速度計標(biāo)度因數(shù)由剛開始的增大，到第5個周期之后的趨于平穩(wěn)，這和實際加速度計自然貯存的加速計標(biāo)度因數(shù)的變化趨勢一致。這是因為磁鋼磁值的衰減情況受環(huán)境影響較大，而磁鋼磁值直接影響標(biāo)度因數(shù)。

同時，加速度計的加速貯存試驗，面臨如下三個主要問題：

1)如何判斷加速度計的貯存失效與自身功能異常，即加速度計在加速貯存試驗之中，加速度計失效的模式與機理；

2)加速度計貯存試驗偏值與標(biāo)定因數(shù)趨于平穩(wěn)，即加速度計處于穩(wěn)定狀態(tài)，是否意味著當(dāng)前環(huán)境應(yīng)力難以做出(或者在短時間內(nèi)難以做出)加速度計的退化趨勢；

3)加速度計功能退化的判據(jù)。

2 失效模式與失效機理分析

貯存延壽試驗方法是串聯(lián)貯存壽命表征參數(shù)體系、失效模式與機理、貯存延壽試驗方法和貯存壽命預(yù)測方法的關(guān)鍵，它基于失效模式與機理分析，并以貯存壽命表征參數(shù)體系為觀測、判別對象，通過試驗獲取數(shù)據(jù)，從而預(yù)測加速度計的貯存壽命。為了解決以上加速度計貯存試驗面臨的主要問題，首先要研究加速度計的失效模式與失效機理。

加速貯存壽命試驗方法是指在不改變失效機理的前提下，通過加大應(yīng)力的方式加快產(chǎn)品性能的退化與失效，進而計算得出正常應(yīng)力水平下貯存壽命的一種試驗方法。包括理論模型、加速環(huán)境(應(yīng)力)模擬方法、檢測鑒定方法。試驗中的安全性、方法的驗證等內(nèi)容，是提前評估彈上產(chǎn)品貯存壽命的必經(jīng)試驗手段與技術(shù)途徑[2]。

加速度計失效模式與機理，是指加速度計在正常和加速應(yīng)力條件下如何失效(失效模式)以及為什么失效(失效機理)。加速度計失效分析是通過對每一失效模式、失效機理的分析，包括細觀/微觀結(jié)構(gòu)、機械失效過程、化學(xué)失效過程、熱退化過程等內(nèi)在原因的分析，找出加速度計失效的內(nèi)在原因。只有通過失效分析，建立加速度計加速貯存試驗和自然貯存試驗之間的相關(guān)性，才能保證壽命評估結(jié)果的可信度。通過加速度計失效模式與失效機理的研究，才能辨識出加速度計貯存延壽的薄弱環(huán)節(jié)。

3 石英加速度計加速貯存薄弱環(huán)節(jié)分析

石英加速度計主要由伺服電路和表頭組成，表頭主要由外殼、上力矩器、擺組件、腹帶、下力矩器、隔離環(huán)組成[7]。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解圖如圖3所示。

圖3 加速度計結(jié)構(gòu)分解圖

加速貯存的環(huán)境應(yīng)力有溫度、濕度、煙霧、噪聲、振動、沖擊、壓力、氣溶膠濃度、電壓、電流等。加速度計目前的密封是通過膠粘劑實現(xiàn)的，實際上膠是一種粘接材料，并不能作為密封材料使用，特別是加速老化試驗中，膠的物理性能會嚴重退化，整表的密封性也隨之下降，所以必須考慮濕度、煙霧、霉菌、微觀顆粒對加速度計性能參數(shù)的影響。針對貯存延壽試驗的特點，可以分為環(huán)境試驗對力矩器、擺組件以及伺服電路參數(shù)性能的影響。

3.1 加速貯存試驗對力矩器影響

貯存試驗對力矩器的影響實質(zhì)是溫度、濕氣、煙霧對磁鋼氣隙磁場強度的影響。力矩器由磁鋼、磁極片、補償環(huán)以及軛鐵通過膠粘劑膠結(jié)在一起，所以需要研究氣候試驗對膠粘劑、磁鋼材料物理性能的影響。慣性器件的精度很大程度上依賴于永磁體的穩(wěn)定性，加速度計雖然在裝調(diào)環(huán)節(jié)會采取溫循與振動進行老化試驗，使得永磁體磁性能趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但是永磁體的磁場的穩(wěn)定時間一般為半年到一年時間，如圖4所示。而貯存延壽要求壽命一般在10年以上，時間跨度較大，需要考慮永磁磁性能退化情況，甚至材料的揮發(fā)情況。

圖4 永磁體自然狀態(tài)時間穩(wěn)定性曲線

3.2 加速貯存試驗對擺組件的影響

擺組件作為加速度計的核心部件，任何參數(shù)的變化將會影響加速度計整表輸出。加速度計的輸出模型如公式(1)。

(1)

式中：m為擺組件質(zhì)量，αi為加速度計感受的加速度輸入，l為擺組件質(zhì)心到擺梁根部的距離(慣性力臂)，B為力矩器氣隙磁場強度，I為反饋電流，n為線圈匝數(shù)，L為單位線圈的長度。

擺組件由擺片與上、下動圈組件通過膠粘劑粘接在一起，如圖5所示。在進行貯存試驗過程中，膠粘劑會隨時間的推移而發(fā)生膨脹，一方面造成擺組件質(zhì)心位移，影響加速度計偏值大??；另一方面造成膠的粘接強度下降，可以通過振動試驗對此種情況下膠粘劑的粘接強度進行驗證。

圖5 擺組件粘接示意圖

3.3 加速貯存試驗對伺服電路的影響

伺服電路主要是由基準三角波發(fā)生器、電流積分器、差動電容檢測器、電壓調(diào)節(jié)器和跨導(dǎo)補償放大器等部分組成。伺服電路零偏的產(chǎn)生是由于差動電容檢測器和其后面的電流積分器的性能變化，幅度和頻率的變化將使差動電容檢測器的傳遞系數(shù)發(fā)生變化，而電流鏡像電路的不平衡及其隨溫度的變化會造成檢測器的零位漂移。

加速老化試驗中的溫度、鹽霧、霉菌等環(huán)境應(yīng)力會造成伺服電路中的電子元器件損傷，特別是電路之中的非金屬材料，將會造成不同程度的老化，所以必須探究加速貯存試驗對加速度計伺服電路的影響。

4 薄弱環(huán)節(jié)試驗方法

在國內(nèi)，整機加速貯存試驗研究應(yīng)用仍處于探索階段，有多位可靠性方面的專家分析了發(fā)展方向和可能的方法，但對具體模型和方法缺少深入研究，李久祥等[8-9]，首先應(yīng)從薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生，只要確定了整機薄弱環(huán)節(jié)壽命，就確定了整機的壽命，并分析了整機加速貯存試驗工作程序。

李祥臣等[10]基于薄弱環(huán)節(jié)失效機理分析，提出了材料、部件和整機層層遞進的加速退化試驗方案，以及基于物理化學(xué)老化和使用載荷驗證的發(fā)動機加速試驗一體化設(shè)計方法。張生鵬等[11]利用元器件材料級產(chǎn)品的加速退化經(jīng)驗，提出了電子整機產(chǎn)品的加速退化試驗方法，并根據(jù)整機在自然貯存和加速應(yīng)力兩個條件下失效概率相等原則計算加速退化試驗時間。伏洪勇等[12]以最薄弱環(huán)節(jié)選用合適的性能退化加速模型計算加速因子，分析失效機理，據(jù)此進行電子學(xué)整機設(shè)備加速退化試驗。譚源源[13]研究了整機加速試驗的機理模型、統(tǒng)計分析、一致性分析及融合評估、優(yōu)化設(shè)計等問題，對裝備貯存壽命評估的整機加速試驗理論和方法進行了探索。

基于加速度計本體特征以及失效機理，可以對加速度計展開以下研究：

4.1 材料級參數(shù)退化模型

1)膠粘劑活性退化模型。加速度計是用膠“包裹”起來的，加速度計不同部位會用到不同的膠粘劑。在大量的濕氣與溫度的交變濕熱中，膠的性能會迅速退化。一方面，膠粘劑發(fā)生蠕變，造成加速度計部件微觀尺寸位移，特別是擺組件的質(zhì)心偏移，直接影響加速度計的輸出；另一方面，膠粘劑的膠結(jié)能力會下降，導(dǎo)致被粘部位脫落的風(fēng)險。可以通過氣候環(huán)境試驗來施加應(yīng)力，檢測試驗件的微觀尺寸變化以及膠結(jié)強度，或者體積、膠結(jié)強度隨氣候環(huán)境變化(溫度與濕度)的規(guī)律。

2)石英擺片彈性恢復(fù)力退化模型。石英玻璃雖然是無機非金屬材料，在氣候環(huán)境下，材料穩(wěn)定性較好，但是基于石英擺片撓性梁的微觀尺寸，必須探究在惡劣的氣候環(huán)境下，石英擺平下垂量受氣候環(huán)境影響的趨勢關(guān)系，因為下垂量是擺片彈性恢復(fù)力的直接反應(yīng)指標(biāo)，而彈性恢復(fù)力是影響加速度計的偏值等指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。

3)永磁體磁性能退化模型。加速度計磁鋼材料為永磁體，其變化直接影響加速度計標(biāo)定因數(shù)的大小。而永磁體的貯存過程中，應(yīng)該避遠離熱源，避免日光暴曬，存放處保持干燥，無腐蝕性氣體[14]。Dan Xu等[15]研究了 Alnico5 分別在 70℃、80℃、90℃下加速老化的磁性能的變化，實驗表明，隨著保溫時間的延長，各個溫度下的試樣的零偏差因子均呈上升趨勢，比例系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，且上升和下降的趨勢逐漸變緩。磁鋼在使用時需要滿足一定的要求，當(dāng)比例系數(shù)下降到一定程度時，其性能將不再滿足使用要求，即隨著使用時間的增加，磁鋼失效。

當(dāng)周圍溫度升高或降低到一定溫度后重新返回到原始溫度時，其測量值與原始溫度下測量的磁性值不同，我們把這種變化稱為溫度的不可逆變化。廖雅琴[16]根據(jù)Arrhenius模型，建立了鋁鎳鈷磁不可逆損失率隨時間以及溫度的變化規(guī)律。具體如公式(2)。

η=exp(p*(x,y))=736.35e-3995.13/T×t-1.0661+496.63/T

(2)

式中：η為永磁體的磁不可逆損失率，p*(x,y)為老化模型的擬合參數(shù)曲面。

4)電容檢測性能退化模型。加速度計的靜態(tài)輸出變化量由差動電容檢測的靈敏度決定，加速度計的軛鐵上下極板、鍍膜擺片上下擺舌面構(gòu)成了差動電容原理的基本機械結(jié)構(gòu)，具體如圖6所示。電容檢查的靈敏度如公式(3)。

(3)

式中：ΔC為電容的變化量，kC為電容靈敏度，δ0為電容極板的初始間距，ω0為組件的固有頻率，C0為電容極板的初始電容量，LP為輸出軸至線圈中心軸的距離，p為擺組件擺性，Kl為擺組件剛度。

在氣候環(huán)境試驗中，軛鐵“C型”鏡面可能會發(fā)生銹蝕、老化、材料晶體微觀特征變化而造成鏡面物理性能退化，進而影響檢測電容的靈敏度。

4.2 部件級試驗參數(shù)退化模型

加速度計老化試驗的判據(jù)為加速度計輸出變化量，為了分離觸發(fā)這種變化的本質(zhì)來源，首先需要將加速度計分離為表頭以及伺服電路，分別進行研究。將若干試驗加速度計分離為A與B兩組，將A組加速度計的表頭與B組加速度計的伺服電路做環(huán)境老化試驗。定期的將A組與B組加速度計恢復(fù)之后進行參數(shù)性能測試。除了對比加速度計靜態(tài)環(huán)境下輸出值，還應(yīng)關(guān)注加速度計超調(diào)量、諧振峰值、諧振頻率等動態(tài)系統(tǒng)參量，以及加速度計在隨機與定頻振動下加速度計輸出的前后變化量[17]。

4.3 整機級參數(shù)退化模型

加速度計材料級與部件級老化試驗參數(shù)退化的研究是為加速度計整機參數(shù)退化模型作為參考，整表參數(shù)退化是加速度計老化試驗的真實反映，更加接近于加速度計自然貯存下的狀態(tài)，同時，可以反映加速度計退化情況的參數(shù)也最多[18-21]。在研究整機參數(shù)退化模型時，可以通過控制整表的密封狀態(tài)，設(shè)置零密封到全密封狀態(tài)下的加速度計整表子樣，研究不同密封性的加速度計的參數(shù)退化情況。加速退化試驗可以進行到加速度計功能失效，然后對加速度計解剖分析，進行故障定位，最后對故障對應(yīng)下的環(huán)境應(yīng)力應(yīng)用控制變量以及正交試驗等方法進行驗證。

加速度計退化薄弱環(huán)節(jié)分析試驗評價方法見如下表1所示。

表1 加速度計貯存延壽試驗薄弱環(huán)節(jié)分析情況

5 失效判據(jù)

通過本節(jié)內(nèi)容的分析，可以區(qū)分加速度計貯存失效與自身故障的本質(zhì)來源，以及加速度計輸出參數(shù)退化的趨勢，在加速貯存試驗中，輸出參數(shù)的退化實質(zhì)來源于構(gòu)成加速度計的材料的物理與電氣性能的退化，而材料參數(shù)的退化一般為初始的線性退化，在到中間的收斂(穩(wěn)定)，再到最后的不收斂(曲線崩塌)的大體趨勢。至于中間的收斂項時間，需要各個材料退化曲線加權(quán)預(yù)估。加速度計退化判據(jù)根據(jù)加速計退化曲線而來，即加速度計退化曲線開始崩塌的駐點，具體如圖6所示。

圖6 加速度貯存試驗輸出曲線示意圖

圖6中由穩(wěn)定階段到離散階段的轉(zhuǎn)折點稱為“駐點”。貯存試驗關(guān)鍵是要觀測到駐點，說明加速度計開始出現(xiàn)退化或者失效的趨勢，對于駐點的判斷可以用加速度計輸出二階求導(dǎo)的微分方式計算，如下

(4)

6 結(jié)論

石英加速度計貯存延壽的核心是獲取加速因子，前提是獲得性能參數(shù)退化的趨勢。通過材料級、部件級以及整機級的試驗分離與試驗驗證，可以獲取加速貯存失效的薄弱環(huán)節(jié)，將加速度計貯存延壽試驗引起的性能退化與隨機故障區(qū)分。針對加速度計失效的判據(jù)問題，應(yīng)根據(jù)每個加速度計的個體差異問題，對薄弱環(huán)節(jié)引起的敏感參量進行二階駐點分析，才能從本質(zhì)上判定加速度計是否出現(xiàn)失效，避免因人為設(shè)置判據(jù)而引起的“偽失效”。