呂 倩，喬緯韜

0 引言

在航空平臺領(lǐng)域，電子設(shè)備主要有自然散熱、風冷散熱、液冷散熱等散熱方式?？紤]到航空電子設(shè)備散熱需求、成本、可維修性、技術(shù)成熟度等多方面綜合因素的影響，空氣冷卻比液體冷卻具備更簡單、技術(shù)成熟度高，成本更低的優(yōu)勢，仍然是解決航空電子設(shè)備散熱問題的重要途徑。強迫風冷散熱又可分為平臺提供環(huán)控風和設(shè)備自帶風機兩種方式。軸流風機依然是航空獨立電子設(shè)備散熱的重要手段。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量通過高速轉(zhuǎn)動的軸流風機葉片產(chǎn)生的空氣對流帶走，風機成為整個散熱系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié)。由于航空電子設(shè)備大量安裝在非氣密的設(shè)備艙室，因此作為設(shè)備重要部件的軸流風機也必須相應(yīng)滿足非氣密艙室的溫度、氣壓、電磁環(huán)境等各種惡劣環(huán)境條件的要求。因此，這些外部條件向航空平臺軸流風機的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性設(shè)計提出了更高的要求。

航空平臺軸流風機的工作溫度范圍為-55℃～+70℃，并且要耐受低氣壓、振動、沖擊等環(huán)境因素的影響，因此航空平臺軸流風機與普通工業(yè)品風機的壽命影響因子比較存在特殊性。

1 航空軸流風機的構(gòu)成

航空軸流風機主要由扇葉、軸心、彈簧、滾珠、鐵殼、磁環(huán)（釹鐵硼）、上下線架、矽鋼片、雙層PCB板、扇框、墊片、卡簧等零組件構(gòu)成，如圖1所示。基本工作原理是：通過PCB板上的HALL傳感元件感應(yīng)釹鐵硼磁環(huán)的位置，控制PCB板上的驅(qū)動芯片輸出高電平或者低電平，繼而控制MOS管打開及關(guān)斷，從而控制纏繞在矽鋼片上的漆包銅線上有無電流及電流方向。釹鐵硼磁環(huán)磁極位置不斷變化，導致漆包線上的電流方向不斷變化，從而在馬達周圍產(chǎn)生不斷變化的電磁場，釹鐵硼在磁力的作用下驅(qū)動軸芯及扇葉持續(xù)同一方向高速運動[1]。

圖1 某型號軸流風機爆炸圖

從軸流風機的組成來看，電路板上元器件失效和電機的轉(zhuǎn)動磨損是影響其可靠性的關(guān)鍵因素，且這兩種失效機理互不影響。

2 軸流風機壽命預估依據(jù)

軸流風機的壽命預估主要依據(jù)兩項指標（L10與MTTF）。目前工業(yè)品普遍依據(jù)IPC9591標準中的規(guī)定[2]。L10和MTTF所需實驗時間和樣本數(shù)量如表1所示，按IPC9591標準，如果要評價航空軸流風機的壽命，實驗的時間長度和樣本數(shù)，至少需要60個樣品進行324天的實驗[3]?？紤]到試驗的可實施性及試驗數(shù)據(jù)的準確性，考慮到加速試驗的可實施性，本次試驗擬采用溫度加速的方式，針對電子元器件計算加速系數(shù)。機械部分沒有加速效應(yīng)。

試驗結(jié)束后，對失效數(shù)據(jù)進行分析，將故障分為電子元器件失效和機械疲勞失效兩部分分別進行評估，最終以壽命較短者作為產(chǎn)品的壽命。

3 電子部分加速系數(shù)確定方法

溫度應(yīng)力下電子部件加速因子評估首先利用Arrhenius阿倫尼斯模型評估出各組成元器件在溫度可靠性加速試驗條件下相對于正常應(yīng)力溫度下的加速系數(shù)，再按照電子部件的基本可靠性模型求解得到加速系數(shù)。

Arrhenius阿倫尼斯模型評估元器件的加速系數(shù)如下。

溫度的加速因子由Arrhenius阿倫尼斯模型計算所得：

Acc——溫度Ta相對于Tu的加速系數(shù)；

Ea——激活能，以eV為單位，根據(jù)IEC61709、IEC62380、IPC279、GJB299C等標準及元器件試驗值和相關(guān)文獻獲取。

表1 IPC9591標準試驗時間

K——玻爾茲曼常8.6171×105V K。

加速系數(shù)是產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平下達到某一失效概率所經(jīng)歷的試驗時間，與產(chǎn)品在加速應(yīng)力水平下達到相同失效概率所經(jīng)歷的試驗時間之比[4-5]。

那么對于失效時間服從指數(shù)分布的電子產(chǎn)品，失效率為常數(shù)，其失效概率函數(shù)為：

F（t） =1-eλt

式中，λ為失效率。

假設(shè)在正常應(yīng)力水平s0下的某元器件的失效分布函數(shù)為F0（t），失效率為 λ0，tp，0為失效概率達到p的時間，即F0（tp，0）=p，又設(shè)該元器件在加速應(yīng)力水平si下的失效分布函數(shù)為Fj（t），失效率為λj，tp，j為失效概率達到p的時間，即Fj（tp，j）=p。

根據(jù)加速系數(shù)τ1的定義，則：

在所有電子元器件的壽命分布都服從指數(shù)分布的前提下，根據(jù)基本可靠性的串聯(lián)模型，各個單元的失效率等于包含的所有元器件失效率之和，產(chǎn)品的失效率等于各個單元的失效率之和，可得系統(tǒng)失效率等于所有元器件失效率之和[6]：

因此，電子部件高溫保持加速因子為：

式中，

λi——在正常應(yīng)力水平下第i個組成單元的失效率；

i效率；

λs——在正常應(yīng)力水平下產(chǎn)品的失效率；

n——組成產(chǎn)品的單元數(shù)。

4 加速條件及加速系數(shù)

利用3提供的方法，高速風扇在各溫度和各轉(zhuǎn)速條件下對于70℃和55℃環(huán)境條件下的加速系數(shù)見表2[7]。

表2 高速風扇可靠性加速試驗加速系數(shù)預估

5 試驗樣本量和截至條件

本次高速風扇加速試驗樣本量選為10只，達到以下條件之一，可以結(jié)束試驗：

（1）有至少2個產(chǎn)品因機械疲勞失效；

（2）有至少1個產(chǎn)品因電子元器件失效。

6 可靠性的評估

6.1 電子部分可靠性評估

假設(shè)高速風扇因電子部分而失效的時間樣本為x1、x2，…，xr，則其置信度0.7的MTBF評估值為：

其中：

xt為無故障風機運行時間，xi為故障風機失效前運行時間，r為故障風機數(shù)量。

故其L10壽命值為[8-9]：

L10=-θLln0.9

6.2 機械部分可靠性評估

滾珠軸承的壽命決定了整個機械部分的壽命。經(jīng)計算，滾珠軸承的L10壽命為13 452小時（風扇葉片加工精度0.2 mm）。所以理論上，13 452小時內(nèi)，10個樣本中至多有1支風扇因機械磨損而失效。

如果在試驗結(jié)束前沒有出現(xiàn)機械類故障，則以理論計算值代替評估值；如果存在機械故障，利用威布爾理論進行評估。

威布爾分布參數(shù)的極大似然估計可以通過下面方程的數(shù)值解得到。滿足公式（1）的解就是β的極大似然估計，這個解代入式（2）解出η的極大似然估計[10-11]。

失效分位數(shù)（10%）的點估計

6.3 風扇可靠性評估

在分別對風扇電子部分和機械部分進行可靠性估計后，因為兩部分的故障是相互獨立的，風扇L10壽命=min(（電子部分L10，機械部分L10）。

7 結(jié)束語

參照IPC9591標準，對風機實驗的時間和樣本數(shù)的要求都極為苛刻，因此考慮采用溫度加速實驗來降低實驗時間成本。

本文借助Arrhenius模型評估電子元器件的加速系數(shù)，對溫度加速實驗結(jié)果進行分析即可等效得出常規(guī)風機實驗結(jié)果。風機的故障失效原因可分為電子元器件失效和機械疲勞失效；分別根據(jù)風機實驗結(jié)果對其進行可靠性分析，風機電子部分和機械部分L10壽命的最小值即為風機的L10壽命。

本文為通過實驗預測風機壽命提供了一種新思路，對風機進行溫度加速實驗可以大大減少整個實驗的時間，并可以通過可靠性評估對軸流風機的壽命做出準確預測。

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