航空装备电子部组件整机贮存延寿评估方法研究

程远方，李 荣，王广昊，王永东

（1.中国人民解放军第五七一五工厂，河南 洛阳 471000；2.中国人民解放军93128部队，北京 100843；3.中国人民解放军93131部队，北京 100843）

贮存寿命为产品在规定的贮存条件下能够满足规定要求的时间长度[1]。空空导弹作为“长期贮存、一次使用”的装备，贮存在整个寿命周期中占据极大比重。为了保证装备的有效性，各国普遍对装备进行定寿和延寿。在研制阶段确定装备维持较高完好率的贮存寿命，在贮存寿命即将结束时，通过一定的手段对装备性能进行评估，并加入维修、更新等环节，延长装备寿命。贮存寿命评估在实现航空装备“合理定寿、科学延寿”、保证装备战备完好率方面具有重大意义。

目前，贮存寿命评估主要分为现场贮存寿命评估和加速试验寿命评估2种方法[2-4]。现场贮存寿命评估方法是在典型的自然环境下长期贮存，监测装备性能指标的变化，根据一定的评估标准来确定贮存寿命，但该方法试验周期长，难以实现。加速试验寿命评估方法是通过提高产品的试验应力，对试验结果进行分析，估算正常应力下的产品寿命。因此，加速试验提供了一条快速实现贮存寿命评估的途径。

1 整机加速贮存寿命评估方法

目前加速试验技术的应用研究大多是针对元器件、材料等产品[5-7]，对整个装备的贮存寿命评估有限。21世纪后，李久祥和多位贮存可靠性专家开始探讨整机加速试验[8]。其中李久祥在对摆动喷管电液位置伺服系统贮存寿命进行评估的过程中，通过分析整机贮存的薄弱环节，确定整机加速贮存试验的加速应力、特性指标临界值和试验方法，对该系统进行了加速贮存寿命试验。

整机产品加速贮存寿命评估一般有以下3种思路。

1.1 转化法

产品贮存寿命取决于其中易失效件的可靠贮存寿命。因此，可以找出薄弱环节，将其加速贮存寿命转化为整机产品的加速贮存寿命。

1.2 性能参数退化法

通过系统主要性能参数随应力、时间的变化情况，建立退化模型对其寿命进行预测。

由于产品发生故障的可能性与性能参数退化的过程相关。通过某些性能参数的退化数据，对产品的贮存寿命进行预测，从而可以不使用失效数据，只利用退化数据对产品进行可靠性评定。

1.3 可靠性增长理论

将加速寿命试验视为可靠性的“负增长试验”，将可靠性增长理论和分析方法应用到加速寿命试验中，但这种方法在理论上的可行性有待进一步研究。

目前加速试验技术的理论及应用分析了整机寿命评估的发展方向，本文运用加速因子评估法和布朗漂移模型评估法，对某型空空导弹电子部组件的贮存寿命进行了评估。

2 某装备电子部组件贮存寿命评估方法

2.1 贮存加速对象选取

某装备电子部组件贮存延寿研究对象主要是装备中可以通过检测设备进行检测的关键的或薄弱的电子部组件。

某型装备由主动雷达导引头舱、多功能设备舱、战斗部舱、发动机舱、舵机舱5个舱段组成。其中电子舱段包括主动雷达导引头舱、多功能设备舱、舵机舱，这3个电子舱段均可检测，且均为关键舱段。

根据维修经验，主动雷达导引头舱以及多功能设备舱中的7类电子部件，在修理中故障频次较高，属于薄弱的电子部件。

因此，某型装备电子部组件贮存延寿研究对象分为电子舱段和电子部件2个层次，某型装备电子部组件贮存延寿研究对象层次关系如图1所示。

图1 某型装备电子部组件贮存延寿研究对象层次关系

2.2 电子部组件贮存寿命评估方案

装备电子部组件贮存延寿研究的工作重点是掌握电子部组件贮存可靠性变化规律，确定电子部组件的贮存寿命影响因素，评估装备电子部组件的贮存寿命，确定贮存薄弱环节，提出相应的维修建议，为导弹延寿提供支持。贮存寿命主要评估方法如下。

（1）电子舱段贮存加速寿命试验。通过电子舱段贮存加速寿命试验，对电子舱段实际贮存环境进行加速模拟，使试验样品等效加速贮存至期望目标年限，根据试验中的故障情况掌握电子舱段在贮存至期望目标年限内的薄弱环节。

（2）电子部件贮存加速退化试验。通过电子部件贮存加速退化试验，对7类薄弱电子部件加深考察深度，进一步掌握该7类电子部件在贮存至期望目标年限内的薄弱环节。

（3）电子舱段环境适应性验证试验。为保证电子部组件在期望目标年限内具备基本的环境适应性，对在加速寿命试验中等效贮存至期望目标年限的电子舱段开展环境适应性验证试验，考核其具备基本的环境适应性。

（4）电子部组件贮存寿命综合分析。在电子舱段贮存加速寿命试验结果、电子部件贮存加速退化试验结果、电子舱段环境适应性验证试验结果的基础上，开展电子部组件贮存寿命综合分析，确定电子部组件的贮存寿命、贮存薄弱环节并提出相应的维修建议。

通过以上各部分研究工作，寻找电子部组件的贮存薄弱环节；确定电子部组件能否满足等效贮存至期望目标年限的寿命要求，为电子部组件的贮存、使用、维护、修理、定延寿研究和工程应用提供技术支持。

2.3 电子部组件贮存加速试验方法

2.3.1 电子舱段贮存加速寿命试验

通过对电子舱段，采用基于应力分析的加速因子评估方法，评估整个电子舱段在加速应力下相对于实际贮存条件的加速因子，依据样品贮存历史计算出在加速试验条件下达到等效贮存至期望目标年限对应的试验时间，通过加速寿命试验评估电子舱段整体的寿命是否满足等效贮存至期望目标年限的要求，并寻找电子舱段存在的薄弱环节，采取必要的措施以满足延寿修理后等效贮存至期望目标年限的要求。

采用基于应力分析与阿伦尼斯相结合的模型评估电子舱段的加速因子，加速因子的计算步骤如下。

（1）建立电子舱段的层次关系，梳理元器件清单，对元器件进行分类，确定各类元器件在常温应力下的失效率。

（2）采用基于应力分析的方法和阿伦尼斯模型计算各类元器件在加速温度应力下的失效率。

（3）综合计算出的电子舱段的各型元器件在常温下和加速温度下的失效率，计算出电子舱段的加速因子。

加速因子确定流程如图2所示。

图2 加速因子确定流程

2.3.2 电子部件贮存加速退化试验

在贮存加速退化试验中，定期检测各个电子部件的主要性能参数，获得在各个试验应力水平下各个电子部件性能参数变化趋势，预测在等效贮存条件下各个电子部件的主要性能参数的超差时间。

贮存加速退化试验数据处理优先采用布朗漂移运动模型；当不符合布朗漂移运动模型时，采用基于应力分析的方法预估电子部件的加速系数。

（1）布朗漂移运动模型

在贮存过程中，电子部件内部发生缓慢的变化，使电子部件的性能参数发生变化，随着变化的加剧，电子部件的性能发生退化，最终电子部件失效。电子部件的性能退化符合布朗漂移运动。具体的布朗漂移运动模型见公式（1），

式中：

Y（t）为t时刻产品某性能值；

Y（t0）为t0时刻产品某性能值；

μ为漂移系数，μ＞0；

σ为扩散系数，σ＞0，σ在整个加速退化试验中不随应力而改变；

B（t）为标准布朗运动，B（t）～N（0，t）。

在性能退化的反应过程中存在能量势垒，环境应力提供跨越这种势垒（称为激活能Ea）所必需的能量，因此，环境应力的大小决定了电子部件内部发生物理化学变化的速率。越过势垒进行反应的频数是按一定概率发生的，服从玻尔兹曼分布。在贮存环境下，主要的环境应力是温度应力，反应速度与温度的关系符合阿伦尼斯（Arrhenius）模型，

式中：

μ

（Tj）为Tj温度应力下的退化速度；

A为频数因子；

E a为激活能，以eV为单位；

K为玻尔兹曼常数。

布朗漂移运动具有独立增量性，属于马尔科夫过程，即在非重叠的时间间隔Δt内退化增量相互独立。而布朗运动本身属于一种正态过程，其退化增量（Yi-Yi-1）服从均值为μ（Tj）Δt，方差为σ2Δt的正态分布，结合式（1）和式（2）得到温度应力模型下的加速退化方程：

（2）加速试验等效贮存时间估计

在采用布朗漂移运动模型对性能参数进行预测后，可计算出贮存失效首达时间，并通过加速模型估计出加速试验等效贮存时间。

贮存退化失效首达时间预测结果：

其中：T为测试周期；

X为合格判据值。

在3个不同应力水平下（Tj）预测得到3个贮存退化失效首达时间（tj），组成3个序对{（Tj，tj）其中j=1，2，3}，利用阿伦尼斯模型推导可得：

采用最小二乘法可求得参数A和E a，进一步推导可获得加速因子AF（Tu∶Tj），

其中：

Tu为典型贮存环境条件下的温度；

Tj为贮存加速退化试验条件下的温度，其中j=1，2，3。

因此，在典型贮存环境条件下的贮存退化首达时间预测值：

（3）基于应力分析加速因子评估

对于以下2种情况可采用加速系数和故障信息评估贮存寿命信息：a.样品数量少于3个；b.不符合加速退化模型。

2.3.3 电子舱段环境适应性验证试验方法

在电子舱段贮存加速寿命试验中，当电子舱段加速试验至等效贮存期望目标年限时，进行全面测试和环境适应性验证试验（高温工作、低温工作、功能振动、温度冲击、低温低气压等），以考核电子舱段在等效贮存至期望目标年限的环境适应性。

2.3.4 贮存寿命综合分析

在电子部组件贮存加速试验、电子舱段环境适应性验证试验等3部分工作的基础上，进行综合分析，评估装备电子部组件的贮存寿命。

3 结论

在对某型空空导弹电子舱段进行贮存延寿研究的过程中，进行电子舱段贮存加速寿命试验，利用元器件计数法对电子舱段的可靠性进行预计，计算其在实际贮存环境下和施加一定应力水平下的可靠性，计算采用恒定温度应力下的加速因子，从而将产品在应力试验中等效加速贮存到目标寿命，判断贮存延寿的可行性。电子部件贮存加速退化试验中，选取了多个电子部件的关键性能参数进行测量，发现电子部件由于其复杂性，关键性能参数决定于多个元器件之间的相互作用，未呈现出很好的退化现象，无法对失效情况进行预估，采用了加速因子评估方法。

通过以上分析和试验实施，发现加速因子评估法相较于布朗漂移模型评估法，在进行小子样整机寿命评估中具有更好的操作性和可行性。