某型航空包装箱加速试验方法研究

赵帅帅，许玉珍，陈靖怡，杜雨芳

（1.北京强度环境研究所，北京 100076；2.中国包装科研测试中心，天津 300457）

加速试验自美罗姆航展中心1967年首次给出统一定义至今，已成功地应用于航天、航空、民用等诸多领域[1-7]。目前国内探讨较多的应力施加方法是恒定和步进单应力加速方法，多应力加速方法较少[8-14]。对于机械产品，在工作期间除工作应力外，还会受到温度、湿度、振动等各种环境应力的综合影响而产生故障。某型航空包装箱使用寿命为16年，用于运输高精度飞机零部件，在运输装卸过程中，易受综合应力影响而发生损坏，影响运输件安全。为了激发航空包装箱使用寿命内的薄弱环节，文中基于寿命期剖面和故障机理分析，设计了多应力加速试验方法，暴露产品缺陷，进而通过改进措施提升包装箱可靠性水平。

1 寿命期剖面和故障机理分析

寿命期剖面为产品自出厂到退役（包括报废）过程中有关事件和条件的时间历程[15]。某型航空包装箱的寿命期剖面如图1所示。

航空包装箱潜在故障模式及机理分析如下：受环境因素而造成的老化；高温高湿造成包装箱金属紧固件锈蚀，影响结构强度；陆运、海运过程中受到振动造成机械损伤；叉车装运过程中，叉齿碰撞造成机械损伤；反复拆装造成机械损伤；装卸和运输过程中受到的冲击和跌落造成机械损伤。

包装箱寿命期内环境应力包括自然环境应力和诱发环境应力。自然环境应力中敏感应力主要是海运过程中的湿热应力；诱发环境应力中的敏感应力主要是陆运、海运、装卸过程中的随机振动、叉运、人工拆装、冲击、跌落，这些敏感应力选作加速试验应力。

图1 航空包装箱寿命期剖面

2 加速试验

基于寿命期剖面和故障机理分析，参照标准，设计加速试验方案。

2.1 加速方法

依据IEC 62506—2013的加速方法[16]，航空包装箱主要通过三种手段实现加速。

1）时间压缩方法是一种只考虑产品明显损伤状态下的持续时间的加速试验方法，适用于那些产品工作应力及其累计损伤明显高于其他工作模式（非工作状态或者备用状态）下的场合。航空包装箱只考虑寿命期内装卸和运输等对产品有明显损伤的时间段，而忽略存储等备用状态对产品基本无损伤的时间段。

2）事件压缩方法适用于当一种应力是不断循环的，可以通过增加应力重复频次来实现加速的场合。这种方式下，产品动作的次数应该与其实际使用时产生的累积损伤效果保持一致。包装箱承受的叉运、人工拆装、冲击、跌落应力均采用事件压缩方法。

3）加大应力方法主要通过加大环境应力来实现加速目的。包装箱承受的湿热、随机振动应力采用此方法加速，加速应力不超过包装箱的工作极限应力。

2.2 试验方案

基于寿命期剖面和敏感应力分析，航空包装箱加速试验项目包括湿热试验、随机振动试验、叉运试验、人工拆装试验、冲击试验和跌落试验。对于应力施加方式，以每种应力模拟寿命期的累积损伤为原则，兼顾工程上湿热应力与其他应力综合施加导致试验经费的大幅增加。因此，加速试验方案采用依次施加各种应力的方式，此方法也被IEC 62506—2013及文献[17]推荐和采用。

1）湿热试验采用加大应力方法，主要考核海运过程中高温高湿环境对包装箱金属紧固件的影响。湿热试验仅加速温度应力，选取海运高温高湿时间段的平均相对湿度85%，温度应力选取85 ℃，金属紧固件材质为铝合金，激活能为 0.48 eV，海运过程中的平均温度为25 ℃。采用阿伦尼斯模型[18]，根据式（1）求取加速因子为22.94。包装箱海运过程1年经历高温高湿环境为 90天，模拟 1年的湿热试验时间为94 h。

式中：E为激活能；k为玻尔兹曼常数，k=8.617×10-5eV/℃；t0是正常温度；tj是加速温度。

2）随机振动试验采用加大应力方法，主要考核陆运、海运过程中振动对包装箱结构的影响，包括陆运随机振动试验和海运随机振动试验。陆运随机振动试验条件按照ISTA 3E—2009进行[19]，1年中陆运里程为360 km，振动量级Grms=0.52，时间为30 min。海运随机振动试验条件在海运实测随机振动条件振动量值Grms基础上增大至10倍，疲劳等价关系见式（2），其中，材料常量k取值2[20]。1年中海运随机振动加速后振动量级Grms=0.22，时间为42 min。

式中：T1为试验的时间；T0为实际的时间；W0为实测的随机振动量值，见图2；W1为试验的随机振动量值；Grms0为实测的随机振动加速度均方根值；Grms1为试验的随机振动量加速度均方根值。

3）叉运和人工拆装试验。叉运和人工拆装试验采用事件压缩方法，主要考核装卸过程中叉运和人工拆装对包装箱结构的影响。经过统计，包装箱1年平均经历叉运36次，人工拆装6次，按照该次数模拟实际叉运和拆装过程进行试验。

图2 实测随机振动条件Fig.2 Determined condition of random vibration

4）冲击和跌落试验。冲击和跌落试验采用事件压缩方法，主要考核运输和装卸过程中冲击和跌落对包装箱结构的影响。经过统计，包装箱1年平均经历冲击18次，跌落9次，按照该次数进行试验，冲击和跌落位置平均分配于不同面和棱。

5）总体方案。包装箱加速试验共16个循环，每个循环等效1年，模拟包装箱16年使用寿命过程中敏感应力湿热、随机振动、叉运、人工拆装、冲击和跌落的综合影响。每个循环试验按 1）—4）中规定的量级和时间进行，试验时间为6天，总试验时间为96天。

2.3 试验结果

试验过程中，金属紧固件发生锈蚀。在第13个循环，包装箱侧板分离，结构出现部分损坏，部分试验故障如图3所示。针对故障进行了分析，并采取了改进措施[21]：对金属紧固件增加了防锈处理工艺，对损坏部位进行了加固设计，增强了包装箱的结构强度。对改进后的产品增加了2个循环的试验，验证改进措施的有效性，后续试验未出现故障。通过本次试验，包装箱的可靠性水平得到了提高，在预防性维修的情况下，使用寿命满足16年设计要求。

图3 试验故障Fig.3 Test failure

3 结语

为了激发航空包装箱16年使用寿命内的薄弱环节，文中基于寿命期剖面和故障机理分析，设计了多应力加速试验方法。试验时间加速至96天，快速暴露了产品缺陷，进而通过改进措施提升了包装箱可靠性水平。因此，对于使用工况复杂产品，准确建立寿命期剖面和定位敏感应力，合理设计加速试验方法，可以有效地激发产品寿命期薄弱环节，提升产品可靠性水平。