某型導引系統環境應力篩選方案及有效性評價

摘 要：考慮到環境應力篩選對于不同產品體現出非通用性和動態性的特征，以GJB1032中規定的篩選方法為基礎，結合某型導彈的具體特點，以某導引系統為例進行了ESS方案的初始設計，并根據篩選效果對篩選方案進行了適當調整；對最終的篩選結果進行詳細分析，從故障在不同等級分布、故障類別分布和篩選對于產品的壽命損耗三個方面評價ESS方案的有效性，驗證了最終環境應力篩選方案的有效性。

關鍵詞：環境應力篩選；隨機振動；溫度循環；有效性評價

中圖分類號：V216.5 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2013）05-0061-04

AnESSSchemeandItsEffectivenessEvaluationforaGuidingSystem

YUNZhixin，LUXing

（PLA’sMilitaryRepresentativeOfficeinChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Consideringtheenvironmentalstressscreening（ESS）fordifferentproductsreflectsnonversatileanddynamiccharacteristic，basedonthescreeningmethodspecifiedinGJB1032，combinedwith thespecificcharacterofacertaintypeofmissile，aninitialESSschemeforacertainguidingsystemisdesigned.Then，appropriateadjustmenttotheESSschemeismadeaccordingtothescreeningeffectiveness. Finally，thefinalscreeningresultisanalyzedindetail，andtheeffectivenessoftheESSschemeisevaluatedfromthefollowingthreeaspects：thefaultdistributionindifferentgrades，faulttypedistributionand theinfluenceonthelossofservicelife.TheeffectivenessofthefinalESSschemeisverified.

Keywords：ESS；randomvibration；temperaturecycle；effectivenessevaluation

0 引 言

空空導彈作為精確制導武器的一個重要分支，具有全天候、全高度、大過載等特點，由此對裝備的可靠性提出了更高的要求。隨著軍方對武器裝備功能和性能要求的不斷提高，裝備的組成日趨復雜，可靠性問題越來越突出，事后檢驗的產品研制和交付方式已不能滿足裝備研制生產的需要。國內外武器裝備的研制實踐表明：以環境應力篩選（EnvironmentalStressScreening，ESS）為核心的產品保證模式能夠縮短研制生產周期，快速激發產品中的潛在缺陷，顯著提高產品可靠性，保證交付產品質量[1]。

國內于1990年以MIL-STD-2164《電子設備環境應力篩選方法》為藍本頒布了國軍標GJB1032《電子產品環境應力篩選方法》[2]，并要求在武器裝備的研制生產中予以貫徹執行。近幾十年來，GJB1032在武器裝備研制中得到了廣泛應用，也取得了顯著成效。然而，GJB1032中的一些規定過于死板，嚴格按該標準進行篩選時往往達不到應有的目的。因此，考慮ESS的非通用性和動態性特征，需要針對不同產品特點制定合適的ESS方案，同時根據篩選效果對試驗方案適時調整，對ESS方案進行有效性評價。

本文以GJB1032為基礎，結合某型導彈的具體特點，進行ESS方案的初始設計與有效性評價。

1 ESS方案設計依據

ESS最初主要針對電子產品，但軍用裝備通常是由光、機、電等組成，使其應用范圍拓展到了非電子產品。如1996年發布的MIL-HDBK–2164A《電子產品環境應力篩選方法》明確，ESS也適用于電氣、電子、光電或電化學器件[3]；航天行業的標準QJ3138《航天產品環境應力篩選指南》中也指出，“ESS主要適用于電子產品，包括電子組件、單機和系統。原則上，亦可用于電氣、光電、機電或電化學產品”[4]。

ESS中最重要的一項是篩選條件，即對產品所施加的應力類型、量值和時間。GJB1032規定篩選由初始性能檢測、缺陷剔除試驗、無故障檢驗試驗及最后性能檢測4部分組成，其中初始性能檢測和最后性能檢測是在實驗室大氣環境條件下對產品進行性能測試，缺陷剔除試驗和無故障檢驗試驗中要對產品人為施加溫度循環和隨機振動應力。缺陷剔除試驗由5min的隨機振動和40h的溫度循環組成，無故障檢驗試驗由40～80h的溫度循環和5～15min的隨機振動組成。隨機振動的功率譜密度見圖1，溫度循環示意圖如圖2（適用于無冷卻系統的產品）。其中高低溫設定值隨產品不同而變，高低溫保持時間以使產品溫度達到穩定為準，溫度變化速率為5℃/min[2]。

GJB1032中明確：“篩選產品可以是印刷電路板組裝件、電子組件或整機…”[2]。但考慮到篩選產品的材料、結構、工藝千差萬別，標準中規定的篩選方案不可能覆蓋所有產品，即所有產品不可能用同樣的篩選條件進行篩選，文獻[5]對此有專門論述。相關的專業書籍也都強調[1]，應依據ESS的基本特征，剪裁GJB1032中的有關規定，并通過篩選迭代制定出適合于具體產品的篩選條件。

2 ESS方案設計

以某型導彈為例，根據產品的裝配層次和測試能力，分別在電路板、分組件、組件、艙段、全彈進行ESS，在電路板和分組件級主要進行溫度循環篩選，在組件、艙段和全彈級主要進行隨機振動和溫度循環篩選。考慮到全彈ESS方案相對復雜，本文僅以其關鍵組成部分導引系統為對象，對篩選方案的初始設計和迭代調整后的最終方案作詳細介紹。

2.1 初始ESS方案設計

某導引系統是某型導彈的重要組成部分，由電路組合I、電路組合II、光學組件和殼體等構成，有大小零部件400多個、元器件1000多個。

2.1.1 選擇合適的篩選等級

為了盡可能多地消除早期故障，原則上要在產品的各組裝等級都安排篩選。低組裝等級上的篩選不能代替高組裝等級上的篩選，因為在將低組裝等級的產品組裝成高一級產品時，由于使用了外購件及組裝工藝，會引入新的缺陷。反過來雖然高組裝等級的篩選能代替低組裝等級的篩選，但若不進行低組裝等級的篩選，會使本來可能在低組裝等級發現的問題到高組裝等級才被發現，不但降低了篩選效率，還會由于某一低組裝等級的產品故障，導致同一組裝等級的其他產品陪著這個易故障的產品重復試驗，從而消耗產品壽命。

結合該導引系統的結構特點，并參照其他型號的篩選經驗，初步確定對電路組合I、電路組合II和導引系統整機實施篩選。

2.1.2 確定合適篩選量級的方法

確定適合于不同篩選等級的篩選量級是制定合理篩選方案的關鍵，確定方法有4種：

（1）常規法[1]：參考GJB1032等標準中規定的應力量級，結合產品自身特性和相似產品的篩選經驗確定具體產品的篩選量級。它是國內確定篩選量級最常用的方法。

（2）定量法[6]：該方法是為了解決常規法靠經驗確定篩選應力的不足，試圖依靠篩選應力的數學模型，從而較準確地確定篩選量級。GJB/Z34中給出了溫度循環和隨機振動的篩選度模型和各

類元器件的缺陷率，依據對產品篩選度的要求和產品的缺陷率可導出相應的篩選方案。但限于篩選度模型及元器件缺陷率的準確性不高，加上該方法僅適用于純電子產品，所以，國內現有裝備很少采用此方法確定篩選量級。

（3）步進法：即以遞增的應力試驗和故障分析為手段確定篩選量級，由此得出的結果最符合產品實際。文獻[3]特別強調用步進應力方法來確定篩選量級，并給出了其流程圖。

（4）加速法：即以步進應力試驗得到產品的工作極限和破壞極限，再將其降額用作篩選應力。該概念較新，國外已用于批量生產的民用飛機產品，但由于涉及到商業秘密，目前尚未形成標準。2.1.3 初始ESS方案

參照國內同類型號的篩選方案，采用常規法制定出產品的初始篩選方案（見表1）。

2.2 最終ESS方案

2.2.1 工程研制試樣階段的篩選效果

該導引系統自工程研制初樣階段開始進行ESS，每發產品都按初始的篩選方案嚴格進行了篩選。在工程試樣階段后期其篩選結果如下：

（1）2d1793ff77c7655d42f15a8bb565f0fee5個電路組合I在其自身的篩選中，以及整機的高低溫工作試驗和隨機振動中均未故障。

（2）25個電路組合II在其自身的篩選中共故障8次，有4次故障發生在第1循環的低溫階段，2次故障發生在第2循環的高溫階段，在第3循環的高溫段和低溫段各發生1次故障；通過了自身篩選的電路組合II在整機的高低溫工作試驗中未發生故障，在整機的隨機振動試驗中出現4次故障。

（3）23發導引系統在高溫工作和低溫工作試驗中未發生故障，在隨機振動試驗中有4發產品出現了8次故障；電路組合II的4次故障分別是由電位器位置設計不合理、阻容匹配不當造成的，其余4次都是光學組件故障。

（4）對以上故障認真分析后認為：由生產缺陷、工藝不完善造成的故障占50%，如接插件故障、緊固螺釘未上膠等；由設計缺陷造成的故障占37.5%，如電路組合II電位器參數變化、阻容匹配問題和光學組件用膠不當等；由元器件偶然失效導致的故障占12.5%，如繼電器失效、三極管失效等。

（5）對因設計引起的故障進行技術攻關，對擬采取的改進措施進行試驗驗證，證實有效后落實到了所有的電路組合II和光學組件上。

（6）對采取改進措施后的光學組件、電路組合II和導引系統進行補充篩選，篩選結果也表明改進措施是有效的。

2.2.2 最終的ESS方案

通過工程研制試樣階段的篩選，初步驗證了導引系統初始篩選方案的有效性，考慮到電路組合II在溫度循環過程中若前3個循環中不發生故障，則在隨后的4個循環中也不會故障。但限于受篩產品的數量還不多，數據還不很充分，故參照同類型號的篩選方案，決定在設計定型階段的篩選中，將電路組合II的7個溫度循環調整為5個，其余不變（詳見表2）。

3 ESS方案有效性評價

ESS是一個動態閉環過程，在不同組裝等級上采用適當的篩選條件以最大限度地激發產品缺陷，并通過連續監視篩選結果加以調整，以保證篩選始終有較高的效費比。通常評價ESS方案是否有效主要通過以下三個方面：

（1）隨著組裝等級的提高，篩選出的故障是否呈明顯下降趨勢？

（2）是否暴露并剔除了生產中引入的大部分的潛在缺陷？

（3）ESS是否過度消耗了產品的壽命？

按照上述評價標準，對某型導彈最終篩選結果進行分析處理，得出不同組裝等級篩選故障分布、故障類別分布情況。該型導彈的導引系統在不同組裝等級的故障分布情況如圖3所示。

從圖3可以看出，導引系統隨著組裝等級的提高，篩選出的故障呈顯著下降趨勢。而從故障類別方面來看，篩選中暴露出來的故障主要有：元器件缺陷、工藝缺陷、電纜缺陷、焊接缺陷、緊固件問題等，其故障類別分布情況見表3。

表3中列出元器件類故障所占比例為60.2%，工藝類故障所占比例為35.6%，其他類為4.2%，由此說明篩選中發生的故障大都是從生產和元器件中引入的。

篩選對總壽命的損傷應當控制在一個合理的范圍內，如一般認為在10%以下可以達到既剔除缺陷，又為后續使用留有足夠剩余壽命的目標。通過振動應力響應分析，認為篩選后壽命的短板是該導引系統。其在ESS和全彈功能試驗中的振動應力以及相應的壽命損耗情況見表4。

由表4可以看出，原ESS方案的壽命損傷率僅為0.45%，加上全彈掛飛和自主飛振動的損耗合計損耗1.27%。由此可以得出現行的ESS方案消

耗產品有效壽命不到10%。

綜上所述，從故障在不同組裝等級分布、故障類別分布和壽命損耗3個方面進行分析，可得某型導引系統的環境應力篩選方案是有效的。

參考文獻：防科學技術工業委員會，1990.

[3]MIL-HDBK-2164A 電子產品環境應力篩選方法[S].北京：國防科學技術工業委員會，1996.

[4]QJ3138 航天產品環境應力篩選指南[S].北京：國防科學技術工業委員會，2001.

[5]李根成，姜同敏.環境應力篩選應用研究[J].航天制造技術，2006（1）：44-47.

[6]GJB/Z34 電子產品定量環境應力篩選指南[S].北京：國防科學技術工業委員會，1993.

[1]何國偉，戴慈莊.可靠性試驗技術[M].北京：國防工業出版社，1995：101-135.

[2]GJB1032 電子產品環境應力篩選方法[S].北京：國防科學技術委員會，1993.