董雪，欒家輝，韓慧超，米海波

（中國航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071）

引言

低沖擊分離裝置是一種點式分離裝置，具有連接強度好、沖擊小、沖量小和無污染等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于飛行器級間分離、器間分離等領(lǐng)域中[1-3]。隨著長期貯存，其螺栓預(yù)緊力會松弛，橡膠密封圈的密封性能以及MoS2涂層的潤滑性能都會逐漸下降，進而會影響飛行器能否成功地完成規(guī)定的任務(wù)。因此，有必要對低沖擊分離裝置進行貯存壽命預(yù)測研究。

通常，使用自然貯存老化試驗方法對低沖擊分離裝置進行貯存壽命預(yù)測，結(jié)果將是最精確的，但對于長壽命產(chǎn)品，試驗時間會很長。目前，各個領(lǐng)域都廣泛采用加速壽命試驗[4-6]方法來減少試驗時間，但通過該方法一般只能得到產(chǎn)品的失效時間數(shù)據(jù)，通常需要一定數(shù)量的樣品發(fā)生失效或者較長的試驗時間才能結(jié)束試驗。而加速退化試驗方法可以克服上述兩種方法對長壽命、高可靠產(chǎn)品進行壽命預(yù)測的不足[7,8]，其只需加速產(chǎn)品性能的退化，并可以明顯地推斷出產(chǎn)品的性能退化趨勢，就可以終止試驗。因此，對于像低沖擊分離裝置這樣高可靠、長壽命的產(chǎn)品，為了使其能夠在較短的時間內(nèi)得到更加準確的預(yù)測結(jié)果，應(yīng)選擇加速退化試驗方法來進行貯存壽命預(yù)測。

本文在分析低沖擊分離裝置失效模式的基礎(chǔ)上，確定了加速退化試驗類型、性能退化參數(shù)、加速應(yīng)力、加速模型、應(yīng)力水平的組合、樣本量以及試驗截止時間，并給出了低沖擊分離裝置加速退化試驗的試驗步驟。

1 加速退化試驗方案

根據(jù)加速退化試驗的要求和低沖擊分離裝置的特點，低沖擊分離裝置加速退化試驗方案設(shè)計流程如圖1所示。

1.1 加速退化試驗類型的確定

由于受到試驗應(yīng)力實施過程和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等方面的限制，以及考慮到壽命預(yù)測結(jié)果的準確性，對于低沖擊分離裝置，選擇恒定應(yīng)力加速退化試驗。恒定應(yīng)力加速退化試驗技術(shù)成熟，數(shù)據(jù)分析相對來說也比較簡單，結(jié)果更加精確。

從加速退化試驗樣品的級別方面來講，加速退化試驗有系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、整機級和元器件材料級加速退化試驗[6,9,10]。低沖擊分離裝置的失效模式主要是預(yù)緊力松弛失效、橡膠密封圈失效和MoS2涂層潤滑失效，數(shù)量有限，且其作為整機級別的設(shè)備，尺寸并不是很大，并有相應(yīng)的試驗設(shè)備可對其進行加速退化試驗。因此，關(guān)于低沖擊分離裝置貯存壽命預(yù)測的加速退化試驗定位在整機級。

1.2 性能退化參數(shù)的確定

在實際貯存中，低沖擊分離裝置的性能退化會受到多種因素（比如溫度、濕度、外載荷、振動、鹽霧、灰塵以及紫外光等）的影響，且用來表征其失效模式性能退化的參數(shù)也有多種，表征預(yù)緊力性能退化的參數(shù)可以是預(yù)緊力，表征橡膠密封圈的密封性能退化的參數(shù)可以是壓縮永久變形率，表征MoS2涂層潤滑性能退化的參數(shù)可以是耐磨壽命、承載能力、動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)等。

如果采用上述所有的性能退化參數(shù)來表征低沖擊分離裝置的性能退化，就要考慮這些參數(shù)的測量以及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的處理，會使本加速退化試驗變得復(fù)雜，難以實施。為了使本加速退化試驗易于實施，又能反映低沖擊分離裝置的主要分離性能的退化情況，采用解鎖壓力作為低沖擊分離裝置的敏感性能退化參數(shù)。

由于每個低沖擊分離裝置之間存在差異性，所以每個產(chǎn)品的解鎖壓力初值以及經(jīng)過相同條件的加速試驗后解鎖壓力值的變化都是不同的，為了消除低沖擊分離裝置個體差異性的影響，選擇解鎖壓力的退化比例來表征低沖擊分離裝置的性能退化，即

式中：

y0—低沖擊分離裝置的解鎖壓力初值；

y—加速退化試驗后的解鎖壓力值；

Y—低沖擊分離裝置的解鎖壓力的退化比例值。

1.3 加速應(yīng)力類型的確定

根據(jù)工程經(jīng)驗及對低沖擊分離裝置貯存失效的機理分析，得到溫度、濕度和外載荷是影響預(yù)緊力性能退化的主要因素；溫度和濕度是影響橡膠密封圈密封性能下降的主要因素；溫度、濕度和外載荷等是影響MoS2涂層潤滑性能下降的主要因素。

為了在較小試驗樣本量的條件下，確定對低沖擊分離裝置性能退化的主要影響因素，采用正交試驗[11,12]方法，研究不同水平下的溫度、相對濕度和外載荷對低沖擊分離裝置性能退化的影響。通過極差和方差分析結(jié)果，確定了溫度和相對濕度是影響其性能退化的主要影響因素。因此，將溫度和相對濕度作為加速應(yīng)力。

圖1 低沖擊分離裝置加速退化試驗方案設(shè)計流程圖

1.4 加速模型的確定

加速模型[5,9,13-16]是用來描述壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，是進行壽命外推的基礎(chǔ)。常用的加速模型有Arrhenius模型、逆冪律模型、Eyring模型和Peck模型等。由1.3節(jié)可知，已選擇溫度和相對濕度作為加速應(yīng)力。其中，只有Peck模型是以定量的形式表示溫度和濕度與產(chǎn)品壽命特征之間的關(guān)系。因此，選擇Peck模型來描述低沖擊分離裝置貯存壽命與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，即

式中：

T — 絕對溫度，以K表示；

RH —— 相對濕度，以%表示；

η — 產(chǎn)品在加速應(yīng)力S下的壽命特征量；

A — 與失效模式、加速試驗類型和其它因素相關(guān)的常數(shù)；

γ— 與失效模式或其它因素相關(guān)的常數(shù)，取值范圍在2 ～ 3；

Ea— 激活能，以eV表示；

k — 玻爾茲曼常數(shù)，k = 8.6173×10-5eV/K。

計算Peck模型在溫度為T、相對濕度為RH時的加速因子，計算公式如下：

式中：

sT、RHs—產(chǎn)品在正常貯存或工作時的溫度和相對濕度。

1.5 加速應(yīng)力水平的確定

在處理加速退化試驗數(shù)據(jù)時，為了能夠很好地提高模型的擬合度，對于所確定的每一種應(yīng)力類型，至少都需要三個不同的應(yīng)力水平。又因為受樣品數(shù)量的限制，所以應(yīng)力水平數(shù)取3。

根據(jù)低沖擊分離裝置的實際存貯情況以及各元器件的加速退化試驗條件來確定溫度和相對濕度水平。并根據(jù)GB/T 2689.1-1981恒定應(yīng)力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則[17]來確定溫度應(yīng)力水平之間的間隔，計算公式如下：

式中：

g—加速試驗中應(yīng)力水平的個數(shù)，在本方案中g(shù) = 3；

T1、T2、……、Tg—從低到高g個應(yīng)力水平下的絕對溫度，單位為K。

考慮到使用溫度和相對濕度兩個加速應(yīng)力，結(jié)合之前單一加速退化試驗以及正交試驗應(yīng)力水平的選取，取T1= 60 ℃（333.15 K），T3= 70 ℃（343.15 K）。將其代入式（4）～式（6）中，求得T2= 338.0761 K，T2約為65 ℃（338.15 K）。將上述所設(shè)溫度從高到低分別表示為Tmax= 70 ℃、Tmed= 65 ℃、Tmin= 60 ℃。

低沖擊分離裝置長期貯存時正常的相對濕度為75 %，空調(diào)發(fā)生故障時，相對濕度會達到95 %。因此，將相對濕度從高到低分別設(shè)置為RHmax= 90 %、RHmed= 85 %和RHmin= 80 %。溫度和相對濕度的所有組合設(shè)計如表1所示。

將低沖擊分離裝置長期貯存條件以及主要失效模式的激活能95.57 kJ/mol[12]代入加速因子公式（3）中，計算上述各種應(yīng)力水平組合的加速因子，計算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)低沖擊分離裝置中的橡膠密封圈的加速退化試驗條件及壽命結(jié)果，選取整機級恒定應(yīng)力加速退化試驗時間為60天，可知加速因子為110.72，考慮到數(shù)據(jù)的分散性和樣品的數(shù)量以及加速應(yīng)力的水平數(shù)，故應(yīng)選擇應(yīng)力組合s3、s5和s7，將其分別記為S1、S2和S3，列于表3中。

表1 整機級恒定應(yīng)力加速退化試驗所有的加速應(yīng)力水平表

1.6 試驗樣本量的確定

由于在進行試驗時需要反映出不同樣品之間的隨機性，所以在每個檢測時間點取出的樣品不能少于兩個。又低沖擊分離裝置的數(shù)量有限，那么一個應(yīng)力組合水平不能少于三個測試點，故所需的滿足基本統(tǒng)計分析要求的樣本數(shù)不能少于：

3（應(yīng)力組合水平）*3（一個應(yīng)力組合水平下的檢測時間點數(shù)）*2（每個測量點的樣本數(shù)）=18個。

1.7 試驗時間與測量次數(shù)的確定

由于現(xiàn)有文獻沒有關(guān)于低沖擊分離裝置整機級恒定應(yīng)力加速退化試驗相關(guān)的內(nèi)容，且低沖擊分離裝置屬于長壽命的產(chǎn)品，可采取定時截尾的方法來進行加速退化試驗[18]。截尾時間的選取參考低沖擊分離裝置中的橡膠密封圈的加速退化試驗時間60天，且選取S1、S2和S3三個應(yīng)力水平組合，那么理論上在三個應(yīng)力水平組合下的失效時間分別為67.1天、47.8天、35天。

根據(jù)工程經(jīng)驗及低沖擊分離裝置實際的貯存情況以及上述計算得到的截尾時間，將試驗截尾時間定為66天。那么在低沖擊分離裝置個數(shù)為18的情況下，不同的應(yīng)力水平組合下對應(yīng)的檢測時間見表4所示。

2 加速退化試驗步驟的設(shè)計

1）隨機抽取18個低沖擊分離裝置，對其進行氣動解鎖試驗，記錄它們的解鎖壓力初始值；

2）將3個高低溫恒溫恒濕環(huán)境箱調(diào)到1.5節(jié)加速應(yīng)力水平組合的對應(yīng)溫度和相對濕度，并保持溫度和相對濕度恒定；

3）分別在3個高低溫恒溫恒濕環(huán)境箱中放入6個低沖擊分離裝置；

4）以應(yīng)力水平為S1的高低溫恒溫恒濕環(huán)境箱為例，每隔528 h從環(huán)境試驗箱中取出兩個低沖擊分離裝置放置于正常環(huán)境中，待恢復(fù)到正常應(yīng)力之后，進行氣動解鎖試驗，記錄其解鎖壓力值；

5）重復(fù)過程4）直至達到截尾時間1 584 h結(jié)束低沖擊分離裝置整機級恒定應(yīng)力加速退化試驗，記錄相關(guān)的解鎖壓力值。

其它加速應(yīng)力水平下的低沖擊分離裝置整機級恒定應(yīng)力加速退化試驗的步驟類似于應(yīng)力水平S1下的加速退化試驗步驟。

3 總結(jié)

本文根據(jù)工程經(jīng)驗、各種先驗信息以及正交試驗的結(jié)果，設(shè)計了低沖擊分離裝置的加速退化試驗方案，包括加速退化試驗類型的確定、性能退化參數(shù)的確定、加速應(yīng)力的確定、加速模型的確定、應(yīng)力水平組合的確定、樣本量的確定以及試驗時間的確定。最后，給出了該低沖擊分離裝置加速退化試驗步驟。本文的方案具有較高的可行性和可操作性，適用于低沖擊分離裝置貯存壽命評估。

表2 低沖擊分離裝置加速退化試驗的加速因子表

表3 整機級恒定應(yīng)力加速退化試驗的加速應(yīng)力水平組合表

表4 低沖擊分離裝置加速退化試驗的檢測時間點