懸絲支承擺式加速度計可靠性強化試驗*

張朋好,歐陽恒,趙君轍,崔 奇,楊國軍,于亞云

(1 中航工業北京長城計量測試技術研究所,北京 100095;2 中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

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懸絲支承擺式加速度計可靠性強化試驗*

張朋好1,歐陽恒2,趙君轍1,崔 奇1,楊國軍1,于亞云1

(1 中航工業北京長城計量測試技術研究所,北京 100095;2 中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

為提高懸絲支承擺式加速度計在工程應用上的可靠性,對其進行可靠性強化試驗研究,結合該類加速度計的FMEA和FTA分析,設計了基于常規試驗設備的單應力和綜合應力作用下的試驗剖面,闡述了摸清該類加速度計極限應力的試驗方法,通過試驗驗證,找出了該類加速度計的工作極限,從而為型號設計和改進工作提供了依據,也為評價同類慣性器件的可靠性水平提供了參考。

擺式加速度計;可靠性強化試驗;工作極限

0 引言

近幾年,隨著現代武器裝備可靠性水平的迅速提升,對配套慣性器件的使用可靠性要求越來越高。目前,評價慣性器件可靠性水平的常用方法有可靠性強化、退化試驗等,但此類試驗在我國尚無國家標準,要高效地完成可靠性強化試驗,需要對試驗剖面進行深入研究,以激發可能存在的缺陷并尋找極限應力,加固薄弱環節,健壯產品設計,提高其使用可靠性。文中針對某型懸絲支承擺式加速度計,基于常規試驗設備設計了可靠性強化試驗剖面,找出了該型加速度計的工作極限,為型號設計改進工作提供了依據。

1 懸絲支承擺式加速度計系統組成及主要參數

懸絲支承擺式加速度計(以下簡稱“加速度計”)是利用慣性原理測量線加速度的力矩再平衡式加速度計,具有體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高、環境適應能力強等特點,主要由傳感器組件(A100)、伺服電路組件(A200)、力矩器組件(A300)和密封組件(A400)四部分組成,見圖1,目前廣泛應用于武器型號的慣導系統中。

描述加速度計性能的參數主要有零偏和標度因數,其中標度因數是加速度計最重要的性能指標,因此,本試驗選取標度因數作為可靠性強化試驗結果的考核依據。

2 試驗方案

2.1 試驗方法的確定

由加速度計的FMEA[1]和FTA[2]分析可知,磁補償合金(A3202)和懸絲(A3301)是影響其性能的兩個薄弱環節,其中影響磁補償合金的敏感應力為溫度應力,影響懸絲的敏感應力為振動應力。為了摸清溫度應力和振動應力的工作極限,本試驗采用常規的溫度-濕度-振動三綜合試驗設備,以步進方式分別施加單應力和綜合應力,并根據工程應用情況,將規定的加速度計上、下限輸入電壓引入到試驗剖面設計中。

圖1 懸絲支承擺式加速度計系統組成

2.2 可靠性強化試驗方案

加速度計已知的敏感應力極限見表1,可靠性強化試驗方案按照圖2設計的試驗順序進行,試驗過程中加速度計均通電,每完成一項應力試驗,將加速度計恢復至常溫,采用專用設備進行性能測試。

表1 加速度計敏感應力極限

圖2 可靠性強化試驗方案

2.2.1 溫度步進應力試驗

2.2.1.1 低溫步進應力試驗

低溫步進應力試驗從0 ℃開始,以-10 ℃的步長進行試驗到-50 ℃,從-50 ℃開始,步長改為-5 ℃,每個溫度點保溫30 min后進行功能測試,之后按照表2的順序通斷電,再進行功能測試。試驗剖面圖見圖3。

表2 輸入電壓順序

圖3中:t1表示溫度穩定時間;t2表示功能性能檢測和3次通斷電功能測試時間。

圖3 低溫步進應力試驗剖面圖

2.2.1.2 高溫步進應力試驗

高溫步進應力試驗從30 ℃開始,以+10 ℃的步長進行試驗到70 ℃,從70 ℃開始,步長改為+5 ℃,每個溫度點保溫30 min后進行功能測試,之后按照表2的順序通斷電,再進行功能測試。試驗剖面圖見圖4。

圖4中:t1表示溫度穩定時間;t2表示3次通斷電功能測試時間。

圖4 高溫步進應力試驗剖面圖

在溫度步進試驗過程中,一旦發現受試加速度計出現功能異常,立即停止試驗將溫度恢復到上一量級至穩定后再進行測試,如果測試正常,則初步判定該溫度點即為加速度計的溫度工作極限;如仍然不正常,初步判定加速度計出現異常的溫度點為溫度破壞極限,繼續遞推回到上一個量級,逐級確認,若恢復到常溫仍不能正常工作,則可判斷該點為破壞極限。

2.2.2 快速溫變循環試驗

根據工程應用實際情況,此試驗可將溫度步進應力試驗中獲得的高、低溫工作極限的85%作為端點值,每個端點值保溫30 min,溫變率設置為常規設備的最大值15 ℃/min,循環10次。設置輸入電壓交替變換,即第一個循環為標稱電壓、第二個循環為上限電壓、第三個循環為下限電壓…依次類推。每個端點值保溫結束后,按照表2的順序通斷電,再進行功能測試,試驗剖面圖見圖5。

若受試加速度計在快速溫變循環試驗中出現故障,則修復后從故障中斷的循環開始,繼續完成后續試驗,如果已完成設定的試驗剖面,或受試加速度計無法修復,本項試驗停止。

圖5 快速溫變循環試驗剖面圖

圖5中:t1表示溫度穩定時間;t2表示功能性能檢測和3次通斷電功能測試時間。

2.2.3 振動步進應力試驗

振動步進應力試驗在常溫下進行,采用隨機振動,譜圖見圖6,方向按照X(敏感方向)、Y和Z依次進行,起始振動量值由圖6確定為9 Grms,振動應力初始步長為2 Grms,超過19 Grms后步長為1 Grms。每個振動量值振動10 min,在振動持續的過程中按照表2的順序通斷電,并進行功能測試,在振動結束后,再進行功能測試。試驗剖面見圖7。

圖6 隨機振動譜圖

圖7中:t3表示振動穩定時間;t4表示3次通斷電功能測試時間。

圖7 振動步進試驗剖面圖

2.2.4 綜合環境應力試驗

綜合環境應力試驗包含快速溫變循環和振動步進應力試驗,其中快速溫變循環的溫度端點值和循環次數與2.2.2節相同;振動步進值由2.2.3獲得的振動工作極限減去初始振動量值后除以(循環數-1)確定;設置輸入電壓交替變換(同2.2.2);各溫度端點穩定30 min后施加振動應力,每個振動量值按照X向振動10 min,每個溫度點振動持續過程中按照表2的順序通斷電,并進行功能測試。試驗剖面圖見圖8。

若受試加速度計在綜合環境應力試驗中出現故障,則修復后從故障中斷的循環開始,繼續完成后續試驗。如果已完成設定的試驗剖面,或受試加速度計無法修復,本項試驗停止。

圖8中:t1為產品保溫時間和振動時間之和;t2表示功能性能檢測和3次通斷電功能測試時間。

圖8 綜合環境應力試驗剖面圖

3 試驗結果

根據第2節的試驗方案,抽取4只合格加速度計進行試驗,受試產品在三綜合試驗設備上的安裝分別見圖9(a)和圖9(b)。試驗中采用自動測溫儀監測產品殼溫,采用振動控制系統監測產品功能輸出,試驗結果見表3。

圖9 受試產品在三綜合試驗設備上的安裝圖

表3 可靠性強化試驗結果

由表3可知,經過可靠性強化試驗找出了加速度計的低溫工作極限-60 ℃、高溫工作極限105 ℃和振動應力工作極限26 Grms。快速溫變循環試驗和綜合應力試驗過程中產品輸出未出現異常。

受試加速度計經歷各項應力試驗前后在常溫狀態下的標度因數測試結果對比見圖10,測試結果均在合格判據0.319 4～0.320 6 mA/g范圍內,試驗前后主要性能參數保持了穩定,表明產品設計健壯,質量穩定可靠。

圖10 試驗前后加速度計標度因數對比

4 結論

文中針對懸絲支承擺式加速度計進行可靠性強化試驗研究,結合工程應用,通過基于常規設備的可靠性強化試驗方案設計和實際驗證,找到了其工作極限,既驗證了方案的可行性,也為型號的后續設計改進工作提供了依據,達到了預期的試驗目的。

[1] 趙君轍. XX加速度計FEMA報告 [R]. 北京: 中航工業計量所, 2011.

[2] 趙君轍. XX加速度計FTA報告 [R]. 北京: 中航工業計量所, 2011.

[3] 趙君轍. XX加速度計可靠性研制試驗報告 [R]. 北京: 中航工業計量所, 2013.

[4] 溫熙森, 陳循, 張春華. 可靠性強化試驗理論與應用 [M]. 北京: 科學出版社, 2006.

[5] 潘新祥. 某型軍用電子產品的可靠性強化試驗 [J]. 艦船電子工程, 2012, 32(12): 107-109.

[6] 周鵬斌, 馬喜宏, 李建軍, 等. 彈載慣性儀表的可靠性強化試驗 [J]. 探測與控制學報, 2010, 32(4): 69-72.

[7] 何榮華, 張亞, 李波, 等. 軍用電子元件的可靠性強化試驗方案研究 [J]. 科學技術與工程, 2009, 9(18): 5460-5463.

Reliability Enhancement Test for a Type of Pendulous Accelerometer

ZHANG Penghao1,OUYANG Heng2,ZHAO Junzhe1,CUI Qi1,YANG Guojun1,YU Yayun1

(1 Changcheng Institude of Metrology and Measurement, AVIC, Beijing 100095, China;2 No.203 Researsh Insitiute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

For improving reliability of a type of pendulous accelerometer in engineering application, its reliability enhancement test (RET) was required. According to analysis results of FMEA and FTA, different stress profiles based on conventional test equipment were designed, and methods of exploring ultimate stress of the pendulous accelerometer were expounded. Validated by RET, the operating limits were found, laying foundation for the pendulous accelerometer’s further design and improvement, it also provided reference for evaluating reliability level of the same type of inertial device.

pendulous accelerometer; reliability enhancement test; operating limit

2015-07-03

張朋好(1981-),男,安徽合肥人,工程師,研究方向:慣性器件生產管理及測試方法研究。

TJ765.231

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