悬丝支承摆式加速度计可靠性强化试验*

张朋好,欧阳恒,赵君辙,崔 奇,杨国军,于亚云

(1 中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095;2 中国兵器工业第203研究所,西安 710065)



悬丝支承摆式加速度计可靠性强化试验*

张朋好1,欧阳恒2,赵君辙1,崔 奇1,杨国军1,于亚云1

(1 中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095;2 中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

为提高悬丝支承摆式加速度计在工程应用上的可靠性,对其进行可靠性强化试验研究,结合该类加速度计的FMEA和FTA分析,设计了基于常规试验设备的单应力和综合应力作用下的试验剖面,阐述了摸清该类加速度计极限应力的试验方法,通过试验验证,找出了该类加速度计的工作极限,从而为型号设计和改进工作提供了依据,也为评价同类惯性器件的可靠性水平提供了参考。

摆式加速度计;可靠性强化试验;工作极限

0 引言

近几年,随着现代武器装备可靠性水平的迅速提升,对配套惯性器件的使用可靠性要求越来越高。目前,评价惯性器件可靠性水平的常用方法有可靠性强化、退化试验等,但此类试验在我国尚无国家标准,要高效地完成可靠性强化试验,需要对试验剖面进行深入研究,以激发可能存在的缺陷并寻找极限应力,加固薄弱环节,健壮产品设计,提高其使用可靠性。文中针对某型悬丝支承摆式加速度计,基于常规试验设备设计了可靠性强化试验剖面,找出了该型加速度计的工作极限,为型号设计改进工作提供了依据。

1 悬丝支承摆式加速度计系统组成及主要参数

悬丝支承摆式加速度计(以下简称“加速度计”)是利用惯性原理测量线加速度的力矩再平衡式加速度计,具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、环境适应能力强等特点,主要由传感器组件(A100)、伺服电路组件(A200)、力矩器组件(A300)和密封组件(A400)四部分组成,见图1,目前广泛应用于武器型号的惯导系统中。

描述加速度计性能的参数主要有零偏和标度因数,其中标度因数是加速度计最重要的性能指标,因此,本试验选取标度因数作为可靠性强化试验结果的考核依据。

2 试验方案

2.1 试验方法的确定

由加速度计的FMEA[1]和FTA[2]分析可知,磁补偿合金(A3202)和悬丝(A3301)是影响其性能的两个薄弱环节,其中影响磁补偿合金的敏感应力为温度应力,影响悬丝的敏感应力为振动应力。为了摸清温度应力和振动应力的工作极限,本试验采用常规的温度-湿度-振动三综合试验设备,以步进方式分别施加单应力和综合应力,并根据工程应用情况,将规定的加速度计上、下限输入电压引入到试验剖面设计中。

图1 悬丝支承摆式加速度计系统组成

2.2 可靠性强化试验方案

加速度计已知的敏感应力极限见表1,可靠性强化试验方案按照图2设计的试验顺序进行,试验过程中加速度计均通电,每完成一项应力试验,将加速度计恢复至常温,采用专用设备进行性能测试。

表1 加速度计敏感应力极限

图2 可靠性强化试验方案

2.2.1 温度步进应力试验

2.2.1.1 低温步进应力试验

低温步进应力试验从0 ℃开始,以-10 ℃的步长进行试验到-50 ℃,从-50 ℃开始,步长改为-5 ℃,每个温度点保温30 min后进行功能测试,之后按照表2的顺序通断电,再进行功能测试。试验剖面图见图3。

表2 输入电压顺序

图3中:t1表示温度稳定时间;t2表示功能性能检测和3次通断电功能测试时间。

图3 低温步进应力试验剖面图

2.2.1.2 高温步进应力试验

高温步进应力试验从30 ℃开始,以+10 ℃的步长进行试验到70 ℃,从70 ℃开始,步长改为+5 ℃,每个温度点保温30 min后进行功能测试,之后按照表2的顺序通断电,再进行功能测试。试验剖面图见图4。

图4中:t1表示温度稳定时间;t2表示3次通断电功能测试时间。

图4 高温步进应力试验剖面图

在温度步进试验过程中,一旦发现受试加速度计出现功能异常,立即停止试验将温度恢复到上一量级至稳定后再进行测试,如果测试正常,则初步判定该温度点即为加速度计的温度工作极限;如仍然不正常,初步判定加速度计出现异常的温度点为温度破坏极限,继续递推回到上一个量级,逐级确认,若恢复到常温仍不能正常工作,则可判断该点为破坏极限。

2.2.2 快速温变循环试验

根据工程应用实际情况,此试验可将温度步进应力试验中获得的高、低温工作极限的85%作为端点值,每个端点值保温30 min,温变率设置为常规设备的最大值15 ℃/min,循环10次。设置输入电压交替变换,即第一个循环为标称电压、第二个循环为上限电压、第三个循环为下限电压…依次类推。每个端点值保温结束后,按照表2的顺序通断电,再进行功能测试,试验剖面图见图5。

若受试加速度计在快速温变循环试验中出现故障,则修复后从故障中断的循环开始,继续完成后续试验,如果已完成设定的试验剖面,或受试加速度计无法修复,本项试验停止。

图5 快速温变循环试验剖面图

图5中:t1表示温度稳定时间;t2表示功能性能检测和3次通断电功能测试时间。

2.2.3 振动步进应力试验

振动步进应力试验在常温下进行,采用随机振动,谱图见图6,方向按照X(敏感方向)、Y和Z依次进行,起始振动量值由图6确定为9 Grms,振动应力初始步长为2 Grms,超过19 Grms后步长为1 Grms。每个振动量值振动10 min,在振动持续的过程中按照表2的顺序通断电,并进行功能测试,在振动结束后,再进行功能测试。试验剖面见图7。

图6 随机振动谱图

图7中:t3表示振动稳定时间;t4表示3次通断电功能测试时间。

图7 振动步进试验剖面图

2.2.4 综合环境应力试验

综合环境应力试验包含快速温变循环和振动步进应力试验,其中快速温变循环的温度端点值和循环次数与2.2.2节相同;振动步进值由2.2.3获得的振动工作极限减去初始振动量值后除以(循环数-1)确定;设置输入电压交替变换(同2.2.2);各温度端点稳定30 min后施加振动应力,每个振动量值按照X向振动10 min,每个温度点振动持续过程中按照表2的顺序通断电,并进行功能测试。试验剖面图见图8。

若受试加速度计在综合环境应力试验中出现故障,则修复后从故障中断的循环开始,继续完成后续试验。如果已完成设定的试验剖面,或受试加速度计无法修复,本项试验停止。

图8中:t1为产品保温时间和振动时间之和;t2表示功能性能检测和3次通断电功能测试时间。

图8 综合环境应力试验剖面图

3 试验结果

根据第2节的试验方案,抽取4只合格加速度计进行试验,受试产品在三综合试验设备上的安装分别见图9(a)和图9(b)。试验中采用自动测温仪监测产品壳温,采用振动控制系统监测产品功能输出,试验结果见表3。

图9 受试产品在三综合试验设备上的安装图

表3 可靠性强化试验结果

由表3可知,经过可靠性强化试验找出了加速度计的低温工作极限-60 ℃、高温工作极限105 ℃和振动应力工作极限26 Grms。快速温变循环试验和综合应力试验过程中产品输出未出现异常。

受试加速度计经历各项应力试验前后在常温状态下的标度因数测试结果对比见图10,测试结果均在合格判据0.319 4～0.320 6 mA/g范围内,试验前后主要性能参数保持了稳定,表明产品设计健壮,质量稳定可靠。

图10 试验前后加速度计标度因数对比

4 结论

文中针对悬丝支承摆式加速度计进行可靠性强化试验研究,结合工程应用,通过基于常规设备的可靠性强化试验方案设计和实际验证,找到了其工作极限,既验证了方案的可行性,也为型号的后续设计改进工作提供了依据,达到了预期的试验目的。

[1] 赵君辙. XX加速度计FEMA报告 [R]. 北京: 中航工业计量所, 2011.

[2] 赵君辙. XX加速度计FTA报告 [R]. 北京: 中航工业计量所, 2011.

[3] 赵君辙. XX加速度计可靠性研制试验报告 [R]. 北京: 中航工业计量所, 2013.

[4] 温熙森, 陈循, 张春华. 可靠性强化试验理论与应用 [M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[5] 潘新祥. 某型军用电子产品的可靠性强化试验 [J]. 舰船电子工程, 2012, 32(12): 107-109.

[6] 周鹏斌, 马喜宏, 李建军, 等. 弹载惯性仪表的可靠性强化试验 [J]. 探测与控制学报, 2010, 32(4): 69-72.

[7] 何荣华, 张亚, 李波, 等. 军用电子元件的可靠性强化试验方案研究 [J]. 科学技术与工程, 2009, 9(18): 5460-5463.

Reliability Enhancement Test for a Type of Pendulous Accelerometer

ZHANG Penghao1,OUYANG Heng2,ZHAO Junzhe1,CUI Qi1,YANG Guojun1,YU Yayun1

(1 Changcheng Institude of Metrology and Measurement, AVIC, Beijing 100095, China;2 No.203 Researsh Insitiute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

For improving reliability of a type of pendulous accelerometer in engineering application, its reliability enhancement test (RET) was required. According to analysis results of FMEA and FTA, different stress profiles based on conventional test equipment were designed, and methods of exploring ultimate stress of the pendulous accelerometer were expounded. Validated by RET, the operating limits were found, laying foundation for the pendulous accelerometer’s further design and improvement, it also provided reference for evaluating reliability level of the same type of inertial device.

pendulous accelerometer; reliability enhancement test; operating limit

2015-07-03

张朋好(1981-),男,安徽合肥人,工程师,研究方向:惯性器件生产管理及测试方法研究。

TJ765.231

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