郎賀明

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

壓力受感器（以下簡稱受感器）是大氣數(shù)據(jù)探頭的一種，安裝在飛機外部，用于感受飛機飛行時的總壓、靜壓、攻角壓力氣壓信號，并輸出給解算部件或飛機上的其他設(shè)備，以解算空速（飛行器相對于空氣的速度）、高度、馬赫數(shù)、攻角等飛行參數(shù)。故受感器對飛機的安全飛行十分重要。

分析受感器外場故障情況發(fā)現(xiàn)，不加溫故障是其最主要的故障模式，占故障總數(shù)的40%左右。不加溫故障會使受感器壓力感受孔結(jié)冰堵塞，無法正常感受壓力，影響飛行安全和任務(wù)完成。

通過對不加溫受感器的解剖研究發(fā)現(xiàn)，不加溫均是由受感器內(nèi)部鎧裝加熱器中心的電熱合金絲（簡稱內(nèi)絲）斷路導致。但限于種種因素，對內(nèi)絲斷路的研究難度極大，目前對該問題的研究都是基于工程經(jīng)驗。通常認為鎧裝加熱器是受感器的薄弱環(huán)節(jié)，其壽命即是受感器的壽命，并將鎧裝加熱器類比為電子元器件，認為其壽命服從指數(shù)分布。但鎧裝加熱器與電子元器件差異較大，兩者無法完全類比。

為研究受感器壽命與可靠性問題，筆者赴外場收集了大量的受感器壽命數(shù)據(jù)。對受感器壽命分布問題進行了分析和研究，結(jié)合熱疲勞理論對故障原理進行探討，并根據(jù)擬合計算所得受感器壽命分布建立了壽命指標與可靠性指標之間的關(guān)系。

受感器屬于不可維修產(chǎn)品，其壽命指標即為使用期限。使用期限分為工作壽命（設(shè)備自開始使用到報廢的總工作時間）和日歷壽命（設(shè)備自開始使用到報廢的總?cè)諝v時間），本文所提的使用期限指工作壽命。

1 影響受感器使用期限的因素

受感器安裝在飛機外部，其工作環(huán)境即是飛機外部的飛行環(huán)境。受感器在工作中所受到的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力主要由溫度、潮濕、腐蝕性大氣、結(jié)冰條件、振動、沖擊、過載和因加熱形成的高溫所引起，這些環(huán)境因素對受感器產(chǎn)生不同的影響。

鎧裝加熱器被釬料包裹，貼壁焊接在受感器內(nèi)壁。一般來說，溫度、潮濕、腐蝕性大氣、結(jié)冰條件對其無影響。沖擊和過載對受感器結(jié)構(gòu)強度有影響，但對鎧裝加熱器的壽命無影響。振動應(yīng)力影響了鎧裝加熱器的疲勞耐久，與壽命相關(guān)；加熱形成的高溫直接作用于內(nèi)絲，也影響鎧裝加熱器的壽命。所以，對受感器使用期限有影響的應(yīng)力主要是由振動和加熱形成的高溫產(chǎn)生的。

內(nèi)絲斷路主要由縮頸、懸空、短接端損傷和絕緣層局部疏松引起。根據(jù)解剖分析結(jié)果，因縮頸、短接端損傷和絕緣層局部疏松引起的內(nèi)絲斷路占比極小，大部分斷路位于懸空部位，所以懸空缺陷是導致內(nèi)絲斷路的主要原因。

2 壽命分布的擬合計算

在對受感器不加溫的故障進行分析時，一般認為故障原因為鎧裝加熱器懸空缺陷導致內(nèi)絲過熱熔斷。內(nèi)絲過熱熔斷是隨機事件，與受感器工作過的時間無關(guān)，故認為其壽命服從指數(shù)分布。

根據(jù)前文對影響受感器使用期限的因素的分析可知，除因加熱形成的高溫外，受感器使用期限還受到振動的影響，所以受感器的故障率應(yīng)與其工作過的時間有關(guān)，且工作過的時間越長，其故障率越高。用于描述耗損型壽命分布的函數(shù)為威布爾分布函數(shù)［1］。由以上分析可知，受感器實際的壽命分布規(guī)律應(yīng)根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行擬合分析獲得。

（1）指數(shù)分布概率密度函數(shù)為：

其中：t為工作時間；λ為故障率，λ＞0。

（2）威布爾分布概率密度函數(shù)為：

其中：m為形狀參數(shù)；η為尺度參數(shù)。

2014年對多個地域裝備的某型受感器壽命數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，使用Minitab16軟件對數(shù)據(jù)進行了指數(shù)分布和威布爾分布的擬合計算分析。

擬合分析采用了Anderson-Dalring擬合優(yōu)度檢驗算法，給出了Anderson-Dalring（調(diào)整）值和相關(guān)系數(shù)，以表示數(shù)據(jù)服從特定分布的近似程度。同時還給出了基于指數(shù)分布和威布爾分布的平均故障前時間（MTTF），計算結(jié)果如表1所示。表1中，指數(shù)分布的相關(guān)系數(shù)無結(jié)果是指計算結(jié)果超限，軟件無法給出計算值。

表1 壽命擬合分布計算結(jié)果

由表1的計算結(jié)果可知，受感器壽命分布更接近于威布爾分布，而不服從指數(shù)分布。

之后又使用Minitab16軟件進行了威布爾分布參數(shù)分析。經(jīng)計算，該型受感器壽命分布的形狀參數(shù)m值為3.4，95%置信區(qū)間為［2.5，4.6］；尺度參數(shù)η值為1 067.4，95%置信區(qū)間為［971.4，1 173.0］。

3 壽命分布的原理

根據(jù)本文前述的分析和計算結(jié)果，受感器壽命服從威布爾分布，不加溫故障的主要原因是內(nèi)絲受到了高溫和振動兩種應(yīng)力綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂。

受感器內(nèi)絲材料為鎳鉻合金，金屬結(jié)構(gòu)件在常溫下施加一定值的循環(huán)應(yīng)力，應(yīng)力值和結(jié)構(gòu)疲勞斷裂時的循環(huán)次數(shù)的關(guān)系符合S—N曲線特性［2］。

在常溫金屬結(jié)構(gòu)件S—N曲線中，存在持久極限應(yīng)力σr。當施加的循環(huán)應(yīng)力值低于持久極限時，結(jié)構(gòu)件永遠不會斷裂。但結(jié)構(gòu)件在高溫下的S—N特性與在常溫下完全不同。高溫環(huán)境下，金屬結(jié)構(gòu)件將無持久極限應(yīng)力。同時，高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)斷裂所持續(xù)的循環(huán)次數(shù)低于常溫環(huán)境下的，即耐久壽命受高溫作用而縮短。

鎧裝加熱器是拉制而成，在拉制過程中，內(nèi)絲內(nèi)部金屬晶格間會產(chǎn)生位錯和滑移等微觀缺陷，該缺陷無法完全消除，并形成疲勞源。當鎧裝加熱器安裝在受感器內(nèi)部裝機使用時，受高溫和振動綜合作用，微觀的疲勞源會逐步擴展形成宏觀的缺陷。這些缺陷使內(nèi)絲有效通電的截面積減小，增加了該處的局部電阻，從而使局部功率增加，溫度上升。升高的溫度進一步推動了缺陷的擴展。當缺陷擴展使內(nèi)絲截面積減小到一定程度時，或是直接斷裂，或是高溫熔斷。而懸空缺陷加大了上述故障產(chǎn)生的概率，并加速了故障的發(fā)展。

4 受感器壽命和可靠性指標的關(guān)系

受感器的壽命指標為使用期限，可靠性指標為平均故障前時間（MTTF）。根據(jù)使用期限的定義，當規(guī)定產(chǎn)品的使用期限時，隱含了產(chǎn)品在規(guī)定使用期限范圍內(nèi)應(yīng)滿足一定可靠度的要求。這與文獻［3］中對可靠壽命的定義吻合，故可假設(shè)受感器使用期限TL和可靠壽命TR滿足如下關(guān)系：

工程計算上，通常認為兩者相等。威布爾分布的可靠壽命為：

其中：R為可靠度。

設(shè)θ為平均故障前時間，即MTTF，則：

若已知威布爾分布參數(shù)，結(jié)合之前的假設(shè)，就可建立使用期限和MTTF之間的關(guān)系。

5 結(jié)論

（1）壓力受感器使用期限服從威布爾分布。

（2）壓力受感器不加溫的主要原因為內(nèi)絲在高溫和振動綜合作用下的疲勞斷裂。

（3）懸空缺陷加速了不加溫故障的產(chǎn)生和發(fā)展。

（4）若已知威布爾分布參數(shù)，可以建立受感器使用期限和MTTF之間的關(guān)系。