航空裝備電子部組件整機(jī)貯存延壽評(píng)估方法研究

程遠(yuǎn)方，李 榮，王廣昊，王永東

（1.中國(guó)人民解放軍第五七一五工廠，河南 洛陽 471000；2.中國(guó)人民解放軍93128部隊(duì)，北京 100843；3.中國(guó)人民解放軍93131部隊(duì)，北京 100843）

貯存壽命為產(chǎn)品在規(guī)定的貯存條件下能夠滿足規(guī)定要求的時(shí)間長(zhǎng)度[1]。空空導(dǎo)彈作為“長(zhǎng)期貯存、一次使用”的裝備，貯存在整個(gè)壽命周期中占據(jù)極大比重。為了保證裝備的有效性，各國(guó)普遍對(duì)裝備進(jìn)行定壽和延壽。在研制階段確定裝備維持較高完好率的貯存壽命，在貯存壽命即將結(jié)束時(shí)，通過一定的手段對(duì)裝備性能進(jìn)行評(píng)估，并加入維修、更新等環(huán)節(jié)，延長(zhǎng)裝備壽命。貯存壽命評(píng)估在實(shí)現(xiàn)航空裝備“合理定壽、科學(xué)延壽”、保證裝備戰(zhàn)備完好率方面具有重大意義。

目前，貯存壽命評(píng)估主要分為現(xiàn)場(chǎng)貯存壽命評(píng)估和加速試驗(yàn)壽命評(píng)估2種方法[2-4]。現(xiàn)場(chǎng)貯存壽命評(píng)估方法是在典型的自然環(huán)境下長(zhǎng)期貯存，監(jiān)測(cè)裝備性能指標(biāo)的變化，根據(jù)一定的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)來確定貯存壽命，但該方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)。加速試驗(yàn)壽命評(píng)估方法是通過提高產(chǎn)品的試驗(yàn)應(yīng)力，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，估算正常應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命。因此，加速試驗(yàn)提供了一條快速實(shí)現(xiàn)貯存壽命評(píng)估的途徑。

1 整機(jī)加速貯存壽命評(píng)估方法

目前加速試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用研究大多是針對(duì)元器件、材料等產(chǎn)品[5-7]，對(duì)整個(gè)裝備的貯存壽命評(píng)估有限。21世紀(jì)后，李久祥和多位貯存可靠性專家開始探討整機(jī)加速試驗(yàn)[8]。其中李久祥在對(duì)擺動(dòng)噴管電液位置伺服系統(tǒng)貯存壽命進(jìn)行評(píng)估的過程中，通過分析整機(jī)貯存的薄弱環(huán)節(jié)，確定整機(jī)加速貯存試驗(yàn)的加速應(yīng)力、特性指標(biāo)臨界值和試驗(yàn)方法，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了加速貯存壽命試驗(yàn)。

整機(jī)產(chǎn)品加速貯存壽命評(píng)估一般有以下3種思路。

1.1 轉(zhuǎn)化法

產(chǎn)品貯存壽命取決于其中易失效件的可靠貯存壽命。因此，可以找出薄弱環(huán)節(jié)，將其加速貯存壽命轉(zhuǎn)化為整機(jī)產(chǎn)品的加速貯存壽命。

1.2 性能參數(shù)退化法

通過系統(tǒng)主要性能參數(shù)隨應(yīng)力、時(shí)間的變化情況，建立退化模型對(duì)其壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

由于產(chǎn)品發(fā)生故障的可能性與性能參數(shù)退化的過程相關(guān)。通過某些性能參數(shù)的退化數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)品的貯存壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而可以不使用失效數(shù)據(jù)，只利用退化數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評(píng)定。

1.3 可靠性增長(zhǎng)理論

將加速壽命試驗(yàn)視為可靠性的“負(fù)增長(zhǎng)試驗(yàn)”，將可靠性增長(zhǎng)理論和分析方法應(yīng)用到加速壽命試驗(yàn)中，但這種方法在理論上的可行性有待進(jìn)一步研究。

目前加速試驗(yàn)技術(shù)的理論及應(yīng)用分析了整機(jī)壽命評(píng)估的發(fā)展方向，本文運(yùn)用加速因子評(píng)估法和布朗漂移模型評(píng)估法，對(duì)某型空空導(dǎo)彈電子部組件的貯存壽命進(jìn)行了評(píng)估。

2 某裝備電子部組件貯存壽命評(píng)估方法

2.1 貯存加速對(duì)象選取

某裝備電子部組件貯存延壽研究對(duì)象主要是裝備中可以通過檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的關(guān)鍵的或薄弱的電子部組件。

某型裝備由主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭艙、多功能設(shè)備艙、戰(zhàn)斗部艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、舵機(jī)艙5個(gè)艙段組成。其中電子艙段包括主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭艙、多功能設(shè)備艙、舵機(jī)艙，這3個(gè)電子艙段均可檢測(cè)，且均為關(guān)鍵艙段。

根據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭艙以及多功能設(shè)備艙中的7類電子部件，在修理中故障頻次較高，屬于薄弱的電子部件。

因此，某型裝備電子部組件貯存延壽研究對(duì)象分為電子艙段和電子部件2個(gè)層次，某型裝備電子部組件貯存延壽研究對(duì)象層次關(guān)系如圖1所示。

圖1 某型裝備電子部組件貯存延壽研究對(duì)象層次關(guān)系

2.2 電子部組件貯存壽命評(píng)估方案

裝備電子部組件貯存延壽研究的工作重點(diǎn)是掌握電子部組件貯存可靠性變化規(guī)律，確定電子部組件的貯存壽命影響因素，評(píng)估裝備電子部組件的貯存壽命，確定貯存薄弱環(huán)節(jié)，提出相應(yīng)的維修建議，為導(dǎo)彈延壽提供支持。貯存壽命主要評(píng)估方法如下。

（1）電子艙段貯存加速壽命試驗(yàn)。通過電子艙段貯存加速壽命試驗(yàn)，對(duì)電子艙段實(shí)際貯存環(huán)境進(jìn)行加速模擬，使試驗(yàn)樣品等效加速貯存至期望目標(biāo)年限，根據(jù)試驗(yàn)中的故障情況掌握電子艙段在貯存至期望目標(biāo)年限內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)。

（2）電子部件貯存加速退化試驗(yàn)。通過電子部件貯存加速退化試驗(yàn)，對(duì)7類薄弱電子部件加深考察深度，進(jìn)一步掌握該7類電子部件在貯存至期望目標(biāo)年限內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)。

（3）電子艙段環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)。為保證電子部組件在期望目標(biāo)年限內(nèi)具備基本的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)在加速壽命試驗(yàn)中等效貯存至期望目標(biāo)年限的電子艙段開展環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)，考核其具備基本的環(huán)境適應(yīng)性。

（4）電子部組件貯存壽命綜合分析。在電子艙段貯存加速壽命試驗(yàn)結(jié)果、電子部件貯存加速退化試驗(yàn)結(jié)果、電子艙段環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，開展電子部組件貯存壽命綜合分析，確定電子部組件的貯存壽命、貯存薄弱環(huán)節(jié)并提出相應(yīng)的維修建議。

通過以上各部分研究工作，尋找電子部組件的貯存薄弱環(huán)節(jié)；確定電子部組件能否滿足等效貯存至期望目標(biāo)年限的壽命要求，為電子部組件的貯存、使用、維護(hù)、修理、定延壽研究和工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2.3 電子部組件貯存加速試驗(yàn)方法

2.3.1 電子艙段貯存加速壽命試驗(yàn)

通過對(duì)電子艙段，采用基于應(yīng)力分析的加速因子評(píng)估方法，評(píng)估整個(gè)電子艙段在加速應(yīng)力下相對(duì)于實(shí)際貯存條件的加速因子，依據(jù)樣品貯存歷史計(jì)算出在加速試驗(yàn)條件下達(dá)到等效貯存至期望目標(biāo)年限對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間，通過加速壽命試驗(yàn)評(píng)估電子艙段整體的壽命是否滿足等效貯存至期望目標(biāo)年限的要求，并尋找電子艙段存在的薄弱環(huán)節(jié)，采取必要的措施以滿足延壽修理后等效貯存至期望目標(biāo)年限的要求。

采用基于應(yīng)力分析與阿倫尼斯相結(jié)合的模型評(píng)估電子艙段的加速因子，加速因子的計(jì)算步驟如下。

（1）建立電子艙段的層次關(guān)系，梳理元器件清單，對(duì)元器件進(jìn)行分類，確定各類元器件在常溫應(yīng)力下的失效率。

（2）采用基于應(yīng)力分析的方法和阿倫尼斯模型計(jì)算各類元器件在加速溫度應(yīng)力下的失效率。

（3）綜合計(jì)算出的電子艙段的各型元器件在常溫下和加速溫度下的失效率，計(jì)算出電子艙段的加速因子。

加速因子確定流程如圖2所示。

圖2 加速因子確定流程

2.3.2 電子部件貯存加速退化試驗(yàn)

在貯存加速退化試驗(yàn)中，定期檢測(cè)各個(gè)電子部件的主要性能參數(shù)，獲得在各個(gè)試驗(yàn)應(yīng)力水平下各個(gè)電子部件性能參數(shù)變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)在等效貯存條件下各個(gè)電子部件的主要性能參數(shù)的超差時(shí)間。

貯存加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理優(yōu)先采用布朗漂移運(yùn)動(dòng)模型；當(dāng)不符合布朗漂移運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，采用基于應(yīng)力分析的方法預(yù)估電子部件的加速系數(shù)。

（1）布朗漂移運(yùn)動(dòng)模型

在貯存過程中，電子部件內(nèi)部發(fā)生緩慢的變化，使電子部件的性能參數(shù)發(fā)生變化，隨著變化的加劇，電子部件的性能發(fā)生退化，最終電子部件失效。電子部件的性能退化符合布朗漂移運(yùn)動(dòng)。具體的布朗漂移運(yùn)動(dòng)模型見公式（1），

式中：

Y（t）為t時(shí)刻產(chǎn)品某性能值；

Y（t0）為t0時(shí)刻產(chǎn)品某性能值；

μ為漂移系數(shù)，μ＞0；

σ為擴(kuò)散系數(shù)，σ＞0，σ在整個(gè)加速退化試驗(yàn)中不隨應(yīng)力而改變；

B（t）為標(biāo)準(zhǔn)布朗運(yùn)動(dòng)，B（t）～N（0，t）。

在性能退化的反應(yīng)過程中存在能量勢(shì)壘，環(huán)境應(yīng)力提供跨越這種勢(shì)壘（稱為激活能Ea）所必需的能量，因此，環(huán)境應(yīng)力的大小決定了電子部件內(nèi)部發(fā)生物理化學(xué)變化的速率。越過勢(shì)壘進(jìn)行反應(yīng)的頻數(shù)是按一定概率發(fā)生的，服從玻爾茲曼分布。在貯存環(huán)境下，主要的環(huán)境應(yīng)力是溫度應(yīng)力，反應(yīng)速度與溫度的關(guān)系符合阿倫尼斯（Arrhenius）模型，

式中：

μ

（Tj）為Tj溫度應(yīng)力下的退化速度；

A為頻數(shù)因子；

E a為激活能，以eV為單位；

K為玻爾茲曼常數(shù)。

布朗漂移運(yùn)動(dòng)具有獨(dú)立增量性，屬于馬爾科夫過程，即在非重疊的時(shí)間間隔Δt內(nèi)退化增量相互獨(dú)立。而布朗運(yùn)動(dòng)本身屬于一種正態(tài)過程，其退化增量（Yi-Yi-1）服從均值為μ（Tj）Δt，方差為σ2Δt的正態(tài)分布，結(jié)合式（1）和式（2）得到溫度應(yīng)力模型下的加速退化方程：

（2）加速試驗(yàn)等效貯存時(shí)間估計(jì)

在采用布朗漂移運(yùn)動(dòng)模型對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)后，可計(jì)算出貯存失效首達(dá)時(shí)間，并通過加速模型估計(jì)出加速試驗(yàn)等效貯存時(shí)間。

貯存退化失效首達(dá)時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果：

其中：T為測(cè)試周期；

X為合格判據(jù)值。

在3個(gè)不同應(yīng)力水平下（Tj）預(yù)測(cè)得到3個(gè)貯存退化失效首達(dá)時(shí)間（tj），組成3個(gè)序?qū)（Tj，tj）其中j=1，2，3}，利用阿倫尼斯模型推導(dǎo)可得：

采用最小二乘法可求得參數(shù)A和E a，進(jìn)一步推導(dǎo)可獲得加速因子AF（Tu∶Tj），

其中：

Tu為典型貯存環(huán)境條件下的溫度；

Tj為貯存加速退化試驗(yàn)條件下的溫度，其中j=1，2，3。

因此，在典型貯存環(huán)境條件下的貯存退化首達(dá)時(shí)間預(yù)測(cè)值：

（3）基于應(yīng)力分析加速因子評(píng)估

對(duì)于以下2種情況可采用加速系數(shù)和故障信息評(píng)估貯存壽命信息：a.樣品數(shù)量少于3個(gè)；b.不符合加速退化模型。

2.3.3 電子艙段環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)方法

在電子艙段貯存加速壽命試驗(yàn)中，當(dāng)電子艙段加速試驗(yàn)至等效貯存期望目標(biāo)年限時(shí)，進(jìn)行全面測(cè)試和環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)（高溫工作、低溫工作、功能振動(dòng)、溫度沖擊、低溫低氣壓等），以考核電子艙段在等效貯存至期望目標(biāo)年限的環(huán)境適應(yīng)性。

2.3.4 貯存壽命綜合分析

在電子部組件貯存加速試驗(yàn)、電子艙段環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)等3部分工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行綜合分析，評(píng)估裝備電子部組件的貯存壽命。

3 結(jié)論

在對(duì)某型空空導(dǎo)彈電子艙段進(jìn)行貯存延壽研究的過程中，進(jìn)行電子艙段貯存加速壽命試驗(yàn)，利用元器件計(jì)數(shù)法對(duì)電子艙段的可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，計(jì)算其在實(shí)際貯存環(huán)境下和施加一定應(yīng)力水平下的可靠性，計(jì)算采用恒定溫度應(yīng)力下的加速因子，從而將產(chǎn)品在應(yīng)力試驗(yàn)中等效加速貯存到目標(biāo)壽命，判斷貯存延壽的可行性。電子部件貯存加速退化試驗(yàn)中，選取了多個(gè)電子部件的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電子部件由于其復(fù)雜性，關(guān)鍵性能參數(shù)決定于多個(gè)元器件之間的相互作用，未呈現(xiàn)出很好的退化現(xiàn)象，無法對(duì)失效情況進(jìn)行預(yù)估，采用了加速因子評(píng)估方法。

通過以上分析和試驗(yàn)實(shí)施，發(fā)現(xiàn)加速因子評(píng)估法相較于布朗漂移模型評(píng)估法，在進(jìn)行小子樣整機(jī)壽命評(píng)估中具有更好的操作性和可行性。