某型空空导弹电子部件加速贮存寿命试验方法研究

席运洋，刘万远，鲍　华

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳　471009)



某型空空导弹电子部件加速贮存寿命试验方法研究

席运洋，刘万远，鲍华

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009)

摘 要:为挖掘某型空空导弹电子部件贮存寿命的潜力,提出一种以加速寿命试验为基础的试验方法。通过分析产品贮存期应力、寿命薄弱环节、寿命分布特征、适用的加速模型等,设计了试验方案。由试验得到产品真实的贮存寿命,通过与产品实际使用情况对比,证明了该试验方法的合理性。该试验方法可推广应用于其他航空武器装备。

关键词:空空导弹;加速贮存寿命;试验方法;指数分布;阿伦尼斯模型

0引言

空空导弹的贮存寿命是设计时根据工程实际预估的可靠性定量指标，到寿即意味着导弹性能的下降、可靠性的降低、战斗力的减弱。但导弹的日历寿命到寿时其大部分组成部件并未或远未到寿，可能仅有个别零部件失效或性能降低。空空导弹是长期贮存、一次使用的产品，为了保证高的可靠性，贮存寿命指标一般有一定的余量。因此，空空导弹到寿时，实际仍有一段“剩余的”可靠的贮存寿命。

到寿的空空导弹如果立即全部报废，将是巨大的浪费。产品战技指标仍满足作战需要时，发掘到寿导弹的潜能，得到产品真实的贮存寿命信息，并通过维修保障措施保证其作战效能是各军事强国的通用做法[1-2]。

某型空空导弹电子部件自交付部队至今，已经到寿或即将到寿。本文以加速寿命试验为基础，结合产品实际，研究产品真实具有的贮存寿命，以及为保证贮存期可靠性而必须开展的相关升级、维修、改造等工作。这对增加部队可用产品的数量、提升战斗力、节省国防开支具有重要的意义[3]。

1加速寿命试验基础

1.1试验原理

加速寿命试验是在保持产品的失效机理不变的前提下，用高于产品正常应力的试验应力加速产品失效，发现寿命薄弱环节并统计相关故障数据，选用相关数学模型推算出产品在正常应力水平下的寿命的一种试验方法[4]。加速贮存寿命试验属于加速寿命试验的一种。

加速寿命试验分为恒定应力、步进应力和序进应力试验三种类型。恒定应力试验是在定时或定数截尾情况下，分别对各组产品施加不同等级应力进行加速寿命试验，统计各组产品失效情况，采用数理统计法评估结果。从应用效果来看，恒定应力加速寿命试验方法虽试验时间较长、样品数量较多，但比较简单易行，且数据处理方法比较成熟，外推的准确性较高，是目前应用最多的一种试验方法。步进和序进应力虽加速效果显著，但加速试验方法较繁琐，试验设备较复杂。

1.2试验基本前提[5]

(1) 失效机理具有一致性

指产品在加速试验中所施加的不同应力水平作用下失效机理保持不变。

(2) 失效过程具有规律性

指产品寿命特征值与试验应力之间存在一个确切的函数关系式，即可用某个加速模型表达。

(3) 失效分布具有同一性

指产品在不同的试验应力水平下寿命特征服从同一分布，这是进行数据处理的前提条件。

1.3试验模型

加速寿命试验是利用较高的试验应力水平下的寿命特征去推算正常应力水平下的寿命特征。推算的关键在于建立应力水平与寿命特征之间的关系，即加速方程或称加速模型。常用的加速模型如表1所示[6]。

表1　常用的加速模型

表1公式中：L为特征寿命；N为循环寿命；E为激活能；K为波尔兹曼(Boltzmann)常数；T为温度(K)； ΔT为温度变化范围；H为湿度应力；S为非热应力；A，B，n，β为常数。

1.4数据处理

根据AD/A-107519，BMD公司承担空军试验与鉴定中心的一项研究工作的最终报告《评定导弹系统贮存可靠性的一种方法》，失效前时间分布采用指数分布； AD/A-053403《导弹部件可靠性预计手册》中，贮存可靠性按指数分布处理； LC-78-1《导弹贮存可靠性》中，采用指数分布； 盐见弘著《可靠性工程基础》中，认定系统或设备的失效时间分布近似指数分布； 国内诸多型号贮存延寿均采用指数分布； 统计某型号定型以来的故障数据，基本服从指数分布。因此，本试验数据按指数分布处理。

假定在单一应力si的恒定作用下，产品寿命分布服从指数分布，其分布函数为

Fi(t)=1-e-t/θi

(1)

式中：t>0；i=0,1,2,…，k；θi为产品平均寿命。

θi与si之间有如下加速模型：

lnθi=a+bφ(si)

(2)

得到产品试验数据后，先进行加速模型检验； 计算加速方程中的a，b； 列出加速寿命方程； 计算平均寿命点估计值[7]。

2试验方案设计

为避免零失效对数据处理的不利影响,尽量减少总试验时间,本试验采取4个温度应力水平、无替换、定时截尾、恒定应力的加速试验总体方案。

2.1贮存期应力分析

某型空空导弹电子部件在贮存期内，会随导弹反复经历包装、装卸、运输、存放、分解、检测、维修、待机和战备值班等过程。在这些过程中，装备会受到振动、冲击、高温、低温、高湿、盐雾、霉菌、沙尘、有害气体、辐射等外部环境因素的影响，由此引起腐蚀、老化、霉变、疲劳等，导致产品电气性能、机械性能、密封性能和物化性能退化甚至失效，以及贮存可靠性、战备完好性和系统效能的降低[8]。产品贮存期主要环境和应力见表2。

某型空空导弹在贮存期内大部分时间处于表2的“贮存环境”中，“贮存环境”又分后方仓库、待发房、野战环境等，且有带包装箱存放和不带包装箱存放之分。在此过程中，温度、湿度为主要应力，但因产品为密封设计，湿度的影响相对较小，因此总体来看，温度为产品在贮存期内所经历的最主要应力，所以应选择温度作为加速应力。

表2　主要环境和应力

2.2薄弱环节分析

某型空空导弹电子部件包括导引头、飞行控制组件、舵机、引信等，由大量的电路板、接插件、密封件、辅料等组成，失效模式包括接触不良、断路、短路、管脚断裂、锈蚀、长霉、碎裂、参数漂移、器件失效、密封圈变形、润滑脂变稠干涸、轴承磨损等等。研究表明：影响贮存寿命的薄弱环节主要是电子类部件和非电类部件[5]，尤其是以电子元器件、橡胶件(如O型圈、密封垫、绝缘板)等居多[9]。

2.3加速模型选取

温度为产品在贮存期内所经历的最主要应力，且温度对产品的薄弱环节具有较好的加速效果。温度可加速多种失效机理，如电子元器件的二次俘获、表面电荷扩散、蠕变、电迁移、金属间晶粒生长、介质击穿等； 高温可加速橡胶和塑料制品等的老化、热敏电阻器阻值漂移、精密仪表的金属件热膨胀、陀螺结构间隙发生变化、机械部分卡滞或松动、质心偏移等。所以选择温度作为加速变量，其加速寿命方程为阿伦尼斯模型，它把材料劣化的时间和温度这两个变量联系在一起，因而经常用来计算加速热老化参数。该模型表示[10]为

(3)

式中：τ为某一寿命特征，如中位寿命、平均寿命；A为常数，A>0；E为激活能，与材料有关，以eV表示，对于某一确定反应来说，激活能是不随温度变化的常数；K为波尔兹曼常数，为8.617×10-5eV/℃；T为绝对温度。

阿伦尼斯模型表明，寿命特征将随着温度上升而按指数下降。对模型两边取对数，可得

lnτ=a+b/T

(4)

式中：a=lnA；b=E/K，它们都是待定的参数，由试验数据经最小二乘法求得。式(4)的线性化形式即为式(2)，表明寿命特征的对数是温度倒数的线性函数。

2.4应力水平确定

当应力条件超过产品破坏极限时，由于产品已经被破坏，加速失去意义； 当应力条件超过其工作极限时，虽然产品依然工作，但其加速失效机理可能已经改变。按照初始应力接近于正常应力，最高应力不改变失效机理的原则，参考某型号的高温工作环境65 ℃，选择70 ℃为初始应力； 按照薄弱环节为电子元器件、橡胶件等考虑，选择100 ℃为最高应力水平。按照相邻温度水平间隔不少于10 ℃，应力水平数应在3～5个之间的原则，确定加速贮存寿命试验的应力水平数为4个，分别为70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃。

2.5测试周期确定

测试周期直接决定试验数据获取的充分性和有效性，过于密集或稀疏都可能影响到产品可靠性指标的估计精度。每个应力水平下的测试次数应不少于8次。

在开始试验后的前两次每隔48小时测试一次数据, 以后每隔96小时测试一次,并随时进行观察,看是否有异常输出情况。若产品出现故障, 做好故障记录。

2.6样品抽取原则及数量确定

抽取已在部队服役一定时期的某型空空导弹电子部件，地域分布上覆盖南方、北方不同区域； 交付时间上尽量抽取早期交付的产品； 尽量抽取部队挂飞、通电时间长的产品。

从满足条件的某型号的多个生产批次中一次性随机抽取16套电子部件作为样品参加试验，各样品在本质上是同一设计，贮存寿命指标均为12年。样品的贮存寿命平均已达到11.74年(样本个体间最大差别在0.38年，数据统一按11.74年处理)。样品分为4组，分别进行4个应力水平的试验。

2.7故障统计

按以下原则制定产品的故障判据：

(1) 根据产品研制任务书规定的参数指标要求制定；

(2) 根据产品执行的相关规范、标准制定；

(3) 充分考虑加速敏感性能参数的特征，根据产品实际使用要求等制定。

测试中严格按照故障判据，对发现的产品损坏、功能丧失、参数指标超差以及软件缺陷或错误等关联故障进行详细记录。对于可修复故障，允许进行修复后继续完成试验。

2.8数据统计分析

在恒定应力加速试验的k个加速应力水平下均进行定时截尾寿命试验，获得如下的定时截尾样本：

t1≤t2≤t3…≤tri<τi, i=1,2,…，k

式中：τi为截尾时间； ri为ni个样品中在0～τi时间内的失效数。

计算si下的总试验时间：

(5)

(6)

计算yi, xi:

(7)

计算相关系数r：

(8)

计算自由度：

f=k-2

(9)

查相关系数检验的临界值表得到rα，若r>rα，可以认为xi与yi之间存在线性关系。

用最小二乘法计算a，b的最小二乘估计(LSE)：

(10)

即得如下模型：

(11)

3试验结果分析

按照第2节的试验方案对16套电子部件进行加速老化试验，得到试验数据如表3所示。

(1)加速模型检验

由公式(5)～(8)，可得相关系数r=0.96，查相关系数检验的临界值表得到rα=0.95，r>rα，xi与yi之间存在线性关系。

(2)计算加速方程中的a，b

(12)

(3)列出加速寿命方程

-10.40+6 050.33(1/T0)=10.25

(13)

式中： T0=273+20。

(4)计算平均寿命点估计值

(14)

试验结果表明：抽样样品所代表的批次产品，其日历寿命虽已即将到寿，但产品实际仍有3.23年的平均贮存寿命。原贮存寿命指标较为保守，产品总贮存寿命平均应在14.79年(11.74年+3.23年)。通过调研部队和导弹修理厂，与产品实际使用情况对比，证明该结论具有一定的准确性和合理性。

但本文仅采用温度作为加速应力，没有考虑贮存寿命期内振动、湿度等非主要应力的影响，没有考虑实际环境下多应力作用的相互叠加、抵消等，因此本试验方法还有进一步提升的空间，进行综合环境应力加速寿命试验是下一步的研究方向。

针对试验中的故障情况，如密封圈老化失效、轴承磨损等，根据故障分析情况，提出有针对性的维修保障建议，恢复或保证整批产品的寿命与可靠性。维修保障建议如表4所示。

表4　维修保障建议

4结论

对贮存寿命到寿或即将到寿的空空导弹电子部件，利用加速寿命试验，可以在较短时间内，比较准确地得到导弹的贮存寿命潜力信息,为导弹可靠性、维修性等的评估提供依据,并可提出有针对性的维修保障建议，具有重大的军事、经济意义。此方法可推广应用于其他航空武器装备。

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Testing Method Study of Accelerated Storage Life for Electronic Components in Certain Air-to-Air Missile

Xi Yunyang，Liu Wanyuan，Bao Hua

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China)

Abstract:To mine the storage life potential of electronic components of a certain air-to-air missile，a testing method based on the accelerated life testing is proposed.The stress in storage period, life weakness, life distribution, suitable accelerated model for the product are analyzed, and the testing plan is designed.The true storage life is obtained through the testing，and by comparing with the actual use of the product，the rationality of the testing method is proved. This testing method can be applied to other aviation weaponry.

Key words:air-to-air missile； accelerated storage life； testing method； exponential distribution； arrhenius model

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.012

收稿日期：2015-05-06

作者简介：席运洋(1982-)，男, 河南南阳人, 硕士，工程师，研究方向为可靠性。

中图分类号:TJ760.6+23;V216.5

文献标识码:A

文章编号:1673-5048(2016)01-0064-05