舵機加速退化試驗可行性研究

范志鋒,趙鐵山,齊杏林

(1.綠色風機制造湖北省協同創新中心， 武漢 430065; 2.武昌工學院， 武漢 430065; 3.浙江省科技廳， 杭州 310007; 4.陸軍工程大學石家莊校區， 石家莊 050003)

1 引言

舵機是炮射導彈的核心部件之一，是性能的好壞是決定炮射導彈能否命中目標的關鍵因素。在長期儲存過程中，受環境應力的影響，舵機的性能參數會發生變化。當舵機的性能參數不滿足規定指標時，認為舵機已經失效，無法滿足使用要求。準確確定舵機的可靠儲存壽命，是開展炮射導彈質量監測工作的重要環節。確定舵機的儲存壽命，最科學的方法是開展自然儲存試驗，將舵機放在自然環境下進行儲存，然后進行測試，根據測試結果，確定其儲存壽命。但自然儲存試驗時間周期長、樣本量大、費用高，可操作性不強。傳統的加速壽命試驗是計數型試驗，在試驗過程中，需要統計失效樣品的個數，相對于自然儲存試驗相比，在一定程度上縮短了試驗時間、減小了樣本量和試驗費用。但對于高價值彈藥部件來說，開展加速壽命試驗，樣本量偏大、費用較高，同時若被試部件在規定的試驗時間沒有出現失效，則難以進行壽命評估。

加速退化試驗是20世紀80年代開展研究的新型壽命試驗方法。該方法是在失效機理不變的情況下，通過高應力水平來加速產品性能退化，利用高應力水平下的性能退化數據來估計產品在正常使用應力下的可靠性特征。與自然儲存試驗和傳統的加速壽命試驗相比，加速退化試驗能夠大大縮短試驗周期、減小樣本量和試驗費用。針對長期儲存一次使用的彈藥產品，部分學者開展了加速退化試驗的研究工作。ZHANG X G等開展了某彈藥部件內光電耦合器失效機理驗證試驗，得到了其壽命分布函數的參數，為加速退化試驗的優化設計奠定了技術基礎。YANG C Q等開展了彈藥用彈簧的恒應力加速退化試驗，獲得了彈簧的性能退化數據，為彈藥維修提供了理論依據。JABLONSKI M N等對彈藥用鋰電池進行了破壞性的加速退化實驗，評估了不同存儲溫度和存儲時間的幾種不同電池的預期壽命。孫麗對彈藥中具有退化特征的零部件開展了加速退化試驗，并結合自然長期儲存數據，建立了基于隨機過程的彈藥退化模型。葉朋峰對彈藥用O型密封圈開展了加速退化試驗，建立了退化軌跡方程，并預測了其儲存壽命。吳英偉等對彈藥中的引信電子部件開展了加速退化試驗，對其中的易發生退化或失效的元器件進行了定位。

受試驗條件限制，本文以經歷過自然儲存的2發某炮射導彈為研究對象，對其中的舵機開展加速退化摸底試驗，探討舵機加速退化試驗的可行性，為進一步基于加速退化試驗開展舵機的儲存壽命評估提供科學依據。

2 舵機加速退化摸底試驗方案設計

2.1 試驗應力及應力施加方法

通常情況下，影響舵機性能的環境因素有溫度、濕度、機械振動、大氣壓力、沙塵、鹽霧等。本文研究的舵機處于密封包裝狀態炮射導彈的內部，而且炮射導彈基本處于庫房儲存狀態。因此，在長期儲存過程中，可以忽略濕度、機械振動、大氣壓力、沙塵、鹽霧等環境因素對舵機性能的影響，主要考慮庫房晝夜溫差、四季變化溫差對舵機性能的影響。因此舵機的加速退化試驗選擇溫度作為試驗應力。

與加速壽命試驗類似，加速退化試驗的應力加載方法包括恒定應力、步進應力和序進應力3種。恒定應力加速退化試驗因為方法簡單，工程上經常采用，但是試驗周期偏長，需要的樣本量也較多。序進應力加速退化試驗周期最短，效率最高，但是試驗過程難以控制，試驗條件最高。考慮到試驗時間、試驗條件的限制，故對舵機開展步進應力加速退化試驗。

舵機的實際允許使用溫度范圍為-40 ℃～50 ℃，在出廠前已經進行了60 ℃高溫儲存試驗。因此，在進行溫度步進應力加速退化試驗時，起始溫度應力設置為60℃。為保證失效機理的一致性，最高溫度應力參照彈藥加速壽命試驗的最高溫度應力來確定，即最高溫度應力設置為80 ℃。若選擇4個應力水平進行加速退化試驗，按照等間隔原則，其他2個溫度應力分別設置為67 ℃和74 ℃。

2.2 試驗時間

試驗時間包括總試驗時間和各溫度應力水平下的試驗時間。

參考彈藥加速壽命試驗，舵機的加速退化試驗總時間按照戰術技術指標規定的儲存壽命值的1/20至1/40確定。鑒于被試炮射導彈已經經歷了自然儲存，其剩余設計儲存壽命為1年，所以，試驗總時間為：

式中：為1年，取365 d。

由于試驗總時間是在保守估計舵機剩余壽命的前提下確定的，取較大值能更完整地觀察樣本性能參數的退化趨勢，所以應取最大值。本實驗實際的總時間為450 h。

2.3 檢測

為準確獲得舵機的性能參數退化趨勢，應在各個溫度應力水平下對舵機進行多次檢測。

舵機中電位器和電刷是控制舵片偏轉的關鍵零件。工作狀態時，電刷與電位器會磨擦劇烈，所以對舵機進行檢測時，會消耗一定的工作壽命。

考慮以上因素，參照彈藥加速壽命試驗檢測點的選取方法，確定在每個應力階段均勻選定5個檢測點，即在第一個應力階段每隔36 h檢測一次，第二個應力階段每隔27 h檢測一次，第三個應力階段每隔18 h檢測一次，第四個應力階段每隔9 h檢測一次。單次檢測時間為2 h。

每次對舵機進行檢測時，從試驗箱中取出樣本后，為使其性能穩定，應在常溫下放置2 h。

上述舵機檢測時間和常溫放置時間不計入試驗總時間。

舵機由舵機檢測試驗臺自動檢測，其檢測項目及技術參數如表1所示。

表1 舵機檢測項目及技術參數Table 1 Testing items and technical specification value of steering engine

3 舵機加速退化摸底試驗及結果分析

3.1 試驗結果

選擇2個經歷過自然儲存的舵機按照本文給出的試驗方案開展了加速退化摸底試驗。

從試驗過程中對舵機的檢測數據來看，7個檢測項目中，除了正、負消耗電流隨時間增加表現出明顯的變化趨勢外，其他5個檢測項目均無明顯變化。因此，可以認為正、負消耗電流為舵機的退化敏感參數。

根據檢測結果，畫出2個舵機正、負消耗電流的折線如圖1、圖2。

圖1 1#舵機消耗電流折線Fig.1 Broken-line graph of 1# steering engine consumptive current

圖2 2#舵機消耗電流折線Fig.2 Broken-line graph of 2# steering engine consumptive current

另外，對比出廠交驗時的檢測數據，開展加速退化試驗前，對1#舵機檢測發現，正消耗電流減小28.95 mA，負消耗電流減小23.26 mA；2#舵機正消耗電流減小28.03 mA，負消耗電流減小9.05 mA。說明在自然儲存過程中，消耗電流隨著儲存時間增加而減小。進一步驗證了正、負消耗電流為舵機的退化敏感參數。

3.2 退化原因

從圖1、圖2中可以看出，2個舵機的正、負消耗電流都隨著試驗時間增加而逐漸減小，表現出不同程度的性能退化。在測試電壓不變的情況下，電流與電阻成反比，因此，舵機電路的等效電阻隨時間增加而逐漸增大。

舵機電路主要由3部分組成，即電磁鐵繞組、電位器繞組和舵機放大器。舵機的電路示意圖如圖3。

圖3 舵機電路示意圖Fig.3 Schematic diagram of steering engine circuit

從圖3可以看出，舵機電路中任一部分的等效電阻增大都會導致舵機消耗電流減小。

實際上，每個電磁閥繞組的阻在126～138 Ω之間，4個繞組為分路并聯關系，舵機工作時只有一對電磁閥接入電路，因此繞組總電阻在63～69 Ω之間。額定電壓±12.6 V，正消耗電流閾值為400～530 mA，相當于整個舵機電路等效電阻為47.55～63 Ω，電位器有效電阻450±100 Ω，舵機放大器等效電阻大約400 Ω。由此可見4個繞組電阻相對較小，消耗了大部分電流，消耗電流的退化就反映為繞組阻值的退化。

試驗結束后，對舵機電磁閥進行繞組阻值檢測，檢測結果如表2。

表2 電磁閥繞組阻值(Ω)Table 2 Resistance value of solenoid valve winding

2#樣品中有一個電磁閥繞組阻值139.14 Ω超出了閾值上限138 Ω，1#樣品4個電磁閥繞組阻值均偏大，其中一個電磁閥繞組阻值136.85 Ω接近閾值上限，可見消耗電流減小的主要原因就在于電磁閥繞組阻值增大。

3.3 退化機理

在長期儲存中，舵機電磁閥繞組在溫度應力的作用下，金屬線芯或結合部位會出現周期性的拉伸和收縮，產生蠕變現象。

蠕變是金屬在應力長期作用下發生塑性變形的現象。電磁閥繞組所用材料為聚酰亞胺漆包圓銅線，聚酰亞胺具有優良的機械性能和溫度穩定性，其抗拉強度在100 MPa以上，熱分解溫度為600 ℃，熱膨脹系數為2×10～3×10℃，所以塑性變形發生的部位是繞組與外電路結合的部位，絕緣漆涂層較薄，銅材質抗蠕變性差，與絕緣漆界面容易發生分層。

金屬的蠕變量與時間、應力和溫度有關，如式(1)所示。

()=exp(-)

(1)

式中:為蠕變量；為材料結構常數；為蠕變時間；為作用應力；為應力指數；為蠕變激活能；為氣態常數，8314 5 J·mol·K；為絕對溫度。

當較大，溫度越高時，蠕變量越大。導致結合部位銅絲變長，電阻變大。

因此，在步進應力加速退化試驗過程中，電磁閥繞組阻值增大的原因是在溫度應力作用下電磁閥繞組與外電路結合部位銅線芯產生蠕變。這與舵機實際儲存狀態下的退化機理一致。

4 結論

1) 對2個舵機樣品開展溫度步進應力加速退化試驗，發現各個溫度應力水平下，舵機的正、負消耗電流隨時間增加而減小。

2) 舵機正、負消耗電流減小的主要原因為電磁閥繞組阻值增大。

3) 無論是常溫下長期儲存，還是在加速退化試驗條件下，舵機電磁閥繞組的蠕變導致阻值增大。舵機加速退化試驗的退化機理與常溫退化機理一致。

4) 下一步要在合理確定試驗樣本量的基礎上，根據本文給出的試驗方法，對舵機進行步進溫度應力加速退化試驗，開展舵機的儲存壽命評估。