离心试验在产品可靠性检验中的应用

张 冰，陈立伟，陈永祥，杨 博，冯 伟

（1.北京强度环境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300462）

离心试验在产品可靠性检验中的应用

张 冰1,2，陈立伟1，陈永祥1，杨 博2，冯 伟2

（1.北京强度环境研究所，北京 100076； 2.天津航天瑞莱科技有限公司，天津 300462）

根据离心试验的特点，分析离心试验的失效机理，从而确定离心试验对于在实际使用中经受恒加速度环境的产品在实验室环境中进行考核的必要性。另外，由于离心试验的“无损”特性，认为离心试验作为一种工艺筛选手段对批量产品进行筛选从而在早期剔除存在某些工艺缺陷的产品是非常有效的，因此离心试验与环境应力筛选类似，也可以作为产品出厂可靠性检验的一种筛选方式。

离心试验；失效机理；可靠性检验；无损试验；工艺筛选

引言

20世纪以来，随着航空航天活动的发展和日益频繁，人类终于可以克服地球引力，在大气层内甚至是浩瀚的地外空间任意翱翔，这都是以获得足够的速度为前提条件的。另外，随着军事的不断发展，对战斗机的性能也提出了越来越高的要求，能够完成高难度的机动动作是如今评价一款新研制军机的重要考核指标之一。由经典物理学可知，任何物体从静止到运动，或者使其运动速度在数值上或方向上发生任何改变，都必须获得相应加速度，加速度是航空航天过程中必然遇到的一个重要诱导环境。说它是诱导环境，因为它不像真空、温度等是客观存在着的真实环境，而是由于运动被引发而产生的。加速度将会导致飞行质量产生惯性力，使飞机、航天器和搭载物体出现超重或失重现象。产品性能的优劣，除自身固有的技术先进与否之外，对使用环境的适应能力，在实际使用和运输过程中的可靠性和环境抵御能力是影响产品性能不可忽视的组成部分。为提高产品的技术水平，同时提高其工作可靠性，目前产品的一系列可靠性试验工作已经在各类产品的研制和生产中广泛展开，这其中就包括恒加速度试验。例如，GJB 150、GJB 360、美军标MIL-STD-810F、MIL-STD-202F均把稳态加速度试验作为电子设备重点试验之一。

1 离心试验原理

加速度是一个矢量，它有大小和方向两个要素。严格地说，只有加速度的大小和方向均不发生变化才能称为恒加速度。绝对的恒加速度在工程上是很少有的。但加速度数值大小变化缓慢的直线加速度以及相对产品的方向不变的离心加速度是经常遇到的。

任何一种物体在作圆周运动或曲线运动时都要受到离心力的作用。等速圆周运动产生的恒加速度如图1和图2所示。试验样品装在试验机R处，当离心机转速不变时，试验样品相对地面作等速度圆周运动[2]。

因为ΔOBC～ΔO′ B′ C′，所以

当Δt→0时，Δl≈ΔS，故加速度为

当Δt→0，Δφ→0时，则ΔV⊥V，加速度方向指向旋转轴。

图1 等速圆周运动恒加速度图

图2 速度向量图

2 离心试验失效机理

2.1 失重效应

当物体的加速度方向与重力加速度方向相同时，物体呈现重量减小的现象，称为失重状态。特殊情况，当加速度值也与重力加速度值相等时，物体将失去重力场的作用，称为完全失重状态。

完全失重状态时，物体没有重量，与机体固定连接的产品还能保持相对位置；而靠重力产生摩擦保持相对位置的产品，将在三维空间内处于自由状态，很难再保持其相对位置；靠重力保持液面的液体，液面被破坏，液、气混合成悬浮状态，如油箱中的油；靠重力保持其工作状态、姿态的仪器设备就失去保持工作姿态的依据，如垂直陀螺等；产品处于失重状态，由于重量造成的变形消除了，这时有些产品内部部件之间的相对关系会发生变化；同时，失重状态破坏了散热的重要途径，热气上升、冷气下降的对流散热的效应消失，使发热产品温度升高，导致直流电机碳刷磨损加剧。

2.2 超重效应

当物体的加速度方向与重力加速度方向相反时，物体的重量会增加，称为超重状态。超重状态会给产品带来以下效应[3]：

1）抛射作用。没有约束或弹性约束的产品，会因加速度的作用而相对基座、壳体发生抛射作用，造成很大的相对运动，如炮管中的炮弹和发射架上的火箭。飞机、火箭、车、船体上的物体，非密封容器中的液体、气体，均会因为质量和大加速度的作用产生很大的惯性力，发生抛射作用造成物体抛出。

2）增压作用。密封容器中的液体，会因大的加速度作用使加速度相反方向的压力增加，其增加的压力值等于质量乘以恒加速度的数值。这个压力对电器中低压的供油、冷却等系统影响较大。如果不采取特殊措施，会严重影响其工作性能。

3）增大应变。由于大的恒加速度使得惯性力增加，此力增加会带来产品内部应力增加。某些结构在恒加速度作用下是靠应变力来平衡外力的，其关系式为

式中，k为产品有关部分机械结构的静强度；x为应变，即产品有关部分的相对位移；m为产品有关部分的质量；a为恒加速度。若应力大到超过结构材料的弹性极限，则要发生塑性变形。其应力大到超过材料的断裂强度极限，可能使产品结构发生断裂。

4）增加位移。大的恒加速度会带来大的位移，大的位移可能引起产品工作状态的变化，如继电器的触点之间的相对位移大了就会改变通断状态，造成误动作、失灵；也可能使得其他产品的电气、机械性能超差。对滑动件来说，由于恒加速度作用使得正压力增加，随着正压力增加则摩擦力增加。大的摩擦力增加了活动部分的阻尼，使活动部分的死区增加，当摩擦力大于操作力时，甚至会发生卡死现象，指针式的仪表会因平衡不够好造成错误的指示或导致转轴与指针变形。

3 离心试验在实验室环境试验中的应用

正是由于产品在加速度作用下会出现上述的失重效应和超重效应，因此会对人类的航空航天活动带来一定的危害，从而在实验室环境中，必须对其在经受加速度环境下的性能指标、结构完好性和坠撞安全性进行考核。另一方面，也可以利用其过载效应将其向有利的方向进行引导，使之在检验产品工艺可靠性方面发挥作用。

3.1 性能、结构和坠撞安全试验

GB/T 2423.15规定：“加速度试验用于确定元器件、设备和其他电工电子产品经受稳态加速度环境所产生的力（重力除外），如运行的车辆、空中运载工具、旋转机械和抛射体所产生的力的作用下，结构的适应性和性能是否良好，以及评定一些元器件的结构完好性。”[4]GJB 150.15A规定：“加速度试验的目的在于验证：①装备在结构上能够承受使用环境中由平台加、减速和机

环境适应性和可靠性动引起的稳态惯性载荷能力，以及在这些载荷作用期间和作用后其性能不会降低；②装备承受坠撞惯性过载之后不会发生危险。”[5]综合来看，加速度试验主要从性能、结构和坠撞安全性三个方面考核产品在冲击和振动试验时不一定能检测出的结构和机械的缺陷。

性能试验主要考核、评定产品在承受由使用加速度产生的载荷时以及之后的性能不会降低。其主要验证在加速度环境下，电子线路板的短路和开路、电感和电容值的变化、继电器的断开和吸合、压力和流量调节数值的变化、密封的泄漏、伺服阀滑阀移位引起错误和危险的控制系统响应等对产品性能带来的影响。

结构试验主要验证结构承受由使用加速度产生的载荷的能力。部分产品使用时，在加速度环境条件下并不工作，只是加速度去掉以后才工作，则要求这些产品在经受预期的加速度条件后，其结构不发生变形、断裂、卡死等失效和损伤，环境应力消除后再检查、测量其电气、机械性能。

坠撞安全试验主要验证产品在坠撞加速度作用下不会破裂或不从固定架上脱落。在运载工具紧急着陆、刹车状态时会产生大大超过正常使用时的恒加速度数值。由于产品本身的功用不同，要求其可靠度不同，故对其耐加速度的能力要求也不同。如安全救生系统、灭火系统、故障记录系统就要求在飞机迫降的大恒加速度时，它们的工作必须正常，因为这时正是发挥它们功能的时候，对于这类设备，要模拟坠撞时大加速度条件下的功能适应性试验；装在上述系统附近的产品，在坠撞大加速度作用时可以不工作，结构也允许损伤，但不允许产品上有部件脱落，也不允许有影响附近系统正常工作的大位移；装在乘员仓、室内的其它产品，允许变形、卡死、功能等损坏，只要不发生零、部件脱落导致伤害乘员及阻碍安全救生设备正常工作即可。

3.2 工艺筛选手段

根据材料的应力-应变曲线可知，大部分金属材料，无论是受拉还是受压，只要作用力不超过材料的弹性极限，无论作用时间长短，当外力撤去之后，变形将会完全消失，不会产生残余应变，而只要作用力超过材料的强度极限后，瞬间就可以将材料拉断；同时根据材料的S-N曲线可知，只要最大应力不超过材料的疲劳极限，它们即可经历“无限”次应力循环而不发生疲劳破坏。也就可以得出这样一个结论：结构是否发生破坏，仅与外作用力大小有关，而与作用力的施加时间和次数无关，只要外作用力大小控制在某个范围之内，无论其作用时间长短，也无论其加载次数多少，均不会对结构产生累积损伤。同样，相对于产品大小和方向都不改变的恒定离心加速度试验，其作用效果即为静力施加效果，因此在相同离心应力作用下，结构的失效率与离心应力的施加长短以及施加次数无关。因此，恒定离心加速度试验也可以看作是一种“无损”试验，而非破坏性试验，可以认为离心应力的施加对产品无损伤累积效果，产品不会随着测试时间的加长与次数的增加产生疲劳失效。基于此，可以认为离心试验作为一种环境应力在产品早期故障剔除中激发出潜在的工艺等与产品固有寿命特性无关的缺陷是一种非常合适的筛选手段。

产品存在结构缺陷，一般会出现应力集中现象，应力要比结构完好的产品成倍增加，因此要使其失效的外力水平就比结构完好的产品失效要低得多。因此，要实现对产品在早期缺陷剔除中达到工艺筛选的目的，就要选取合适的筛选应力水平。这个应力水平，应该选在稍高于有缺陷结构的失效能量水平，而又远离完好结构失效时所需的能量水平，这样才能实现“无损”筛选试验的目的。如果确定了合适的加速度水平，离心试验就可以用作生产线上的全数筛选试验，从而检测出和剔除在生产过程中由于材料、工艺、操作及生产工人等与产品固有特性无关的原因造成的任何结构部件机械强度低于标称值的产品，从而降低产品失效率“浴盆”曲线中早期故障发生的概率。

高应力试验也可用作测定封装、内部金属化和引线系统、芯片或封底附着能力及微电子器件其他部件的结构强度极限值。有些密封的微电子元件，如晶体管、集成电路或其他结构坚固的微电子产品，由于它们的内部结构件质量很小，要给零件加到一定量值的力，只有增加加速度值，即F=ma中的a，所以做此类试验时，其离心加速度值往往达到几千g甚至是几万g。对产品施加不同水平的离心应力，加速产品失效，通过失效产品的分析了解产品内部不同结构的强度；分析失效机理，寻找失效规律，从而为改进产品的工艺和提高产品可靠性指标提供依据。现在国外已经将离心加速度试验列入高可靠性元器件100%工艺筛选标准程序中并作为工艺质量监控手段之一。

4 结论

本文根据恒定加速度环境在航空航天活动中的普遍性，介绍了最广泛采用的相对于产品方向和大小均不变的离心加速度试验的工作原理。然后分析了离心试验的失效机理，并从材料力学的角度证明了合适应力水平的离心试验的“无损”特性。因此，离心加速度试验不仅可以用来模拟实际使用条件，考核产品在实际离心力作用下的工作能力、结构完整性和坠撞安全性，还可以用来检测产品结构的牢固性和可靠性，对批量产品进行验收，并且通过研究各类器件用离心应力进行筛选的应力水平，可以为制定标准产品结构牢固性质量考核标准与高可靠性器件工艺筛选的规范标准提供试验依据。

[1] 贾普照. 稳态加速度模拟试验设备—离心机的设计(1)[J]. 航天器环境工程,2009,26(1):86-100.

[2] 郁南,马贵贤. 离心式恒加速度试验系统基本参数研究[J]. 飞机设计,2009,29(1):64-66.

[3] 《力学环境试验技术》编著委员会. 力学环境试验技术[M]. 西安：西北工业大学出版社,2003:512-513.

[4] GB/T 2423.15-2008,电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法试验Ga和导则：稳态加速度[S].

[5] GJB 150.15A-2009,军用装备实验室环境试验方法 第15部分：加速度试验[S].

Application of Centrifugal Acceleration Test in Product Reliability Inspection

ZHANG Bing1,2, CHEN Li-wei1, CHEN Yong-xiang1, YANG Bo2, FENG Wei2
（1. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076; 2. Tianjin Aerospace Relia Technology Co., Ltd., Tianjin 300462）

According to the characteristic of centrifugal acceleration test, its invalidation mechanism is analyzed. It is determined that centrifugal acceleration test is necessary to do in the laboratory for the products which withstand constant acceleration environment in actual use. Furthermore, centrifugal acceleration test is very effective for weeding out the technologic defective products in the early as a technologic means to screen a batch of products because of its "lossless" feature. Therefore, centrifugal test is similar to environmental stress screening process and can also be used as a screening approach to check the reliability of the products in the factory stage.

centrifugal test; invalidation mechanism; reliability inspection; lossless test; technologic screening

TB114.3

A

1004-7204(2014)05-0044-04

张冰（1985- ），男，汉族，河北人，硕士，工程师，从事强度、振动和可靠性技术研究。