舰载电子产品可靠性试验振动应力研究.pdf

环境试验/EnvironmentalTesting舰载电子产品可靠性试验振动应力研究鲁雪峰，金亚楠，樊九九1（1.华中光电技术研究所，武汉430 2 2 3；2.中国电子技术标准化研究院，北京10 0 17 6）摘要：舰载电子产品可靠性试验具有试验时间长、应力类型多、应力量值严酷等、样本量少等特点，对产品的耐环境能力具有很高要求。振动应力作为可靠性试验的综合应力之一，由于可靠性试验依据标准GJB899A-2009与GJB150.16A-2009等环境试验标准存在矛盾，对试验的实施经常带来不利影响。本文着重分析了不同标准振动应力特点，尤其是频率范围，对可靠性试验中实施振动应力裁剪提出了建议，可为类似产品提供借鉴。关键词：舰载电子产品；可靠性试验；振动应力；频率范围中图分类号：TJ01文献标识码：A文章编号：10 0 4-7 2 0 4(2 0 2 3)0 6-0 0 0 6-0 5Research on Vibration Stress in Reliability Test of Shipborne Electronic ProductsLU Xue-feng,JIN Ya-nan,FAN Jiu-jiu(1.Huazhong Institute of Electro-Optics,Wuhan 430223;2.China Electronics Standardization Institute,Beijing 100176)Abstract:The reliability test of shipborne electronic products with the characteristics of long testtime,multiple stress types,severe stress values,and small sample size,has high requirements forthe environmental resistance of products.As one of the comprehensive stresses in reliability testing,vibration stress often has a negative impact on the implementation of the test due to the contradictionbetween the reliability testing basis standard GJB899A-2009 and the environmental testing standardssuch as GJB150.16A-2009.This paper focuses on analyzing the characteristics of different standardvibration stresses,especially the frequency range,and puts forward suggestions for implementingvibration stress tailoring in reliability testing,which can provide reference for similar products.Key words:shipborne electronic products;reliability test;vibration stress;frequency range引言可靠性试验作为暴露产品缺陷、验证产品可靠性水平的重要手段，在舰载电子产品中应用广泛。常见的可靠性试验类型包括可靠性研制试验、可靠性增长试验、可靠性增长摸底试验、可靠性鉴定和验收试验。除可靠性研制试验不局限于综合应力外，其余类型均属于综合环境应力试验，采用的应力包括恒定温度、温度变化、湿度变化、恒定湿度、振动、电应力等。舰载电子产品开展可靠性试验的传统依据文件包括海军电子装备可靠性试验实施方法和GJB899A-2009，二者在振动应力的规定上均采信了美军标MIL-HDBK-781A。本文基于舰载电子产品可靠性试验的工程实践，通过分析不同标准，从环境试验和可靠性试验的关系角度，发现了在振动应力施加方面的多个问题，提出了多项改进措施，为研制单位高效开展可靠性试验提供参考。06环境技术/Environmental TechnologyETestingnvironmental环境试验频率1舰载电子产品可靠性试验振动应力分析不同于机载产品和弹上产品的可靠性试验剖面，舰载产品的可靠性试验剖面均采用统一的试验剖面。根据GJB899A-2009，舰载电子产品开展可靠性试验的试验剖面主要根据产品的安装位置选择，包括潜艇环境、水面舰船舱内有温控环境、水面舰船舱外环境、水面舰船舱内无温控环境。无论安装位置，其振动应力均包括战斗损伤频谱和运输随机频谱。具体情况如下2-41;1.1战斗损伤频谱战斗损伤频谱的如图1所示，施加条件如下：1）频率范围：（4 6 0）Hz;2）振幅：0.7 6 mm（0.15）（4 15）H z），7.5 m/s(1560)Hz;3）持续时间：10 min。图1所示的战斗损伤频谱属于正弦振动，在低频段（4 15）H z 保持恒定位移，在高频段（15 6 0）Hz保持恒定加速度，交越频率为15Hz。为了减小对振动台的损伤，通常采取平滑交越的方式，具体包括5：1）交越频率点位移取0.7 6 mm，则相应的加速度为：A=4元*fXpp=4元150.761036.75m/s2(1)2）交越频率点加速度取7.5m/s，则相应的位移为：A(2)由于在低频段有相应的位移允差要求，故通常采用的战斗损伤频谱是低频段（4 15）Hz恒定位移0.84mm，高频段（15 6 0）Hz保持恒定加速度7.5m/s。需要说明的是，根据GJB1060.1-1991、G JB4.7-198 3和GJB150.16A-2009，这里的正弦振动条件并不是从炮击振动析出的，而主要是从舰载平台螺旋桨、推进轴系、旋转机械等振动环境析出的。因此，严格意义上讲，该频谱并能算是考虑战斗损伤环境的振动谱，而是考虑舰船行驶过程中存在螺旋桨、推进轴系、旋转机械等正弦振动环境。1.2运输随机频谱运输随机频谱的如图2 所示，施加条件如下2-4；1）频率范围：（10 2 0 0）Hz;2）量级（总均方根值r.m.s）：10 m/s；3）持续时间：2 0 min。与车载、机载平台类似，舰船在行驶过程中确实会产生一定量级的随机振动。运输随机频谱正是考虑这种随机振动环境对舰载电子产品可靠性的影响而提出的。需要说明的是，根据GJB1060.1-1991、G JB4.7-198 3和GJB150.16A-2009，并不存在这样的随机振动环境，这就为舰载电子产品的可靠性试验实施带来了若干问题。2舰载电子产品环境试验振动应力分析舰载电子产品振动环境条件的论证主要依据GJB1060.1-1991，振动环境试验主要依据标准是位移(mm-单峰值)0.76/117.54加速度功率谱密度(m/s2)2/Hz1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1107.5m/s21115图1战斗损伤频谱2050图2 运输随机频谱60(Hz)HZ2002023年6 月/June 2023 07环境试验拉/EnvironmentalTestingGJB4.7-1983和GJB150.16A-2009。其中GJB1060.1-1991关于设备振动环境的描述与GJB150.16-1986要求基本一致，主要是正弦振动。GJB4.7-1983的振动试验条件均属于正弦振动，但频率范围与GJB150.16-1986的要求有差异。GJB150.16A-2009则主要是增加了随机振动的要求。GJB4.7-1983要求的振动试验参数见表1，表1GJB 4.7-1983 规定的振动试验参数 6 )试验参数序号试验项目1共振检查2稳定性试验有共振3耐振试验无共振环境分类12121212环境分区主体区枪区首尾区主体区枪区首尾区主体区枪区首尾区频率Hz110101717303040110101717303040110101717303050501001101017173030401101017173030401030305050110110101717303040110101717303040103030505011040110位移幅值mm0.250.150.250.150.250.250.151.40.60.30.152.50.60.30.15由产品技术任务书和技术条件规定0.30.151.000.602.500.60由产品技术任务书和技术条件规定0.30.150.15加速度幅值g0.7021.001.0022试验时间每个频带(34)min每个频带(68)min每个频带15min每个频带20min2h2h08环境技术/Environmental TechnologyETestingnvironmental环境试验试验参数GJB150.16A要求的振动试验参数见表2。由表1和表2 可以得到以下结论：1）安装在不同位置的产品其振动环境条件不同，如主体区和枪杆区的差异性；2）安装在不同平台的环境条件可能相同，如潜艇平台和水面舰船平台；3）振动的频率范围覆盖（1 110）Hz；4）标准规定的振动环境条件以正弦振动为主。3舰载电子产品可靠性试验振动应力问题分析舰载电子产品可靠性试验剖面采用的是温度、湿度、振动、电应力多应力综合环境。其中振动应力剖面如图1和图2 所示，通常潜艇平台每2 4h施加3h振动，水面舰船每2 4h施加6 h振动，每3h为一个周期，前10min施加战斗损伤频谱，随后每施加2 0 min运输随机频谱停机10 min，累计施加12 0 min。通过第2 章和第3章对舰载电子产品环境试验和可靠性试验振动应力的分析，结合当前舰载电子产品可靠性试验振动应力施加的工程实践，主要存在如下问题：1）G JB8 99A 给定的战斗损伤频谱命名不符合实际，容易造成误解。GJB899A给定的正弦振动频谱量值及频率范围均与GJB4.7-1983和GJB150.16A-2009规定的舰表2 GJB150.16A规定的振动试验参数7 振动类型正弦振动注1：杆区是指杆等部位，主体区是杆区、往复机上以外其他的部分；注2：如果已知设备仅安装在特定的舰船上，则试验的上限频率一般为该舰船的最高桨叶频率（螺旋桨每分钟最高转速螺旋浆叶片数一6 0）。频率范围随机振动(1100)Hz船功能振动试验条件相当，且战斗损伤更多来自炮击振动环境；2）G JB8 99A 给定的战斗损伤频谱未考虑不同安装位置所带来的振动条件差异。从表1和表2 可知，主体区、榄杆区、首尾区的振动条件存在明显差异；3）G JB10 6 0.1-1991并没有舰船随机振动条件。论证舰船总体振动条件时要注意该问题，避免提出不切实际的要求；84）G JB150.16 A-2 0 0 9和GJB899A-2009规定的随机振动条件存在明显差异。前者频率范围是（1 10 0）Hz，加速度功率谱密度峰值为0.0 0 1g/Hz，均方根值为1g；后者频率范围是（10 2 0 0）Hz，加速度功率谱密度峰值为0.0 1g/Hz，均方根值为0.315g。即可靠性试验的振动条件相比环境试验更为严酷，显然不符合常识；5）G JB150.16 A-2 0 0 9中规定的耐久振动在可靠性试验面中未考虑。标准中规定的振动形式包括正弦扫频振动、耐久振动和随机振动；6）未按平台总体环境条件要求制定合理的可靠性试验剖面。平台总体环境条件要求即是开展环境试验的条件输人，也是可靠性试验剖面制定的顶层输入，而实践中往往直接参考标准，造成过应力试验；7）当前的可靠性试验剖面未考虑不同舰船平台的差分类分区水面舰船和潜艇主体区杆区各类舰艇往复机上以及与往复机直接相连的设备振动谱类型平直谱频率Hz11616602101016165022525100加速度功率谱密度g/Hz0.001位移mm1.02.51.01.6加速度m/s1010402023年6 月/June 202309环境试验检/EnvironmentalTesting异性。文献9 中分析获取的某舰载平台振动应力频率上限达到了6 0 0 Hz，用当前标准开展试验时则显然造成了欠试验。充分考虑舰载产品的环境条件要求，从分析平台振动环境出发，考虑产品的安装位置，合理裁剪标准给定的振动应力剖面，避免对产品造成过应力试验。4工程实践案例及振动应力施加建议某型航行数据记录仪可靠性试验实施过程中，可靠性试验进行到倒数第二循环时，发现其组成单元外存储体数据存储异常。经故障排查，故障定位为航行数据记录仪的外存储体内部板卡数据连接线磨损断裂，进而使得外存储体数据存储异常。通过更换新的导线，外存储体可恢复正常工作。根据经验并参考GJB/Z34-1993和HB/Z213-1992，板卡数据连接线断裂和隔热材料磨损的激发应力主要为力学环境。本次可靠性试验中的主要力学环境为振动应力。根据产品安装平台环境条件规定，其环境条件要求中无随机振动要求。施加的随机振动条件已经对产品造成事实上的过应力，因此根据GJB899A-2009的故障分类要求，可归为非责任故障。同一平台的某轴系状态监测装置，其可靠性试验采用加速试验方案。由于产品的可靠性指标要求较高，且产品对振动应力较为敏感，在进行加速试验方案设计时，提供了三种方案供产品研制单位选择，包括：1）方案一：若产品的耐振动能力较强，则按照GJB150.16A-2009附录给定的加速因子计算公式，同步调整其振动应力施加时间；2）方案二：若产品的耐振动能力较弱，则缩减GJB899A-2009给定振动应力施加时间间隔，即3h的振动周期内，10 min的正弦振动和12 0 min的随机振动连续施加；3）方案三：考虑产品的平台环境条件要求，剔除掉随机振动部分，仅在可靠性试验中开展正弦振动。最终方案三由于可操作性更强得到采纳，有力保障了产品可靠性试验的快速实施。实际上，关于舰载产品可靠性试验中振动应力的裁剪在文献10 中已经有应用。综上，舰载电子产品可靠性试验的实施过程中，应5总结可靠性试验不同于一般的环境试验、电磁兼容试验，其实施过程耗费的人力、物力、财力巨大，必须审慎的实施试验，尤其是对试验面的充分分析。本文聚焦于舰载电子产品可靠性试验剖面中的振动应力，通过充分分析不同标准振动应力的差异性，结合工程经验提出了当前可靠性试验振动应力施加过程中的多个问题，并结合工程实践案例给出了建议，为舰载电子产品可靠性试验的高效实施提供借鉴。参考文献：1GJB450B-2021,装备可靠性工作通用要求S.2 GJB899A-2009,可靠性鉴定和验收试验S.3 MIL-HDBK-781A,Handbook for reliabilitytestmethods,plans,and environments for engineering,developmentqualifcation,andproductions.4海装电子部，海军电子装备可靠性鉴定试验实施方法2 .5胡志强.振动与冲击试验技术M.中国计量出版社，2 0 19.6GJB4.7-1983,舰船电子设备环境试验振动试验S.7GJB150.16A-2009,军用装备实验室环境试验方法第16 部分：振动试验S.8GJB1060.1-1991,舰船环境条件要求机械环境S.9莫昌瑜，袁宏杰.舰载设备可靠性振动试验剖面设计方法研究J.船舶力学，2 0 12,16(4):442-44810邵文熙，胡春洋，胡杰，水面舰艇设备可靠性鉴定试验工程实践J.中国高新科技，2 0 2 0(15):159-16 0,作者简介：鲁雪峰（1990-），男，工学硕士，可靠性专业，工程师，主要研究方向为通用质量特性试验技术。10环境技术/Environmental Technology