高原环境下多路开关模块加速寿命试验方案研究

周一鸣，王茜，杨硕

（1.空军勤务学院航空弹药系，徐州 221000； 2.空空导弹研究院军事代表室，洛阳 471000）

高原环境下多路开关模块加速寿命试验方案研究

周一鸣1，王茜1，杨硕2

（1.空军勤务学院航空弹药系，徐州 221000； 2.空空导弹研究院军事代表室，洛阳 471000）

目的研究某型多路开关模块在高原环境下加速寿命试验方法。方法通过分析高原环境对多路开关模块的影响，结合加速寿命试验理论，选取试验环境和加速应力，并确定应力的施加方式。结果 设计了加速寿命试验平台，根据国家标准确定了试验的具体参数和失效依据，并提供了判定失效的数学方法。结论目前有关装备高原环境下加速寿命试验的文献很少，本文在试验方案的制定上具有一定的探讨性。

高原环境；多路开关模块；加速寿命试验；方案设计

1 试验背景

武器装备的综合技术保障能力是保证武器装备处于良好的战斗准备状态的关键，而武器装备的功能性能检测和故障诊断是综合技术保障的核心，其实现过程离不开武器装备检测设备。武器装备检测设备的性能及功能对于武器装备的技术保障具有重要影响，确保其满足装备的测试保障要求。

某型多路开关模块是某机载制导弹药综合检测设备的关键部件之一，控制着多路信号通道的通断和控制指令的发出，其工作原理如图1所示。当其到寿或者失效时会对综合检测设备的测试性能和安全运行产生重要影响，因此需要对其进行及时更换。目前该模块尚未在高原地区投入使用，在其投入使用前，需要通过试验手段得出该模块在高原环境下的失效机理以及可靠性，为该模块在该地区的消耗规律研究提供依据。

2 加速寿命试验

多路开关模块属于军品，军品普遍可靠性较高比并且使用周期长。加速寿命试验是研究该类产品可靠性的常用方法。美国Rome Aviation Development Center于1967年在一份报告中指出：加速寿命试验是在进行合理工程及统计假设的基础上，通过和试件加速失效有关的数学模型对在高于常规应力水平的加速环境下得到的相关数据进行转化，使得试件在额定应力水平下可靠性特征可以复现，并且可以进行数值估计的一种试验方法[1]。因为高强应力加速了产品失效或损坏，加速寿命试验在周期上很大程度上缩减了常规寿命试验的时间消耗，可以在产品的真实寿命消耗实现之前获得寿命过程数据 ，提升了试验速率，减少了经费开支，因此使可靠性能较高的产品寿命评估在工程上具有了实现的可能性。本文主要讨论多路开关模块在高原环境下的加速寿命试验的理论与设计方案。

3 试验分析

3．1 高原环境概况

高原环境主要包括两个方面：气候环境以及地理环境。高原区域的自然环境特点可以归纳为“两强三低”，即“太阳辐射强、风沙强、气温低、空气压力低、空气含氧量低”[2]。高原地区的地理环境特点概括起来主要是坡度陡峭、地形多变、路面崎岖、凹凸不平。由于多路开关模块的使用环境处于专门的测试房中，所以不需要考虑地理环境的影响，仅需要考虑高原气候环境对模块的影响，具体的气候环境参数与海拔高度的关系，如表1所示。

3．2 高原环境对多路开关模块的影响分析

在制定高原环境下多路开关模块加速寿命试验方案之前，要对多路开关模块所受的影响进行分析。多路开关模块是低压成套开关设备，属于低压电器的一种。根据高原环境的气候特点及对高原环境的调研情况分析,高原环境对低压电器产品的主要影响主要体现在低压、低温以及大温差这几个环境因素。

3.2.1低压的影响主要体现在：

1）温升。随着地势提升，空气密度减小，气体的对流作用削弱。因此通过空气作为冷却媒介的电器，它的温升就会相应升高，影响电器使用寿命。由相关资料可知，海拔每增加100 m，电器的温升相应提高0.1～0.5 k（通常低于0.4 k）。尽管空气温度随海拔的提升会降低，一般海拔每增加100 m，气温减少约0.6 k，可以部分弥补由海拔升高对电器温升的影响。但是多路开关模块都是在室内工作，由于室内外温差的存在，环境温度对该模块的温升补偿效果不够显著[3]。

2）绝缘性能。由以往经验可知，地势上升，空气压力降低，空气密度随之减小，电器绝缘性能减弱。受此影响，存在击穿外绝缘表面和不同电位的带电间隙的风险，对低压电器的安全使用造成威胁。但最新试验表明海拔改变对各类低压电器产品的绝缘性能受的影响并不显著, 并没有出现上述不良情况。所以高原地区影响电气绝缘性能的原因不仅仅只有气压, 还存在其他尚未发现的因素。待条件成熟时, 还需做进一步的研究和探索[4]。

3）动作性能。由上面的分析可知，高原地区气压减小，空气散发热量的对流作用不明显，同时该区域最低温度低，昼夜之间温度只差较大，低压电器的动作特性会因此受到波及。比如热继电器和热磁式低压断路器的动作特性与平原地区相比都会产生一些变动。但是在该环境下，带电子脱口器的动作性能基本上未受波及，所以对电子式低压断路器，不需要对其动作特性进行调整。因此不需要考虑高原环境对多路开关模块动作特性的影响。

图1 多路开关模块的原理框图

表1 环境参数与海拔高度的基本关系

4）接通能力和分断能力。大气密度和气压的减小，会对以空气作为灭弧介质的开关电器的灭弧性能产生影响。海拔升高，会造成开关电器灭弧时间延长。而且高海拔地区触头材质的熔、沸点会减小，电弧电流产生高温的过程中，触头材质的升华速率上升，触头材质的耗损量变大。因此严重地影响到触头的寿命,从而使电器加速失效，使得接通和通断能力降低。

3.2.2低温和大温差的影响主要体现在：

高原环境空气温度随海拔高度的增加而降低,电工绝缘材料的热老化寿命取决于平均空气温度。高原气温寒冷，使设备密封结构容易破裂，外壳容易变形、龟裂。由于多路开关模块处于室内工作，因此受外界的严酷低温影响较小。但是由此引起的高原地区较大的昼夜温差不可忽视，对低压电器的材料机理破坏较大[5]。

3．3 实验环境和加速应力的选择

由以上分析可知,低压对多路开关模块的影响是多方面的，因此整个加速寿命试验应该放置在低压条件下进行。而这些影响因素引起失效的主要原因是，电子器件散热困难，产生高温，加速电子器件的寿命损耗。

同时由于高原地区昼夜大温差的存在，会对电子器件的组成结构和材料产生破坏，影响器件的可靠性。

综合以上分析，多路开关模块加速寿命试验需在低气压条件下进行，并且选取的加速应力为热应力。

3．4 加速应力的施加方式

热应力是多路开关模块加速寿命试验的加速应力，而形式不同的热应力如低温、高温和热冲击等引起的低压电器的失效模式互不相同[6]。由于要考虑到昼夜温差的影响，本方案主要研究热循环应力对低压电器可靠性的影响。

按照国家标准《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法Nb》中严酷等级、条件试验等相关规定，设计了该多路开关模块热循环加速试验的总体方案，如图2所示。该基本试验方案，用来检验试件承受环境温度变化的性能和在环境高低温循环过程中的工作性能[7][8]。

图2表明热循环加速试验中的一个循环周期内包括有低温期、高温期和两个高低温极值间的过渡变化期。其中，TA是循环周期的低温应力值，TB是循环周期的高温应力值，t1是暴露在高、低温应力值下的持续时间。

4 试验方案设计

4．1 试验平台设计

制定多路开关模块热循环加速寿命试验平台，关键是确定加载加速应力的方式和采集实时数据信息的方法。图3是高原环境下多路开关模块加速寿命试验平台示意图。下面对该试验平台进行阐述：

1）DC5 V供给：根据多路开关模块额定电压和供电特点，通过干式变压器把工业用电提供的三相电源380 V转变成单相交流电源220 V。接着，通过VXI机箱将交流电源转换为直流5 V，驱动多路开关模块运行。

图2 热循环试验基本示意图

图3 多路开关模块加速寿命试验平台框图

2）气压温度环境模拟：对于低压环境的模拟，试验箱应将气压保持在高原地区的平均水平60 kPa。对于温度应力条件的模拟，该试验箱必须具有调温功能，允许温度加载，且温度的应力水平可以被控制。

3）数据采集方式：由电脑发指令给VXI机箱控制多路开关模块通道的通断，当通道接通时数据采集仪器可以得到通道的导通电阻值。测试导通电阻值得过程中，采样频率偏小或者过偏，都不利于数据的分析处理。若频率偏大，则增加数据统计的负担，提升数据处理的难度。若频率偏小，则数据有限，难以展现电阻值变化的平滑性。根据以上分析，在热循环试验期间每间隔1 min，对多路开关的各通路电阻测试一次。一个循环结束之后，将该循环内测试的电阻值汇总，并分组保存[9]。

4．2 样品分组及加速应力水平制定

在热循环加速寿命试验中，高/低温循环是一种周期性交变的温度应力。这种交替往复作用能够看成由若干个高/低温恒定应力作用的累加[6]。该周期性交变的温度应力对试件可靠性造成的影响是一个复杂而缓慢的发展过程。因此从减小试验时间，提高费效比，加快多路开关模块失效进程出发，本文结合恒定应力加速寿命试验原理，制定了试验方案中的高温值。考虑到该模块的工作环境在室内，因此循环中的低温值不宜过低，均设定为产品的额定温度下界：-10 ℃。

在制订加速寿命试验方案时，通常会选择 3～5 个加速应力水平[10]，因此考虑到实际情况将这些试验样品分为4组，分别在试验箱内施加4种不同水平的高温加速应力。根据样品的分组情况，本方案在进行多路开关模块加速寿命试验时选定了4个等级的高温加速应力。

对于4个高温值的选取，根据加速应力水平选取原则，高温值的最低标准T1应该尽可能接近但又不能太过接近正常应力水平下的加速变量值。国际电工技术委员会做出过相关的规定，在制定高温值时，高温值的最低加速应力应不高于所要预测正常温度的20～25 k[11]。已知多路开关模块在平原地区工作时的温度约为40 ℃左右，由于气压的影响，该模块在高原地区工作时散热性能减弱，工作时的温度预计为45 ℃左右，故将最低温度应力水平定为65 ℃；而对于高温值的最高温度应力T4在兼顾调温箱工作极限的基础上，一般选择工作温度界限（当环境温度达到此界限值时，多路开关模块便会出现故障。这时将环境温度复原到设计界限以内，多路开关模块依旧可以照常运行）[5]。一般而言电磁继电器的工作温度在110 ℃左右，军品可达到更高温度，所以本方案考虑选择最高温度应力为110 ℃。对于热应力而言，当与T1与T4确定后，按照加速寿命试验理论，当温度作为加速应力时，致使试件故障的内部化学物理原理与加速应力之间的联系，可以通过Arrhenius模型进行描述[12]。根据Arrhenius模型，应力选取的原则为相邻应力的倒数之差相等，即

其中：最低应力水平是T1，最高应力水平是Tn，应力水平的总数为n。

通过上式可以计算出中间两个应力水平的数值分别是 T2=79 ℃、T3=94 ℃。

将各组试验选取的加速应力进行汇总，如表2所示。

表2 各组加速应力水平汇总情况

4．3 热循环加速试验参数的确定

GB/T 2423.22指出加速试验的高温值、低温值、温度之间的变化速率以及热循环次数共同确定了热循环试验的严酷等级。所以，本方案要对上所述涉及到的因素的主要参数进行分析确定。

如果没有特殊的规定和要求，试验机箱内中温度升降变化速率不能高过（5±1）℃/min。应按照（1±0.2）℃/min、（3±0.6）℃ /min或 者（5±1） ℃ /min进行相应的选取。如果是对昼夜温差变化进行模拟，那么（1±0.2）℃/min的变化速率最为适宜。试验的循环次数推荐为10、20、30、50、100、200次等[8]。从节约成本和时间的角度出发，可将循环次数定为20次。

按照试件在高、低温应力下的暴露时间t1的选取规定，如果则是试验试件的热响应时间，d是试验试件本身的温度与试验介质中温度的差，D是高温与低温应力值的差值。由摸底试验可知多路开关模块的热时间常数为8 min左右，确定多路开关模块热循环加速试验中在高、低温应力值的暴露时 间t1=60 min。

可将多路开关模块热循环加速寿命试验参数概括为如表3所示。

表3 热循环加速寿命试验参数

4．4 样品失效判断标准

在试验过程中，必须要明确样品什么样的状态可归为失效，样品的具体的失效判据制定要根据其自身性质来确定。按照国家标准—控制用电磁继电器可靠性试验通则中的相关判断依据，当试品在试验后检测中，任一项目的检测结果不符合产品标准的规定则视为失效[13]。由该模块的使用维护说明书可知，该模块每通道单线导通电阻必须小于等于1.5 Ω，否则可以判断为失效。与此同时要做好试验样品从试验开始到失效的时间记录存盘工作。

5 数据处理

将采集的数据进行处理，统计出每次热循环后该模块单线导通电阻的阻值。随着循环次数的增加，多路开关模块通道的吸附能力会降低，因此可以预见单线导通电阻值呈缓慢上升趋势，但增加幅度并不大，并不足以使得多路开关模块失效。因此必须估计出单线导通电阻值上升到1.5Ω时，试验样品所经历热循环的次数。

本方案通过灰色算法对产品在试验中的失效期限做灰色预测。以-10℃—110℃—-10℃这组应力水平中的样品为例，将其单线导通电阻值作为原始数据序列，即

则对x(0)进行一次累加运算（1-AGO），生成一次累加序列为

x(1)的均值序列（MEAN）为

由（2）式～（4）式中三组序列得到中间参数包为P=(C,D,E,F)

因此，序列中发展系数a，与灰色作用量b分别是

则有GM(1,1)模型为

而GM(1,1)白化响应式为

（8）式、（9）式就是灰色预测模型的拟合与预测公式。根据失效判据的规定单线导通电阻R=1.5 Ω，由灰色模型可以预测出-10 ℃～110 ℃～-10 ℃热循环试验中样品热循环寿命的次数。同理，可以运用同样的方法预测出-10 ℃ ～65 ℃ ～-10 ℃、-10 ℃～79 ℃ ～-10 ℃、-10 ℃～94 ℃～-10 ℃热循环试验中样品热循环寿命次数。

最后依据4种应力下的热循环寿命，利用多项式拟合方法推算出高原环境下多路开关的热循环寿命。

6 总结

本文在分析了高原环境因素对多路开关模块可靠性

影响的基础上，制定了加速寿命试验加速应力的类型和施加方式。出于对试验成本和时间的考虑，对试验样品施加了有限次的热循环，借助灰色模型预测出样品失效时经历热循环的次数，进而根据不同加速应力水平下的出的数据，评估出高原环境下该模块应有的寿命。由于目前有关高原环境下加速寿命试验的研究很少，本文只是在有限的学术成果上，设计出具有初探性的研究方案。试验方案中应力水平和参数的制定仍有一定的斟酌空间。

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[13]GB/T 15510-2008控制用电磁继电器可靠性试验通则[S].

Method for Calculating Moments and Products of Inertia of Large Assembly Under Airborne Circumstance

ZHOU Yi-ming1， WANG Qian1，YANG Shuo2
(1.Department of Aviation Ammunition, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000;2.Military Representative Office of Air-borne Missile Academy, Luoyang 471000)

In order to research the ALT method of a certain type multiplexer module under altitude environment, the testing environment and accelerated stress were chosen and the way to preload stress was decided according to the effect of altitude environment on multiplexer module and the theory of ALT. The ALT platform was designed and the specific parameter and definition of failure were decided according to National Standard , this paper also provided the mathematical method to judge the sample failed or not. There are few literatures on ALT under altitude environment for the moment, the design of testing scheme is worthy of being discussed.

altitude environment; multiplexermodule; ALT; scheme designing

TJ01

A

1004-7204(2017)04-0052-06

周一鸣（1992.02- ），男，硕士研究生，主要研究方向为机载武器系统与运用。