機(jī)載燃油泵性能退化試驗(yàn)研究*

孫 萌，景 博，黃以鋒，焦曉璇，江 勇

（1.空軍航空大學(xué)，山東 淄博 255300；2.空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，西安 710038）

0 引言

隨著科技水平的飛躍式發(fā)展，制造工業(yè)精密化、新型復(fù)合材料的層出不窮，高可靠、長(zhǎng)壽命產(chǎn)品在航空航天、電子工業(yè)、信息工業(yè)等各大工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛［1］。然而，隨著產(chǎn)品可靠性的提高，對(duì)于這些產(chǎn)品，幾乎無法通過壽命試驗(yàn)或加速壽命試驗(yàn)取得足夠多的失效壽命數(shù)據(jù)，甚至還會(huì)出現(xiàn)“零失效”現(xiàn)象，因此，通過壽命試驗(yàn)或加速壽命試驗(yàn)確定其壽命分布是非常困難的。但是，產(chǎn)品性能退化過程中包含著大量可信、精確而又有用的與產(chǎn)品壽命有關(guān)的關(guān)鍵信息，所以從產(chǎn)品性能參數(shù)的變化著手，通過性能退化試驗(yàn)取得退化數(shù)據(jù)，利用退化數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品功能的退化過程進(jìn)行分析，從而對(duì)產(chǎn)品壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，可彌補(bǔ)長(zhǎng)壽命產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)信息量不足的問題［2］。

機(jī)載燃油泵是飛機(jī)燃油系統(tǒng)的核心附件，是一種典型的高可靠、長(zhǎng)壽命機(jī)電部件，其壽命預(yù)測(cè)一直存在著無失效數(shù)據(jù)的問題，因此，需要借助于性能退化試驗(yàn)測(cè)得燃油泵在運(yùn)行過程中的退化信息，從而對(duì)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前，在機(jī)載燃油泵試驗(yàn)研究中，Veilleux［3］開展了燃油控制系統(tǒng)中燃油泵的地面健康測(cè)試，Ribarov［4］等公開了一種包含3 個(gè)燃油泵子系統(tǒng)的飛機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)，虞柯發(fā)［5］等設(shè)計(jì)了燃油泵高低溫性能測(cè)試臺(tái)，周軍［6］等發(fā)明了一種用于過壓時(shí)油液自動(dòng)回收的燃油泵試驗(yàn)臺(tái)，但是這些試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試參數(shù)比較簡(jiǎn)單，都主要用于修理后或裝機(jī)前對(duì)燃油泵進(jìn)行性能檢測(cè)驗(yàn)收。在同類產(chǎn)品的性能退化試驗(yàn)中，Petransky［7］設(shè)計(jì)一種帶有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電動(dòng)液壓測(cè)試臺(tái)，用于油液污染條件下航空液壓泵的壽命測(cè)試。楊旸［8］也選用油液污染度作為試驗(yàn)應(yīng)力進(jìn)行齒輪泵磨損的壽命試驗(yàn)研究，齒輪泵油液循環(huán)率高，磨粒殘留較多，但是燃油泵的油液只有部分油路循環(huán)，磨粒少，清潔度較好，油液污染度不適合作為敏感應(yīng)力。郭銳［9］選用轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)應(yīng)力進(jìn)行航空液壓泵的退化試驗(yàn)研究，但是燃油泵增大轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致泵工作點(diǎn)偏移較大，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，不適合作為試驗(yàn)應(yīng)力。顯然同類產(chǎn)品的性能退化試驗(yàn)方法都不適合用于燃油泵，因此，需要開展機(jī)載燃油泵性能退化試驗(yàn)研究，彌補(bǔ)燃油泵壽命預(yù)測(cè)無失效數(shù)據(jù)的缺陷，獲取刻畫燃油泵退化規(guī)律的退化數(shù)據(jù)，從而推斷燃油泵的壽命和可靠性特征。

針對(duì)上述問題，提出機(jī)載燃油泵性能退化試驗(yàn)。首先在燃油泵失效機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)性能退化試驗(yàn)方案，選取電應(yīng)力作為試驗(yàn)應(yīng)力，制定電應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)剖面。其次搭建了燃油泵在電應(yīng)力載荷下的性能退化試驗(yàn)臺(tái)，可模擬飛機(jī)燃油泵注油循環(huán)過程，施加電應(yīng)力載荷，采集飛機(jī)燃油泵出口壓力和溫度信號(hào)。最后利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，驗(yàn)證該試驗(yàn)方案和平臺(tái)的可行性和有效性。

1 燃油泵性能退化試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)應(yīng)力的選取

機(jī)載燃油泵是飛機(jī)燃油系統(tǒng)中的核心附件之一，用于散熱系統(tǒng)總管輸送燃油和從4 號(hào)油箱輸油，輸油過程中，燃油泵應(yīng)保證系統(tǒng)的流量和壓力要求［10］。機(jī)載燃油泵的退化失效主要包括疲勞、腐蝕、裂紋等，表1 提供了燃油泵典型的失效機(jī)理及所影響的材料、相關(guān)應(yīng)力。

表1 燃油泵失效機(jī)理分析

疲勞和裂紋主要涉及到燃油泵大部分的金屬零件，會(huì)導(dǎo)致油泵口、殼體組件等零件產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂紋、破損或者斷裂。腐蝕和侵蝕風(fēng)化主要涉及到燃油泵的密橡膠封圈，密封圈的老化會(huì)導(dǎo)致燃油泵內(nèi)部發(fā)生泄露，效率下降。磨損是影響燃油泵壽命最主要的失效方式，會(huì)導(dǎo)致燃油泵發(fā)熱，性能下降。在對(duì)故障的燃油泵拆解后發(fā)現(xiàn)，磨損主要發(fā)生在軸承、殼體組件和轉(zhuǎn)子組件3 個(gè)零件，其中電動(dòng)機(jī)的軸承因?yàn)槌惺艿綔囟群驼駝?dòng)載荷比較大，是最容易出現(xiàn)磨損。

根據(jù)表1 影響的應(yīng)力可知，導(dǎo)致軸承磨損的應(yīng)力主要包括轉(zhuǎn)速、微粒污染物、電應(yīng)力和溫度4 種，該型燃油泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為（5 500～5 600）r/min，基本固定不變，所以轉(zhuǎn)速對(duì)燃油泵的磨損影響特別小。燃油泵的油液只有部分油路循環(huán)，燃油中的磨粒少，清潔度較好，微粒污染度對(duì)燃油泵的影響比較小。溫度升高不僅可降低材料機(jī)械性能，增大表面接觸凸面的金屬擴(kuò)散與塑性變形，而且會(huì)降低油液黏度，破壞邊界油膜，所以溫度會(huì)同時(shí)引起磨損、疲勞、裂紋等多個(gè)失效的產(chǎn)生，失效機(jī)理復(fù)雜多變。在不同的飛行任務(wù)下飛機(jī)供電系統(tǒng)輸送給燃油泵不同幅值的中頻電壓，電壓幅值的變化是導(dǎo)致燃油泵軸承磨損的主要應(yīng)力，因此，選取電應(yīng)力作為試驗(yàn)應(yīng)力。

1.2 應(yīng)力水平的確定

試驗(yàn)應(yīng)力水平是在產(chǎn)品正常工作時(shí)的應(yīng)力水平與產(chǎn)品在該應(yīng)力下的工作極限之間選取，電應(yīng)力過高會(huì)導(dǎo)致燃油泵電動(dòng)機(jī)的定子磁通接近飽和狀態(tài)，出現(xiàn)電流極具增大，電機(jī)效率下降而發(fā)熱嚴(yán)重，電壓過低時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，散熱效率下降，易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象燒毀電機(jī)［11］。

在可靠性鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)［12］（GJB899A-2009）中關(guān)于直升機(jī)給燃油泵提供的電應(yīng)力規(guī)定，在機(jī)載燃油泵性能退化試驗(yàn)中確定標(biāo)稱電壓為115 V，高電壓為122 V，低電壓為105 V。

1.3 測(cè)試方法分析

測(cè)試方法分析是根據(jù)燃油泵的故障影響確定合理的測(cè)試參數(shù)反應(yīng)燃油泵的性能。電機(jī)軸承磨損是燃油泵最主要的失效模式，在該失效模式下會(huì)出現(xiàn)出口壓力不足的故障現(xiàn)象，影響燃油泵向散熱總管輸送燃油和從4 號(hào)油箱輸油。

針對(duì)壓力不足的故障現(xiàn)象確定測(cè)試參數(shù)為基準(zhǔn)流量1 200 L/h 下的出口壓力。出口壓力信號(hào)和流量信號(hào)需要通過傳感器獲得定量的描述，壓阻式壓力傳感器是利用壓阻效應(yīng)和集成電路制成的、直接將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，安裝方便，靈敏度高，因此，選用壓電式壓力傳感器測(cè)量出口壓力。渦輪流量計(jì)是一種精密流量測(cè)量?jī)x表，具有流量范圍寬，重復(fù)性好等特點(diǎn)，因此，選用渦輪流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量。

1.4 試驗(yàn)剖面

根據(jù)選取的試驗(yàn)應(yīng)力和應(yīng)力水平，制定電應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)剖面如圖1 所示，設(shè)備工作狀態(tài)的電應(yīng)力按照以下要求變化：第1 試驗(yàn)循環(huán)：25%的時(shí)間輸入電壓為高電壓。第2 試驗(yàn)循環(huán)：50%的時(shí)間輸入電壓為標(biāo)稱電壓。第3 試驗(yàn)循環(huán)：其余25%的時(shí)間輸入電壓為低電壓。3 個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的輸入電壓變化構(gòu)成一個(gè)完整的電應(yīng)力循環(huán)，整個(gè)試驗(yàn)期間重復(fù)這一電應(yīng)力循環(huán)。

圖1 電應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)剖面

2 燃油泵性能退化試驗(yàn)平臺(tái)

燃油泵電應(yīng)力載荷下的綜合性能退化試驗(yàn)臺(tái)如圖2 所示，該試驗(yàn)臺(tái)可模擬飛機(jī)燃油泵注油循環(huán)過程，施加電應(yīng)力載荷，采集飛機(jī)燃油泵出口壓力、流量、電壓和電流信號(hào)，處理、控制與顯示等多環(huán)節(jié)的閉環(huán)過程。

圖2 燃油泵性能退化試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖

該性能退化試驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)包括：

2.1 燃油泵試驗(yàn)環(huán)境的搭建

該試驗(yàn)臺(tái)包括儲(chǔ)油箱、測(cè)試油箱、測(cè)試泵、電磁閥和管路等，儲(chǔ)油箱出油口通過電磁閥連接測(cè)試油箱的輸入管路，測(cè)試泵安裝在測(cè)試油箱內(nèi)，測(cè)試油箱的輸出管路通過單向閥連接到儲(chǔ)油箱的注油口，形成閉環(huán)回路，模擬飛機(jī)燃油泵注油循環(huán)過程。

2.2 程控測(cè)試電源

電源部分采用程控測(cè)試電源改變電源輸出電壓施加電應(yīng)力載荷，提供穩(wěn)定的電壓和電流，程控實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，軟停止［13］，主要參數(shù)如下頁表2 所示。

2.3 傳感器布局

根據(jù)測(cè)試方法分析，在該試驗(yàn)臺(tái)上安裝1 個(gè)壓阻式壓力傳感器和1 個(gè)渦輪流量計(jì)。壓力傳感器通過轉(zhuǎn)接管安裝在測(cè)試油箱輸出管路上，位于測(cè)試油箱出口與單向閥之間。渦輪流量計(jì)安裝在測(cè)試油箱輸出管路上，位于壓力傳感器與單向閥之間。

2.4 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程操作面板通過線纜與測(cè)試臺(tái)本地的控制箱連接，可以遠(yuǎn)程操作面板上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注油、手動(dòng)注油和回油操作，可在本操作面板上查看當(dāng)前油量、累計(jì)油量，可通過本操作面板設(shè)置脈沖當(dāng)量和清除油量數(shù)據(jù)，注油系統(tǒng)操作界面如圖3 所示。

表2 程控電源參數(shù)

圖3 注油系統(tǒng)操作界面

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖1 的試驗(yàn)剖面在圖2 所示的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行3 組試驗(yàn)，每1 h 采集一次燃油泵在流量為12 000 L/h 下的出口壓力值，共計(jì)789 h，根據(jù)退化數(shù)據(jù)繪制出口壓力退化曲線如圖4 所示。

圖4 出口壓力退化曲線

從圖4 的退化曲線可知，燃油泵壓力退化曲線在反映燃油泵退化趨勢(shì)的同時(shí)，存在小范圍的波動(dòng)，這是因?yàn)殡x心泵電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中產(chǎn)生輕微的波動(dòng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備受到噪聲的干擾等多方面因素的影響造成的。

Holt 指數(shù)平滑模型是按照時(shí)間順序賦予退化數(shù)據(jù)由大到小的權(quán)重來建立退化模型的，充分地利用所有的退化數(shù)據(jù)，能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)的水平和趨勢(shì)項(xiàng)分別進(jìn)行平滑，預(yù)測(cè)精度高［14］。

Holt 指數(shù)平滑模型的定義［15］如下：

其中：St和St-1分別是前t 期和前t-1 期趨勢(shì)的估計(jì)值，Tt和Tt-1分別為利用前t 期和前t-1 期數(shù)據(jù)對(duì)趨勢(shì)增量的估計(jì)，α 和γ 是平滑系數(shù)，α 用于估計(jì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的水平，γ 用于估計(jì)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)趨勢(shì)部分的斜率，都介于0 和1 之間，Xt是實(shí)際觀測(cè)值，為t+m 期的預(yù)測(cè)值，m 為預(yù)測(cè)外推期數(shù)。

利用Holt 指數(shù)平滑進(jìn)行燃油泵退化建模，經(jīng)最小二乘法確定平滑系數(shù)α 和γ 及模型初值S0如表3 所示。

表3 Holt 指數(shù)平滑模型參數(shù)

由表3 可知：1）3 個(gè)樣本的初始估計(jì)值S0基本相等，S0是退化數(shù)據(jù)中前5 個(gè)退化量的平均值，所以3 個(gè)樣本在開始時(shí)刻的燃油泵的性能基本一致；2）平滑系數(shù)α 的均值為0.912，趨近于1，這表明退化數(shù)據(jù)序列水平方向相對(duì)平穩(wěn)，有明顯的下降趨勢(shì)；3）平滑系數(shù)γ 的取值趨近于0，這表明燃油泵退化趨勢(shì)波動(dòng)較大，以前的退化量對(duì)燃油泵的退化走向影響比較大。

采用Holt 指數(shù)平滑退化模型對(duì)燃油泵的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表4 所示。

表4 Holt 指數(shù)平滑預(yù)測(cè)結(jié)果

由表4 可知，相對(duì)誤差小于1%，所以Holt 指數(shù)平滑退化模型能夠表征燃油泵的退化過程，并對(duì)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了燃油泵性能退化試驗(yàn)方案，選取電應(yīng)力作為試驗(yàn)應(yīng)力，并制定電應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)剖面。搭建了燃油泵在電應(yīng)力載荷下的性能退化試驗(yàn)臺(tái)，可模擬飛機(jī)燃油泵注油循環(huán)過程，施加電應(yīng)力載荷，采集飛機(jī)燃油泵出口壓力信號(hào)。建立了Holt 指數(shù)平滑退化模型用于剩余壽命預(yù)測(cè)。結(jié)果表明該退化模型預(yù)測(cè)誤差小于1%，表征了燃油泵的退化規(guī)律，驗(yàn)證了該試驗(yàn)方案和平臺(tái)的有效性和可行性。