郎贺明

（太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

压力受感器（以下简称受感器）是大气数据探头的一种，安装在飞机外部，用于感受飞机飞行时的总压、静压、攻角压力气压信号，并输出给解算部件或飞机上的其他设备，以解算空速（飞行器相对于空气的速度）、高度、马赫数、攻角等飞行参数。故受感器对飞机的安全飞行十分重要。

分析受感器外场故障情况发现，不加温故障是其最主要的故障模式，占故障总数的40%左右。不加温故障会使受感器压力感受孔结冰堵塞，无法正常感受压力，影响飞行安全和任务完成。

通过对不加温受感器的解剖研究发现，不加温均是由受感器内部铠装加热器中心的电热合金丝（简称内丝）断路导致。但限于种种因素，对内丝断路的研究难度极大，目前对该问题的研究都是基于工程经验。通常认为铠装加热器是受感器的薄弱环节，其寿命即是受感器的寿命，并将铠装加热器类比为电子元器件，认为其寿命服从指数分布。但铠装加热器与电子元器件差异较大，两者无法完全类比。

为研究受感器寿命与可靠性问题，笔者赴外场收集了大量的受感器寿命数据。对受感器寿命分布问题进行了分析和研究，结合热疲劳理论对故障原理进行探讨，并根据拟合计算所得受感器寿命分布建立了寿命指标与可靠性指标之间的关系。

受感器属于不可维修产品，其寿命指标即为使用期限。使用期限分为工作寿命（设备自开始使用到报废的总工作时间）和日历寿命（设备自开始使用到报废的总日历时间），本文所提的使用期限指工作寿命。

1 影响受感器使用期限的因素

受感器安装在飞机外部，其工作环境即是飞机外部的飞行环境。受感器在工作中所受到的环境应力和工作应力主要由温度、潮湿、腐蚀性大气、结冰条件、振动、冲击、过载和因加热形成的高温所引起，这些环境因素对受感器产生不同的影响。

铠装加热器被钎料包裹，贴壁焊接在受感器内壁。一般来说，温度、潮湿、腐蚀性大气、结冰条件对其无影响。冲击和过载对受感器结构强度有影响，但对铠装加热器的寿命无影响。振动应力影响了铠装加热器的疲劳耐久，与寿命相关；加热形成的高温直接作用于内丝，也影响铠装加热器的寿命。所以，对受感器使用期限有影响的应力主要是由振动和加热形成的高温产生的。

内丝断路主要由缩颈、悬空、短接端损伤和绝缘层局部疏松引起。根据解剖分析结果，因缩颈、短接端损伤和绝缘层局部疏松引起的内丝断路占比极小，大部分断路位于悬空部位，所以悬空缺陷是导致内丝断路的主要原因。

2 寿命分布的拟合计算

在对受感器不加温的故障进行分析时，一般认为故障原因为铠装加热器悬空缺陷导致内丝过热熔断。内丝过热熔断是随机事件，与受感器工作过的时间无关，故认为其寿命服从指数分布。

根据前文对影响受感器使用期限的因素的分析可知，除因加热形成的高温外，受感器使用期限还受到振动的影响，所以受感器的故障率应与其工作过的时间有关，且工作过的时间越长，其故障率越高。用于描述耗损型寿命分布的函数为威布尔分布函数［1］。由以上分析可知，受感器实际的寿命分布规律应根据统计数据进行拟合分析获得。

（1）指数分布概率密度函数为：

其中：t为工作时间；λ为故障率，λ＞0。

（2）威布尔分布概率密度函数为：

其中：m为形状参数；η为尺度参数。

2014年对多个地域装备的某型受感器寿命数据进行了统计，使用Minitab16软件对数据进行了指数分布和威布尔分布的拟合计算分析。

拟合分析采用了Anderson-Dalring拟合优度检验算法，给出了Anderson-Dalring（调整）值和相关系数，以表示数据服从特定分布的近似程度。同时还给出了基于指数分布和威布尔分布的平均故障前时间（MTTF），计算结果如表1所示。表1中，指数分布的相关系数无结果是指计算结果超限，软件无法给出计算值。

表1 寿命拟合分布计算结果

由表1的计算结果可知，受感器寿命分布更接近于威布尔分布，而不服从指数分布。

之后又使用Minitab16软件进行了威布尔分布参数分析。经计算，该型受感器寿命分布的形状参数m值为3.4，95%置信区间为［2.5，4.6］；尺度参数η值为1 067.4，95%置信区间为［971.4，1 173.0］。

3 寿命分布的原理

根据本文前述的分析和计算结果，受感器寿命服从威布尔分布，不加温故障的主要原因是内丝受到了高温和振动两种应力综合作用产生的疲劳断裂。

受感器内丝材料为镍铬合金，金属结构件在常温下施加一定值的循环应力，应力值和结构疲劳断裂时的循环次数的关系符合S—N曲线特性［2］。

在常温金属结构件S—N曲线中，存在持久极限应力σr。当施加的循环应力值低于持久极限时，结构件永远不会断裂。但结构件在高温下的S—N特性与在常温下完全不同。高温环境下，金属结构件将无持久极限应力。同时，高温环境下结构断裂所持续的循环次数低于常温环境下的，即耐久寿命受高温作用而缩短。

铠装加热器是拉制而成，在拉制过程中，内丝内部金属晶格间会产生位错和滑移等微观缺陷，该缺陷无法完全消除，并形成疲劳源。当铠装加热器安装在受感器内部装机使用时，受高温和振动综合作用，微观的疲劳源会逐步扩展形成宏观的缺陷。这些缺陷使内丝有效通电的截面积减小，增加了该处的局部电阻，从而使局部功率增加，温度上升。升高的温度进一步推动了缺陷的扩展。当缺陷扩展使内丝截面积减小到一定程度时，或是直接断裂，或是高温熔断。而悬空缺陷加大了上述故障产生的概率，并加速了故障的发展。

4 受感器寿命和可靠性指标的关系

受感器的寿命指标为使用期限，可靠性指标为平均故障前时间（MTTF）。根据使用期限的定义，当规定产品的使用期限时，隐含了产品在规定使用期限范围内应满足一定可靠度的要求。这与文献［3］中对可靠寿命的定义吻合，故可假设受感器使用期限TL和可靠寿命TR满足如下关系：

工程计算上，通常认为两者相等。威布尔分布的可靠寿命为：

其中：R为可靠度。

设θ为平均故障前时间，即MTTF，则：

若已知威布尔分布参数，结合之前的假设，就可建立使用期限和MTTF之间的关系。

5 结论

（1）压力受感器使用期限服从威布尔分布。

（2）压力受感器不加温的主要原因为内丝在高温和振动综合作用下的疲劳断裂。

（3）悬空缺陷加速了不加温故障的产生和发展。

（4）若已知威布尔分布参数，可以建立受感器使用期限和MTTF之间的关系。