地面雷達可靠性加速試驗方法研究

2020-09-11 01:44:30孔耀袁宏杰王政朱緒垚

裝備環境工程 2020年8期

孔耀，袁宏杰，王政，朱緒垚

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.北京航空航天大學可靠性與系統工程學院，北京 100083）

地面雷達主要通過天線發射和接收電磁波，并從接收到的電磁波中解析探測范圍內的動目標，最終將動目標數據發送到處理終端，由處理終端做進一步處理，輸出可以直接觀測的動目標軌跡。新軍事變革及復雜的戰場環境對雷達的功能性能指標要求不斷提高，可靠性指標達到了上千小時。在可靠性鑒定試驗過程中采用環境模擬試驗面臨著試驗樣本量少、試驗時間長、費用高等問題，且故障激發效果低，在工程實際中難以實現。可靠性加速試驗已成為可靠性試驗領域的研究熱點，能夠明顯地降低試驗經費，縮短試驗時間。

1 整機的可靠性模型

在給定的時間t0，產品的可靠度可表示為[1]：

式中，RStressi為產品在某一種應力（工作應力或環境應力）下的可靠度。

環境應力包括溫度、溫度循環、濕度、振動、沖擊等。工作應力包括與產品使用相關的應力，如：開機/停機、功率、電壓波動、負載等。

根據產品的使用環境確定應力種類和應力水平。

產品失效率可表示為：

式中，λStressi為產品在某一應力（使用應力或環境應力）下的失效率。該模型將產品的可靠度按應力的類型進行分配。

2 加速試驗方案設計流程

以GJB 899A—2009的統計試驗方案為基礎，首先根據產品的實際情況選擇確定合適的定時統計試驗方案和可靠性鑒定試驗剖面[2]，然后對鑒定試驗剖面溫度和振動應力水平進行加速，并分別計算加速因子，從而得到加速條件下的等效試驗剖面[3-9]。加速試驗方案制定流程如圖1所示。

圖1 加速試驗方案設計流程Fig.1 Acceleration test program design process

具體試驗方法確定步驟為：

1) 根據受試設備的實際情況，選擇試驗方案；根據產品可靠性指標及試驗方案確定總試驗時間及故障判據；

2) 參照相關規范，制定可靠性鑒定試驗剖面；

3) 根據強化試驗結果或產品耐應力極限分析，確定加速試驗的最高溫度、最低溫度、溫變率；

4) 根據 Norris-Landzberg模型計算溫度循環加速因子，并確定加速條件下總溫度循環數；

5) 根據阿倫尼斯模型，將正常工作溫度應力折合到加速溫度應力，計算加速條件下溫度保持總時間；

6) 確定加速條件下每個循環中溫度保持時間及每個循環時間；

7) 確定加速試驗總時間；

8) 根據疲勞累積損傷模型及總的加速試驗時間，計算加速試驗振動量級。

9) 確定加速試驗剖面；

10) 計算故障時間折合因子；

11) 估算MTBF值。

3 加速因子及故障時間的確定

3.1 溫度加速因子的確定

激活能決定了溫度應力的加速因子。加速因子的計算公式為：

式中：k為波爾茲曼常數，8.617×10?5eV/K；Ea為元件的激活能，eV；Tuse為正常工作溫度；Ttest為加速試驗溫度。

分析國內外的規范可以得出結論：

1) 激活能越大，加速因子越大，集成電路的激活能一般高于電阻、電容等分立元件，是其兩倍左右。集成電路的基本失效率大于分立元件的基本失效率。

2) 如果電子產品包含較多的集成電路，可以選取較高的加速因子。

對于通訊裝備，有較多的集成電路，因此，建議激活能選用0.5～0.9 eV。

3.2 振動加速因子的確定

振動應力的加速因子按GJB 150.16A《軍用裝備實驗室環境試驗方法》中第16部分振動試驗給出的方法確定[10-14]。

隨機振動的加速公式：

正弦振動的加速公式：

式中：W0為規定的隨機振動量值（加速度譜密度），g2/Hz；W1為施加的隨機振動量值（加速度譜密度），g2/Hz；g0為規定的正弦振動量值（峰值加速度），g；g1為施加的正弦振動量值（峰值加速度），g；T0為規定的時間；T1為施加的時間。

式(4)—(5)是線性疲勞損傷累積的簡化表達式。指數是材料常量，給出的值適用于航空電子裝備。導彈試驗大綱使用的指數值為 1/3.25～1/6.6，航天器試驗大綱有時使用1/2，多數材料的指數取1/6～1/6.5。指數值的變化范圍與所要求的保守程度以及材料特性有關。必要時應根據具體材料的疲勞數據（S/N曲線）進行分析。

3.3 溫度循環加速因子的確定

由JEDES標準JESD94A可知，溫度循環的加速因子符合Norris-Landzberg模型：

式中：ΔT1為加速應力溫度循環的變化范圍；ΔT2為使用溫度循環變化范圍；v1為使用時溫度循環的溫變率；v2為加速時溫度循環的溫變率；Tmax1、Tmax2分別為兩種溫度循環中的最高溫度。

3.4 故障時間的確定

制定的加速可靠性試驗方案與可靠性鑒定試驗方案之間的故障時間折合因子為：

加速可靠性驗證試驗中出現故障的時間折合到可靠性鑒定試驗剖面下為：

4 地面雷達可靠性加速試驗方案設計

地面雷達由雷達主機、AC-DC電源、座體和支架、處理終端和顯控軟件五部分組成，主要用于固定場景（鐵塔架設等）。其可靠性指標MTBF值不低于1000 h，即θ1=1000 h。鑒定試驗采用GJB 899A—2009中的定時截尾試驗方案 21號。方案參數詳見表1，可靠性鑒定試驗剖面見圖2。

表1 試驗方案參數Tab.1 Test program parameters

總有效試驗時間是指所有被試品承受試驗應力的累積時間，用被試品試驗累積的臺時數表示。

根據選定的試驗方案，本次鑒定試驗的總有效試驗時間為：

圖2 雷達可靠性鑒定試驗剖面Fig.2 Reliability evaluation test profile of radar

雷達的發射分機是薄弱環節，自身功耗較大，因此高溫對其影響較大，整個可靠性試驗剖面高溫時間約為持續時間的一半。發射分機的主要元件包括電阻、電容、電感、集成電路等，電子元件的失效率與元件的工作溫度有關。美國軍用手冊《HandBook of 217Plus Reliability Prediction models》給出了不同元件的溫度激活能。如集成電路的溫度激活能為0.8 eV，陶瓷電容、二極管為0.3 eV，電阻的激活能為 0.2 eV，電感激活能為 0.47 eV。法國 FIDES《Reliability Methodology for Electronic Systems》給出了不同元件的溫度應力的激活能，如集成電路、二極管、電感、微波器件等激活能為0.7 eV，鋁電容的激活能為0.4 eV、電阻的激活能為0.15 eV，電壓轉換器的激活能為0.44 eV，光耦、DIP插座、開關、繼電器等的激活能為 0.25 eV。我國 GJB/Z 299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》給出了不同元件的溫度應力系數，具體見表2。