機(jī)載電子設(shè)備故障模式及預(yù)防排除研究

朱慶彪

摘要：以“更貼近實(shí)戰(zhàn)”為基本出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合典型數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了機(jī)載電子設(shè)備的主要故障模式，并結(jié)合修理經(jīng)驗(yàn)制定了相應(yīng)的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)載電子設(shè)備；故障模式；預(yù)防和排除

Keywords：airborne electronic equipment；fault mode；prevention and elimination

為準(zhǔn)確把握當(dāng)前機(jī)載電子設(shè)備的作戰(zhàn)使用要求，摸清產(chǎn)品損傷和故障的變化規(guī)律，及時(shí)完善產(chǎn)品修理的符合性、可靠性，充分發(fā)揮修理經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，本文研究分析了當(dāng)前機(jī)載電子設(shè)備的主要故障模式，制定了相應(yīng)的預(yù)防排除措施，以保證機(jī)載電子設(shè)備的可靠性滿足高強(qiáng)度的作訓(xùn)使用要求。

1 當(dāng)前機(jī)載電子設(shè)備的使用環(huán)境

當(dāng)前實(shí)戰(zhàn)化、大機(jī)動(dòng)、高過(guò)載的載機(jī)環(huán)境更加貼近實(shí)戰(zhàn)需求，機(jī)載電子設(shè)備的使用強(qiáng)度大幅提升，主要體現(xiàn)為三個(gè)方面。一是部隊(duì)為迅速提升作戰(zhàn)能力，飛機(jī)的飛行日天數(shù)以及當(dāng)日的飛行批次同步增多，總飛行小時(shí)大幅增加，導(dǎo)致機(jī)載電子設(shè)備的持續(xù)工作時(shí)間更長(zhǎng)；二是對(duì)武器裝備的充分使用，空中大角度變向、急速爬升、橫滾等大過(guò)載機(jī)動(dòng)逐漸增多，飛行員及裝備所承受的過(guò)載系數(shù)明顯變大，使機(jī)載電子設(shè)備的工作環(huán)境更加惡劣；三是堅(jiān)持以戰(zhàn)為本，注重機(jī)載電子設(shè)備作戰(zhàn)性能的發(fā)揮，各項(xiàng)訓(xùn)練的側(cè)重點(diǎn)朝著作戰(zhàn)實(shí)用逐步深入，對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的操作使用更加頻繁，這導(dǎo)致存在更多不確定因素，包括未知的故障、缺陷等，可能影響任務(wù)達(dá)成甚至飛行安全。

2 機(jī)載電子設(shè)備主要故障模式

為深入研究機(jī)載電子設(shè)備的故障模式，結(jié)合載機(jī)使用環(huán)境，以某型飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備為研究樣本，選取發(fā)射單元、天線座、正前方控制板和低功率射頻單元等4項(xiàng)當(dāng)前故障率較高的產(chǎn)品作為典型代表。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，所選取的4項(xiàng)典型產(chǎn)品近年來(lái)外場(chǎng)故障總數(shù)呈顯著遞增趨勢(shì)。

2.1 隨時(shí)間加速損耗所致的電子電路故障

1）故障對(duì)象

故障對(duì)象是機(jī)載電子設(shè)備中的功率類電子元器件，如發(fā)射單元中行波管類的微波器件、低功率射頻單元中電源模塊類的電路板件以及顯示類產(chǎn)品中背光燈管類的光源器件等。

2）故障失效分析

計(jì)算電子元器件的可靠性指從開始運(yùn)行（t=0）到某時(shí)刻t的一段時(shí)間內(nèi)能正常運(yùn)行的概率，用R（t）表示。失效率指單位時(shí)間內(nèi)失效的元件數(shù)與元件總數(shù)的比例，以λ表示，e是常數(shù)2.71828182846，當(dāng)λ為常數(shù)時(shí)，可靠性與失效率的關(guān)系為：

R（t）=e-λt

兩次故障之間系統(tǒng)能正常工作的時(shí)間的平均值稱為平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）。

統(tǒng)計(jì)表明，電子元器件的故障失效模型表現(xiàn)為類浴盆曲線（見圖1），其失效率隨時(shí)間的變化大致分為三個(gè)階段：第一階段是早期失效期，表明產(chǎn)品在剛開始使用時(shí)失效率很高，但隨著產(chǎn)品工作時(shí)間的增加失效率迅速降低，這一階段失效的原因多由設(shè)計(jì)、原材料和制造過(guò)程中的缺陷造成；第二階段是偶然失效期，也稱隨機(jī)失效期，特點(diǎn)是失效率不高且較穩(wěn)定，偶然失效一般由質(zhì)量缺陷、材料弱點(diǎn)、環(huán)境和使用不當(dāng)?shù)纫蛩匾穑坏谌A段是耗損失效期，該階段的失效率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而急速增加，失效原因包括磨損、疲勞、老化和耗損等。

3）故障機(jī)理

隨著機(jī)載電子設(shè)備工作時(shí)間的增加，內(nèi)部電子元器件使用壽命（A點(diǎn)→B點(diǎn)）損耗加大，快速老化，提前進(jìn)入第三階段耗損失效期，且失效率迅速上升并超過(guò)規(guī)定值，導(dǎo)致機(jī)載電子設(shè)備性能持續(xù)下降，使用壽命大幅縮短，直至產(chǎn)品故障失效。

4）易故障產(chǎn)品

發(fā)射單元是決定脈沖雷達(dá)探測(cè)性能好壞的典型產(chǎn)品，故障率高，主要故障器件為行波管。隨著行波管工作小時(shí)的增加，功率輸出將逐步降低或直接故障而無(wú)功率輸出，導(dǎo)致雷達(dá)性能快速劣化或失效報(bào)故。

低功率射頻單元是機(jī)載電子設(shè)備中典型的模塊化電路產(chǎn)品，內(nèi)含大量的電子元器件，如半導(dǎo)體器件、電容、電阻、繼電器等，是目前電抗系統(tǒng)中故障率最高的產(chǎn)品，主要故障部位為內(nèi)部電源模塊。隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，內(nèi)部電源模塊的各類電子元器件會(huì)加速老化或失效，導(dǎo)致產(chǎn)品故障率持續(xù)上升。

2.2 由大機(jī)動(dòng)振動(dòng)沖擊所導(dǎo)致的連接件故障

1）故障對(duì)象

故障對(duì)象是機(jī)載電子設(shè)備中帶有接口導(dǎo)通功能的連接器件，如發(fā)射單元液冷接頭類的管路連接器件，以及天線座中電纜、插頭類的電連接器件等。

2）振動(dòng)疲勞分析

3）故障機(jī)理

大機(jī)動(dòng)飛行中，更大的飛行過(guò)載會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的振動(dòng)（RMS值更高），所產(chǎn)生的應(yīng)力系數(shù)也更大，導(dǎo)致連接件的疲勞強(qiáng)度更容易遭到破壞，出現(xiàn)松動(dòng)、斷裂、破損、短路等功能失效現(xiàn)象。該故障是當(dāng)前外場(chǎng)的高發(fā)故障，且不易發(fā)現(xiàn)，影響對(duì)產(chǎn)品整體性能的判斷及故障定位。

4）易故障產(chǎn)品

天線座是典型的機(jī)電類產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，外場(chǎng)發(fā)生的故障中電纜故障占比最高，有時(shí)在空中也會(huì)出現(xiàn)因天線響應(yīng)不及時(shí)而丟目標(biāo)的現(xiàn)象。飛行過(guò)載的加大對(duì)機(jī)載電子設(shè)備連接件的功能損傷影響很大，原因是大機(jī)動(dòng)飛行中所產(chǎn)生的高強(qiáng)度振動(dòng)沖擊，需要引起高度重視。

2.3 因操作使用率變高所導(dǎo)致的機(jī)械結(jié)構(gòu)件故障

1）故障對(duì)象

故障對(duì)象是機(jī)載電子設(shè)備中帶有機(jī)械運(yùn)作特性的結(jié)構(gòu)組件，如正前方控制板中按鍵、旋鈕類的控制器件以及天線中齒輪、電機(jī)類的傳動(dòng)組件等。

2）機(jī)械磨損分析

一是針對(duì)齒輪類零件的機(jī)械磨損，磨損量與時(shí)間的典型線性關(guān)系曲線如圖2所示，分為三個(gè)階段：第一階段是磨合階段，出現(xiàn)在齒輪剛開始工作的時(shí)期，齒輪表面材料的磨損量隨著時(shí)間的變長(zhǎng)慢慢達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值；第二階段是穩(wěn)定磨損階段，為齒輪的正常工作階段，這個(gè)階段的磨損量變化較小；第三階段為急劇磨損階段，為齒輪工作的后期，齒輪的材料磨損量隨著時(shí)間變化迅速升高，工作環(huán)境迅速惡化，直至故障失效。

二是針對(duì)按鍵、旋鈕類零件的可靠性，一般在出廠時(shí)就設(shè)定了使用壽命（如按鍵次數(shù)可達(dá)百萬(wàn)次以上等），但除了正常的受力磨損外，內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在著材料氧化、彈簧失效等因素，隨著使用次數(shù)/年限的增加以及外部環(huán)境的變化，隨時(shí)可能導(dǎo)致故障發(fā)生，屬于正常易耗品。

3）故障機(jī)理

全面的飛行訓(xùn)練使飛行員對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的操控更頻繁。例如，雷達(dá)開機(jī)次數(shù)增多，天線的掃描作用致其傳動(dòng)齒輪不斷產(chǎn)生機(jī)械磨損，同時(shí)顆粒物的逐漸進(jìn)入也將加劇磨損，直至出現(xiàn)損壞、異常現(xiàn)象。另外，按鍵、按鈕的人為使用頻率增加也加速了這類器件的結(jié)構(gòu)損壞。

4）易故障產(chǎn)品

正前方控制板是機(jī)載電子設(shè)備中典型的座艙件之一，具備顯示、按鍵、旋鈕等功能，其故障多為內(nèi)部模塊故障，但按鍵故障也時(shí)有發(fā)生，如彈簧機(jī)械性能失效導(dǎo)致按鍵卡滯等。簡(jiǎn)單控制類器件的故障隨著訓(xùn)練強(qiáng)度的加大而逐漸增加，齒輪類機(jī)件雖存在穩(wěn)定磨損階段，但隨著使用量的增大，一旦跨過(guò)此階段將產(chǎn)生急劇磨損，直接影響正常工作。這類故障將是今后機(jī)載電子設(shè)備中的不穩(wěn)定故障之一，需要采取必要的檢查措施，加強(qiáng)控制。

3 預(yù)防排除研究

針對(duì)當(dāng)前機(jī)載電子設(shè)備的主要故障模式，研究制定相應(yīng)的預(yù)防排除措施。

1）深化對(duì)電子元器件的預(yù)防性檢查

強(qiáng)化深修精修理念，重點(diǎn)分析機(jī)載電子設(shè)備所涉及各類電子元器件的失效機(jī)理，掌握易失效電子元器件的失效時(shí)間以及失效環(huán)境，按照對(duì)產(chǎn)品的性能影響，形成失效等級(jí)，作為各產(chǎn)品的壽命件控制。在產(chǎn)品修理中，加強(qiáng)對(duì)微波器件的老煉措施，結(jié)合實(shí)際的外場(chǎng)使用環(huán)境，有針對(duì)性地對(duì)長(zhǎng)時(shí)間工作易失效的電子元器件進(jìn)行預(yù)防性更換以及“三防”處理，保證產(chǎn)品工作性能穩(wěn)定。

2）加強(qiáng)對(duì)連接器件的檢查與更換

充分重視機(jī)載電子設(shè)備各型連接器件因長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)產(chǎn)生松動(dòng)、斷裂、破損、短路等現(xiàn)象，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，這些現(xiàn)象在修理中容易被忽視，但卻是導(dǎo)致整機(jī)故障的直接因素。在修理中，對(duì)線纜、插頭等電連接器件，除了要檢查通斷、絕緣屏蔽等電性能外，還要針對(duì)插針、插頭等接口連接處加強(qiáng)磨損、彎曲、卡滯等影響連接性的物理檢查，并規(guī)定正確的安裝、緊固方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換異常或損壞的電連接器件；對(duì)液冷管、導(dǎo)管等管路連接器件，加強(qiáng)對(duì)物理?yè)p傷的預(yù)防性檢測(cè)，確保產(chǎn)品工作安全可靠。

3）強(qiáng)化對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件的修理管控

修理中對(duì)按鍵、旋鈕等控制器件加強(qiáng)旋轉(zhuǎn)、撥動(dòng)、按壓等導(dǎo)通/復(fù)位功能檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換內(nèi)部彈簧、開關(guān)等易失效器件；對(duì)齒輪、電機(jī)等傳動(dòng)組件，加強(qiáng)機(jī)械磨損及傳動(dòng)流暢性檢查，及時(shí)調(diào)整磨合或更換損壞器件，防止故障的進(jìn)一步發(fā)生。

4）提高現(xiàn)行環(huán)境試驗(yàn)的真實(shí)作用效果

為更加貼近實(shí)際，降低環(huán)境因素影響，有效判定機(jī)載電子設(shè)備可靠性，除及時(shí)更新現(xiàn)行環(huán)境試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)外，可同時(shí)進(jìn)行部分高低溫與振動(dòng)試驗(yàn)，并針對(duì)產(chǎn)品故障增加高空低氣壓、濕熱環(huán)境的模擬試驗(yàn)，以保證產(chǎn)品可靠性。

4 總結(jié)

本文對(duì)典型產(chǎn)品的外場(chǎng)故障進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析了當(dāng)前主要故障模式，并結(jié)合自身修理經(jīng)驗(yàn)制定了符合實(shí)際需求的預(yù)防保障技術(shù)措施。由于機(jī)載電子設(shè)備的故障存在諸多未知因素，還需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索進(jìn)一步深入研究探討。

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