可靠性強化試驗技術在機載成品上的應用與研究

劉世華，巴 洪，汪曉翠，王彥曉

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

近年來，航空機載成品的可靠性水平要求越來越高，如某型基礎教練機、某大型運輸機整機及成品的可靠性指標是傳統三代機的5 倍以上，而承制單位的材料、元器件和工藝水平并沒有如此大的提升。傳統的可靠性試驗已不能滿足目前可靠性水平的需求，這就需要尋求一種費用低、周期短、更快速提高成品可靠性水平的新技術，可靠性強化試驗適時產生。

目前行業內主要針對電子成品開展可靠性強化試驗[1]，通過某飛機發電機控制盒可靠性強化試驗應用實例給出該試驗的試驗條件和試驗剖面，用于指導電子成品可靠性強化試驗的實施。

1 電子成品可靠性強化試驗

1.1 可靠性強化試驗實施方案[2]

可靠性強化試驗一般包括以下五部分試驗內容：

1） 溫度步進應力試驗，包括：低溫步進應力試驗和高溫步進應力試驗；

2） 快速溫度變化試驗；

3） 振動步進應力試驗；

4） 綜合環境應力試驗；

5） 回歸驗證。

1.2 可靠性強化試驗應用實例

某飛機發電機控制盒主要由繼電器和集成運算放大器等電子元器件組成，功能為與起動發電機配套，對直流起動發電機進行發電控制和故障保護等[3]。

開始前，采用溫度巡檢儀或紅外熱像儀，對成品進行熱分布分析，了解熱分布情況，圖1 為成品開蓋溫度分布測試狀態圖；對成品進行低振動量值的振動響應分析，了解成品的共振特性和應力累計點，圖2為成品振動響應測試狀態圖。

圖1 開蓋溫度分布測試狀態圖

圖2 振動響應測試狀態圖

1.2.1 低溫步進應力試驗

低溫步進試驗剖面見圖3，低溫步進的起始溫度為成品低溫工作溫度，步長為－5℃，溫度變化速率選擇5℃／min，每個溫度臺階上停留時間不小于成品溫度穩定時間＋10min＋測試時間，找到成品的低溫工作極限或低溫破壞極限則結束試驗。

圖3 低溫步進應力試驗剖面

1.2.2 高溫步進應力試驗

高溫步進應力試驗剖面見圖4，高溫步進的起始溫度為成品高溫工作溫度，步長為＋5℃，溫度變化速率選擇5℃／min，每個溫度臺階上停留時間不小于成品溫度穩定時間＋10min＋測試時間，找到成品的高溫工作極限或高溫破壞極限則結束試驗。

圖4 高溫步進應力試驗剖面

1.2.3 快速溫度變化試驗

快速溫度變化試驗剖面見圖5，快速溫度變化循環開始為常溫，開展5 個循環，溫度范圍施加為低溫工作極限＋5℃至高溫工作極限－5℃，溫度變化速率不小于30℃／min，每個循環低溫和高溫階段持續時間為成品溫度穩定時間＋10min＋測試時間。

圖5 快速溫變應力試驗剖面

1.2.4 振動步進試驗

振動步進應力試驗剖面見圖6，起始振動量值為4Grms，以2Grms 為試驗的步長，每個振動量值保持時間為10min 或測試時間（取長者），當振動量值超過12Grms 后，將振動量值在每個臺階結束時下降到4Grms，保持5min，找到成品的振動工作極限或振動破壞極限則結束試驗。

圖6 振動步進應力試驗剖面

1.2.5 綜合環境試驗

綜合環境試驗是對成品同時施加溫度、振動和電應力，剖面見圖7，循環次數為5 個循環，溫度應力的要求同快速溫度變化試驗，成品的起始振動量值為振動工作極限除以5，下一循環的振動量值為此數值的2 倍，以此類推，每個振動量值對應一個溫度循環周期。

圖7 綜合環境試驗剖面

1.2.6 試驗結果

某飛機發電機控制盒可靠性強化試驗結果見表1。

表1 某飛機發電機控制盒可靠性強化試驗結果

從試驗結果看，暴露了3 個故障，經過故障分析并采取糾正措施后，成品可靠性明顯增長。

2 機械成品可靠性強化試驗

現階段可靠性強化試驗方法主要適用于新研或改型的電子成品，電子成品的敏感應力主要為溫度和振動，所以目前的強化試驗方法對電子成品具有通用性。對于機械成品，失效模式多樣，與材料、結構、載荷等都有較大關系。所以機械成品除了要經受環境應力的作用以外，同時還要經受壓力、負載力、轉速、頻率等多種工作應力的作用。因此目前的強化試驗方法并不適用，所以機械成品的可靠性強化也是強化試驗重點研究的方向。

采用機械成品耐久性機理分析和加速試驗理論相結合的方式，制定了機械成品可靠性強化試驗方案[4]，試驗方案流程圖見圖8。主要包括FMECA 分析、敏感應力分析、失效加速性驗證[5]、強化試驗技術確定、強化試驗實施、回歸驗證。

圖8 機械成品可靠性強化試驗方案流程圖

2.1 機械成品的FMECA 分析

了解成品的工作原理，對成品進行FMECA 分析，以此確定成品的薄弱環節。

2.2 機械成品的敏感應力分析

成品的薄弱環節由關鍵失效機理導致其故障，為了暴露成品的潛在缺陷，還要確定誘發成品故障的外在因素，所以要對成品的敏感應力進行分析。借鑒耐久性機理分析理論，對機械成品分析其敏感應力，主要步驟為：

1） 結構分解

結合成品的結構組成、工作原理及工作特性等方面的相關信息，按照初始約定層次、約定層次、最低約定層次對成品進行結構層次分解，確定成品機理分析的最低約定層次。

2）載荷分析

根據成品結構分解的結果，對每一個最低約定層次進行載荷分析，根據給定的載荷譜，確定其在工作過程中受到的工作載荷類型、環境載荷類型。

3）確定機理

結合結構分解與載荷分析的結果，針對結構分解所確定的最低約定層次單元，考慮所有可能的載荷類型并進行映射關系研究，確定分析約定層次的耗損型故障機理。

表2 為某作動器敏感應力和故障機理分析的結果，可靠性強化試驗應針對這些敏感應力開展。

表2 某作動器敏感應力及故障機理分析結果

2.3 失效加速性驗證

成品的加速性是指成品壽命和可靠性隨著應力增大而降低的特點。成品存在可加速性是成品進行可靠性強化試驗的必要條件。例如某成品在30℃下的壽命為15 年，而當溫度升高80℃時壽命僅為9 個月，則認為該成品具有加速性。該特性可根據成品的使用特點、結構原理、耗損特性等綜合分析。

2.4 強化試驗技術確定

通過機械成品加速性的確認和敏感應力的分析，研究影響機械失效的因素以及改變這些因素的方法和途徑。例如：某機械成品的主要耗損機理之一是磨損，零部件之間的作用強度是決定磨損進程的主要因素，所以可通過改變構件間的作用強度讓成品加速失效，成品中某彈簧所產生的力的大小決定作用強度大小，則可通過步進式地加大彈簧剛度來實施強化試驗的技術途徑。

2.5 強化試驗實施

強化試驗的實施主要包括選取試驗應力、確定應力量值及施加應力的方式。選取工作應力和環境應力中的敏感工作應力開展試驗，施加方式采用步進方式施加，需要考慮加速缺陷部位轉換成故障的速率。

2.6 回歸驗證

被試品在可靠性強化試驗后應對發現的薄弱環節進行改進，如零部件外形的重新設計、制造工藝優化等，為評估糾正措施的有效性，改進后再進行可靠性強化回歸驗證試驗。

3 機電成品可靠性強化試驗

目前機電成品的可靠性試驗方法主要采用電子成品的強化試驗剖面，但這對于機電成品中的機械部分沒有充分驗證?，F在可以結合上述電子成品和機械成品可靠性強化試驗的方式來設計機電成品的可靠性強化試驗方案[6]。 環境應力的施加及其方式可參考電子成品可靠性強化試驗的5 個階段，工作應力的施加流程及方式參考機械成品的可靠性強化試驗方案。

4 結語

通過應用實例給出電子成品可靠性強化試驗剖面，用于指導電子成品強化試驗的實施，并將試驗對象從電子成品延伸至所有具有加速性的機載成品上，擴大了試驗對象的應用范圍，更有助于快速提高機載成品及整機的可靠性水平，降低成品在外場使用時的故障率，縮短成品研制周期，推動機載成品的發展。