伺服渦輪泵入口密封膜片加速貯存試驗(yàn)研究

李沛劍 王志峰 郭軍剛

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伺服渦輪泵入口密封膜片加速貯存試驗(yàn)研究

李沛劍1王志峰2郭軍剛2

（1. 海軍駐航天一院軍事代表室，北京 100076；2. 北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

依據(jù)膜片材料性能及產(chǎn)品失效模式，制訂了膜片加速貯存試驗(yàn)方案。結(jié)合加速貯存和壽命分布相關(guān)理論模型和方法，對(duì)某型渦輪泵入口密封膜片組件進(jìn)行加速貯存試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了膜片組件貯存期的指標(biāo)要求，并獲取了膜片組件的貯存壽命與貯存可靠性的相關(guān)評(píng)估結(jié)果。

膜片；加速貯存；試驗(yàn)；失效；渦輪泵

1 引言

某型膜片組件（以下簡(jiǎn)稱產(chǎn)品或膜片組件）用于航天伺服燃?xì)庠矗ㄒ淮文茉矗┡c渦輪泵式伺服液壓源（二次能源）之間的結(jié)構(gòu)密封，安裝于渦輪泵的進(jìn)氣入口處。膜片組件結(jié)構(gòu)件為金屬材料，膜片為有機(jī)玻璃材料，膜片粘接于結(jié)構(gòu)件上。

圖1 膜片組件結(jié)構(gòu)示意圖

其結(jié)構(gòu)組成見圖1（1所指?jìng)?cè)為膜片正向，與燃?xì)庠聪嗤ǎ?所指?jìng)?cè)為膜片反向，與渦輪腔相通）。膜片組件的主要作用是阻止渦輪泵式伺服液壓源在長(zhǎng)期貯存時(shí)微滲的液壓油介質(zhì)從渦輪腔流入伺服燃?xì)庠慈紵?，污染損壞燃?xì)獍l(fā)生劑。

2 產(chǎn)品加速貯存試驗(yàn)方法

2.1 產(chǎn)品貯存失效分析

產(chǎn)品在規(guī)定環(huán)境下貯存，其材料性能參數(shù)會(huì)變化，材料強(qiáng)度隨貯存時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。膜片結(jié)構(gòu)件是金屬材料，可以忽略其性能變化；而非金屬材料在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中存在可觀的老化問(wèn)題，性能隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而相應(yīng)下降。膜片組件非金屬材料見表1。

表1 膜片組件用非金屬材料明細(xì)

膜片組件主要起密封隔離作用。有機(jī)玻璃和膠粘劑在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中受環(huán)境應(yīng)力的影響老化，性能下降，出現(xiàn)膜片破裂和膜片與結(jié)構(gòu)件脫粘的現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效。膜片組件的失效模式和失效判據(jù)如下：

失效模式：有機(jī)玻璃膜片老化破裂或膜片與結(jié)構(gòu)件脫粘。

失效判據(jù)：考慮膜片組件在使用過(guò)程中最惡劣的環(huán)境，即渦輪腔內(nèi)充滿液壓油，且腔內(nèi)壓力最高為0.34MPa，因此膜片組件的失效判據(jù)為0.34MPa下保持1min氣密性試驗(yàn)出現(xiàn)泄漏。

2.2 加速貯存方法

根據(jù)產(chǎn)品工程研制經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用恒應(yīng)力加速貯存試驗(yàn)方法，并從眾多影響因素中選取主要因素——溫度，作為試驗(yàn)加速應(yīng)力。為得到試驗(yàn)所需的加速應(yīng)力水平，試驗(yàn)前期開展了溫度摸底試驗(yàn)。

2.2.1 理論模型

設(shè)膜片組件的壽命服從Weibull分布[1～3]，其分布函數(shù)和概率密度函數(shù)分別為：

其中，參數(shù)為形狀參數(shù)，為尺度參數(shù)或特征壽命。

膜片組件加速貯存采用溫度為加速應(yīng)力，假設(shè)加速模型為Arrhenius模型：

式中，為某壽命特征，為激活能，為波爾茲曼常數(shù)，為絕對(duì)溫度，為正常數(shù)。

該模型兩邊取對(duì)數(shù)有：

其中，是某壽命特征，，為待定常數(shù)。

對(duì)于Weibull分布，其似然函數(shù)為：

利用參數(shù)估計(jì)值求得貯存期為的貯存可靠性估計(jì)值()，貯存可靠性為的貯存期估計(jì)t，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

通過(guò)參數(shù)估計(jì)的近似方差陣，貯存壽命、貯存可靠性與待估參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，求得待估參數(shù)點(diǎn)估計(jì)對(duì)數(shù)的近似方差，利用最大似然估計(jì)函數(shù)關(guān)系式的近似正態(tài)性，得到正常貯存時(shí)的貯存可靠壽命下限和貯存可靠性下限。

2.2.2 試驗(yàn)方法

加速試驗(yàn)應(yīng)保持失效機(jī)理不變。為確定膜片組件加速貯存試驗(yàn)的溫度應(yīng)力上限，首先溫度摸底試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在溫度應(yīng)力上限以下選取若干組加速應(yīng)力水平。

將膜片試件按應(yīng)力組隨機(jī)分配，置于專用試驗(yàn)工裝內(nèi)。為模擬膜片組件貯存最惡劣狀態(tài)，需在組件內(nèi)（2向）注入15號(hào)航空液壓油。各組分別加載溫度應(yīng)力，試驗(yàn)溫度的溫升及降溫速率不超過(guò)1℃/min。將各試驗(yàn)溫度下的試件按規(guī)定的時(shí)間間隔取出，進(jìn)行0.34MPa下保持1min氣密性試驗(yàn)，記錄膜片組件氣密性不滿足產(chǎn)品性能要求的時(shí)間作為失效壽命數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)采用定期檢測(cè)的方法獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于定期檢測(cè)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過(guò)插值的方法確定試樣的具體失效時(shí)間；采用定數(shù)截尾與定時(shí)截尾相結(jié)合的方法判斷試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

膜片組件恒定溫度加速貯存試驗(yàn)剖面見圖2。

圖2 膜片組件加速貯存試驗(yàn)剖面

各溫度下的有效試驗(yàn)時(shí)間120d（2880h），累計(jì)共進(jìn)行24次測(cè)試。其中，100℃下3件產(chǎn)品失效。失效試驗(yàn)件如圖3。

圖3 膜片組件失效試件照片

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

100℃下3件產(chǎn)品失效分別在1440h（60d）、1560h（65d）、1680h（70d）試驗(yàn)后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。100℃下的總試驗(yàn)時(shí)間為2880h（120d），3個(gè)失效出現(xiàn)在試驗(yàn)進(jìn)程的一半左右，之后至試驗(yàn)截止，再無(wú)失效發(fā)生，故100℃下的這3個(gè)故障可判定為早期失效。

膜片組件局部脫粘的早期失效可能是由于膠層較薄或涂抹不均勻等原因造成的。若將早期失效數(shù)據(jù)與其他正常產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一起分析，會(huì)增大正常產(chǎn)品的離散性，使得產(chǎn)品可靠性特征量的區(qū)間估計(jì)下限值偏低。故將膜片組件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為早期失效數(shù)據(jù)和正常產(chǎn)品數(shù)據(jù)分別分析。由于只有100℃下存在失效數(shù)據(jù)，因此本次試驗(yàn)采用100℃下的數(shù)據(jù)分析評(píng)估壽命，利用溫度加速的范德霍夫規(guī)則（10度規(guī)則）[4，5]外推25℃下的可靠貯存壽命。

3.2.1 早期失效數(shù)據(jù)分析

將100℃下膜片組件的區(qū)間失效數(shù)據(jù)線性插值[6]，得到失效產(chǎn)品的具體失效時(shí)間，根據(jù)壽命分布擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果，采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布和極大似然方法，計(jì)算早期失效的膜片組件在100℃下的平均壽命和可靠貯存壽命，結(jié)果見表2，可靠性函數(shù)曲線如圖4。

表2 100℃下早期失效膜片組件貯存壽命評(píng)估結(jié)果 h

圖4 100℃下早期失效膜片組件的可靠性曲線

根據(jù)范德霍夫規(guī)則外推早期失效的膜片組件在25℃下的平均壽命和可靠貯存壽命，結(jié)果見表3。

表3 25℃下早期失效膜片組件貯存壽命評(píng)估結(jié)果a

3.2.2 截尾數(shù)據(jù)分析

利用100℃下的截尾數(shù)據(jù)，采用極大似然方法，計(jì)算得到膜片組件在100℃下的平均貯存壽命和可靠貯存壽命如表4所示，此段截尾數(shù)據(jù)無(wú)失效出現(xiàn)，故采用1參數(shù)Weibull分布分析計(jì)算[7，8]，Weibull分布的形狀參數(shù)取為8。根據(jù)范德霍夫規(guī)則外推膜片組件在25℃下的平均壽命和可靠貯存壽命，結(jié)果如表5所示。

表4 100℃下膜片組件的貯存壽命評(píng)估結(jié)果 h

表5 25℃下膜片組件的貯存壽命評(píng)估結(jié)果 a

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本次膜片組件加速貯存試驗(yàn)的試驗(yàn)情況和現(xiàn)有數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果，有如下結(jié)論：

a. 按早期失效保守分析，在貯存溫度為25℃的條件下，當(dāng)貯存可靠度為0.99999，置信水平為0.8h，膜片組件的貯存壽命可滿足18a的貯存期要求；

b. 由于失效數(shù)據(jù)較少，且多組應(yīng)力水平下無(wú)失效數(shù)據(jù)，外推采用了經(jīng)驗(yàn)的范德霍夫規(guī)則（10度規(guī)則），可能造成評(píng)估結(jié)果與實(shí)際貯存壽命存在偏差；

c. 根據(jù)膜片組件摸底試驗(yàn)和加速貯存試驗(yàn)現(xiàn)象分析，膜片組件存在的兩種失效模式（膜片破裂和膜片脫粘）中，膜片脫粘是其在貯存環(huán)境下的首要失效模式，先于膜片破裂出現(xiàn)。

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Accelerated Storage Test Study of A Sealing Diaphragm Used in Inlet of A Servo Turbo-pump

Li Peijian1Wang Zhifeng2Guo Jungang2

(1. Navy Deputy Office in CALT, Beijing 100076; 2. Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing 100076)

An accelerated storage scheme was formulated up by a sealing diaphragm material property and failure mechanism. An accelerated storage test study for a servo turbo-pump inlet sealing diaphragm was carried out in accordance with related theory model and method based on accelerated storage and life distribution. The test validated the quota parameter of sealing diaphragm storage period and obtained evaluating result based on the storage life and storage reliability of the diaphragm assembly.

diaphragm；accelerated storage；test；failure；turbo-pump

李沛劍（1979），工程師，機(jī)械電子工程專業(yè)；研究方向：導(dǎo)彈總體及伺服技術(shù)。

2019-01-08