強(qiáng)化試驗(yàn)法對(duì)月球樣品容器鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性評(píng)估

紀(jì) 明， 李海志， 馬 聰

(蘭州空間技術(shù)物理研究所， 甘肅 蘭州 730000)

引言

根據(jù)我國(guó)探月三期工程要求，采集的月球樣品必須密封在極低漏率環(huán)境中返回地球，以維持月球樣品原態(tài)，保證地面數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性[1]。因此，月球樣品的密封可靠性就顯得尤為重要，如果密封失效，返回過(guò)程中進(jìn)入空氣、雜質(zhì)等對(duì)樣品造成污染，甚至產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)探月工程任務(wù)的失敗。

月球樣品密封的可靠性除了與樣品容器自身的密封結(jié)構(gòu)有關(guān)外，更與完成樣品容器密封的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性密切相關(guān)。從一定意義上說(shuō)，鎖緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作的成敗直接關(guān)系到樣品容器對(duì)月球樣品密封的成敗，因此對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)可靠性的評(píng)估就顯得格外重要。

以探月三期工程中月球樣品容器鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性為評(píng)估背景，采用強(qiáng)化法對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)，僅通過(guò)較少的試驗(yàn)樣本便對(duì)其可靠性進(jìn)行了評(píng)估。通過(guò)對(duì)完整評(píng)估過(guò)程的詳細(xì)介紹，為實(shí)際工程的可靠性評(píng)估工作提供借鑒和參考。

1 評(píng)估任務(wù)背景

根據(jù)月球樣品容器的密封設(shè)計(jì)，密封方式采用金屬擠壓密封為主密封[2]、橡膠圈密封為輔助密封的冗余密封[3]方式。蓋體上設(shè)計(jì)有軟金屬材料和O形橡膠圈，容器口部加工成環(huán)形刀口。同時(shí)在蓋體上安裝了一套鎖緊機(jī)構(gòu)，其作用是為樣品容器密封提供所需的密封力。當(dāng)容器需要密封時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)工作，產(chǎn)生一個(gè)垂直向下的力作用在蓋體上，將蓋體與容器壓緊，在壓緊的過(guò)程中容器口部的刀口嵌入蓋體上的軟金屬材料中，同時(shí)O形橡膠圈與容器內(nèi)壁形成徑向密封[4]。至此完成樣品容器對(duì)月球樣品的密封，鎖緊機(jī)構(gòu)的組成示意圖見(jiàn)圖1，運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖見(jiàn)圖1、圖2。

1.樣品容器頂部邊沿的斜槽 2.鎖緊盤(pán) 3.鎖緊盤(pán)轉(zhuǎn)軸 4.鎖孔 5.鎖盒 6.火工作動(dòng)器

如圖1所示，蓋體上安裝有火工作動(dòng)器，一端與蓋體用銷(xiāo)釘相連，另一端與鎖緊盤(pán)上的鎖緊桿用銷(xiāo)釘相連，連接處可以轉(zhuǎn)動(dòng)，為整個(gè)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。鎖緊盤(pán)安裝在蓋體上并且可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖緊盤(pán)的圓環(huán)面上設(shè)計(jì)有鎖孔，用于鎖定鎖緊盤(pán)的位置。蓋體上安裝有鎖盒，其鎖銷(xiāo)可待鎖緊盤(pán)旋轉(zhuǎn)到位時(shí)插入鎖緊盤(pán)上的鎖孔內(nèi)，起到鎖定鎖緊機(jī)構(gòu)的作用。

鎖緊機(jī)構(gòu)在動(dòng)作時(shí)，首先對(duì)火工作動(dòng)器進(jìn)行點(diǎn)火，引燃作動(dòng)器中的火藥，產(chǎn)生高壓氣體推動(dòng)作動(dòng)器中的活塞桿向筒體外運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)鎖緊盤(pán)繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，鎖緊盤(pán)末端的鎖緊銷(xiāo)在樣品容器頂部邊沿的斜槽內(nèi)并沿斜槽滑動(dòng)。由于斜槽的方向?yàn)閮A斜向下，因此，鎖緊盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)對(duì)蓋體提供垂直向下的密封力。待鎖緊銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)至斜槽末端時(shí)鎖緊盤(pán)的鎖孔旋轉(zhuǎn)至鎖盒位置，鎖盒內(nèi)的鎖銷(xiāo)同時(shí)插入鎖孔內(nèi)，完成容器的密封動(dòng)作并對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)自身狀態(tài)進(jìn)行鎖定。運(yùn)動(dòng)完成后的狀態(tài)示意圖如圖2所示。

圖2 鎖緊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)完成后的狀態(tài)示意圖

根據(jù)月球樣品容器可靠性要求，分配到整套鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性為不低于0.95置信度下0.9999的可靠度。

2 評(píng)估方法選擇

本次評(píng)估任務(wù)為整套機(jī)構(gòu)的可靠性，該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源為火工作動(dòng)器，阻力包括蓋體與容器密封過(guò)程所需的壓緊力、鎖緊銷(xiāo)與斜槽的摩擦力、各運(yùn)動(dòng)部件在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力以及鎖緊盤(pán)在短時(shí)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的慣性力矩等。由于作動(dòng)器的動(dòng)作在0.2 s內(nèi)完成，整套機(jī)構(gòu)的動(dòng)作包括密封過(guò)程亦在0.2 s內(nèi)完成?；诮Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)及短時(shí)動(dòng)作特性，無(wú)法在機(jī)構(gòu)內(nèi)部加裝傳感器，將測(cè)量出的某一值作為能夠表征機(jī)構(gòu)可靠性的特征值加以評(píng)估。因此目前較常用的最大熵試驗(yàn)法、升降法等無(wú)法對(duì)該機(jī)構(gòu)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。將作為動(dòng)力源的作動(dòng)器單獨(dú)進(jìn)行輸出力可靠性測(cè)試，所得結(jié)果優(yōu)于置信度0.95下0.99997的可靠度，但該結(jié)果僅為單個(gè)部件的可靠性，無(wú)法表征整個(gè)機(jī)構(gòu)的可靠性。基于以上可靠性評(píng)估困難，只能應(yīng)用成敗型評(píng)估方法或強(qiáng)化試驗(yàn)法對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)整體的可靠性進(jìn)行評(píng)估[5-7]。

基于以上分析，能夠適用的可靠性評(píng)估法主要有：計(jì)數(shù)法評(píng)估方法[8-9]、Bayes評(píng)估方法[10-12]以及強(qiáng)化試驗(yàn)法[13]。

采用計(jì)數(shù)法評(píng)估，將鎖緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作成功完成一次，即鎖緊盤(pán)能夠運(yùn)動(dòng)到位，鎖盒內(nèi)的鎖銷(xiāo)順利插入鎖緊盤(pán)的鎖孔內(nèi)，作為一個(gè)可接受的試驗(yàn)樣本。根據(jù)計(jì)算，在試驗(yàn)失敗次數(shù)為0的情況下需至少進(jìn)行29957次鎖緊動(dòng)作試驗(yàn)，可靠度能夠達(dá)到預(yù)定要求。對(duì)于造價(jià)和試驗(yàn)費(fèi)用高昂的航天產(chǎn)品，如此數(shù)量的試驗(yàn)會(huì)對(duì)研制單位產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)壓力。

采用Bayes法評(píng)估，成功判據(jù)與計(jì)數(shù)法相同。根據(jù)計(jì)算得出[14-17]，在試驗(yàn)失敗次數(shù)為0的情況下需至少進(jìn)行19972次鎖緊動(dòng)作試驗(yàn)，可靠度能夠達(dá)到預(yù)定要求。該結(jié)果雖有效減少了試驗(yàn)次數(shù)，但在實(shí)際工程中仍然無(wú)法有效降低試驗(yàn)成本。

采用強(qiáng)化試驗(yàn)法評(píng)估，成功判據(jù)亦與計(jì)數(shù)法相同。根據(jù)強(qiáng)化試驗(yàn)法中的性能可靠性模型，在給定的外部條件下，選擇機(jī)構(gòu)動(dòng)力源中的某一參數(shù)，并通過(guò)改變?cè)搮?shù)，惡化機(jī)構(gòu)自身的狀態(tài)，在此條件下進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，以達(dá)到減少試驗(yàn)數(shù)量的目的。采用該方法時(shí)所需的試驗(yàn)樣本數(shù)量會(huì)比傳統(tǒng)方法少很多，文章選擇該方法對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)評(píng)估過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3 強(qiáng)化試驗(yàn)法對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)可靠性評(píng)估

3.1 可靠性模型

強(qiáng)化試驗(yàn)法是一種小子樣可靠性評(píng)估試驗(yàn)方法，是在進(jìn)行合理工程統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，利用試驗(yàn)參數(shù)的性能分布，對(duì)在強(qiáng)化水平下獲得的可靠性信息進(jìn)行合理外推，驗(yàn)證試件在工作應(yīng)力水平下可靠性特征的一種試驗(yàn)方法。根據(jù)強(qiáng)化試驗(yàn)法中的性能可靠性模型[18-19]，火工機(jī)構(gòu)的可靠性模型可簡(jiǎn)化為機(jī)構(gòu)動(dòng)力大于機(jī)構(gòu)阻力時(shí)的概率?？煽啃匀缡?1)所述：

R=P(F>FZ)

(1)

式中，R—— 可靠性

P—— 概率函數(shù)

F—— 機(jī)構(gòu)動(dòng)力

FZ—— 機(jī)構(gòu)阻力

針對(duì)本任務(wù)，機(jī)構(gòu)阻力指機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到的所有阻力總和，但其可以通過(guò)設(shè)計(jì)、零件加工、裝配等過(guò)程得到很好的控制，其值的變化范圍很小，可視為一定值。機(jī)構(gòu)的動(dòng)力為火工作動(dòng)器的輸出力，該輸出力是由作動(dòng)器中的燃藥燃燒產(chǎn)生的。此時(shí)性能可靠性為式(2)所述：

(2)

式中，F(xiàn)D—— 作動(dòng)器的輸出力

Φ(·) —— 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)

σD—— 作動(dòng)器輸出力的標(biāo)準(zhǔn)差值

作動(dòng)器的輸出力取決于燃藥燃燒產(chǎn)生的壓力，根據(jù)諾貝爾方程，在火藥力f和余容α為定值(該型燃藥f為237.897 kJ/kg，α為5×10-4m3/kg),每發(fā)作動(dòng)器工作末端的容積亦為定值的情況下，作動(dòng)器輸出力可認(rèn)為與燃藥量相關(guān)，因此可以選取燃藥量作為機(jī)構(gòu)動(dòng)力的特征值。通過(guò)減少燃藥量、降低機(jī)構(gòu)的動(dòng)力、惡化機(jī)構(gòu)自身的狀態(tài)，在此加嚴(yán)條件下對(duì)其進(jìn)行鎖緊動(dòng)作成功率的驗(yàn)證，來(lái)評(píng)估出鎖緊機(jī)構(gòu)在正常狀態(tài)即額定條件下的可靠性，此時(shí)性能可靠性模型如圖3所示。

圖3 性能可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(3)

該公式是由榮吉利等[13，19]提出，式中的C為火藥燃燒產(chǎn)生峰值壓力的變差系數(shù)，其值由式(8)計(jì)算得出。

在強(qiáng)化條件下連續(xù)進(jìn)行nq次試驗(yàn)，若試驗(yàn)全部成功即可表征在額定條件下機(jī)構(gòu)的可靠性能夠達(dá)到目標(biāo)要求，若有1次試驗(yàn)失敗，則需重新選擇強(qiáng)化條件并重新進(jìn)行評(píng)估。

3.2 可靠性參數(shù)獲得

根據(jù)鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，作動(dòng)器中的燃藥量由式(4)計(jì)算得出：

(4)

式中，pm—— 氣體最大壓力

α—— 余容

f—— 火藥力

V—— 藥室容積

M—— 燃藥質(zhì)量

根據(jù)計(jì)算，作動(dòng)器中的設(shè)計(jì)裝藥量(即額定裝藥量)為1000 mg。依據(jù)前期試驗(yàn)驗(yàn)證，在鎖緊機(jī)構(gòu)能夠正常完成鎖緊動(dòng)作的前提下，作動(dòng)器中的最小裝藥量為510 mg。在確保試驗(yàn)?zāi)軌虺晒ν瓿傻幕A(chǔ)上，強(qiáng)化條件下藥量選取的越小，所需的試驗(yàn)數(shù)量越少，本研究對(duì)以上兩點(diǎn)要求進(jìn)行綜合考慮，確定在強(qiáng)化條件下作動(dòng)器的裝藥量為520 mg。

為進(jìn)行評(píng)估，首先要獲得強(qiáng)化系數(shù)k值。本次評(píng)估任務(wù)中的k值是強(qiáng)化裝藥量與額定裝藥量的火工作動(dòng)器在相同條件下產(chǎn)生輸出推力的比值，該值是一個(gè)相對(duì)值。為保持一致性，火工作動(dòng)器的輸出力測(cè)試在與月球樣品容器相同的工作環(huán)境下進(jìn)行。按照任務(wù)的極限工況要求，測(cè)試在-50 ℃、真空度不大于5×10-3Pa環(huán)境下進(jìn)行。

火工作動(dòng)器的輸出力測(cè)試在航天火工作動(dòng)器專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備中開(kāi)展。如圖4所示，設(shè)備的主體為真空試驗(yàn)箱，將作動(dòng)器安裝支座固定在試驗(yàn)箱的熱沉板上，作動(dòng)器安裝在支座上，其活塞推桿與氣缸活塞桿相連，氣缸活塞桿是通過(guò)真空試驗(yàn)箱的穿箱裝置穿入真空試驗(yàn)箱內(nèi)，在氣缸上安裝有壓力傳感器、位移傳感器及氣路、閥門(mén)等。

1.真空試驗(yàn)箱 2.熱沉板 3.作動(dòng)器安裝支座 4.火工作動(dòng)器 5.氣缸活塞桿 6.氣缸 7.壓力傳感器 8.氣路及閥門(mén)

作動(dòng)器采用直推式設(shè)計(jì)，在發(fā)火前一直保持初始狀態(tài)。通過(guò)運(yùn)行真空試驗(yàn)箱獲得試驗(yàn)所需的溫度及真空度并保持5 h以上。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，電點(diǎn)火具發(fā)火引燃主燃藥，產(chǎn)生高壓氣體使作動(dòng)器活塞桿推動(dòng)氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)。作動(dòng)器工作完成后，根據(jù)壓力傳感器測(cè)試出氣缸內(nèi)的峰值壓力來(lái)計(jì)算出作動(dòng)器的輸出推力。試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試儀器均固定為同一狀態(tài)，試驗(yàn)過(guò)程中不允許更換，以確保測(cè)試的準(zhǔn)確性。

火工作動(dòng)器在環(huán)境條件下進(jìn)行輸出力測(cè)試，每發(fā)產(chǎn)品工作完成后通過(guò)測(cè)量活塞推桿行程(22±1) mm是否到位來(lái)確認(rèn)作動(dòng)器動(dòng)作是否順利完成，只有動(dòng)作順利完成才能作為一次合格的試驗(yàn)樣本，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1和表2所示。

表1 額定裝藥量(1000 mg)的輸出力

表2 強(qiáng)化裝藥量(520 mg)的輸出力

3.3 可靠性評(píng)估過(guò)程

(5)

式中，n—— 樣本數(shù)量，取9

FDei—— 每發(fā)額定藥量的作動(dòng)器輸出力

將表1數(shù)據(jù)代入式(6)求出額定藥量產(chǎn)生輸出力的標(biāo)準(zhǔn)差值σDe。

(6)

式中，σDe—— 額定藥量的作動(dòng)器輸出力的標(biāo)準(zhǔn)差值

n—— 樣本數(shù)量，取9

計(jì)算得σDe=44.78 N。將表2數(shù)據(jù)代入式(6)求出強(qiáng)化藥量產(chǎn)生輸出力的標(biāo)準(zhǔn)差值σDq，計(jì)算得σDq=47.48 N。

由式(7)求出強(qiáng)化系數(shù)k值。

(7)

由于火藥的變差系數(shù)取決于該型燃藥本身的特性，廠商通過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，給出該型火藥的變差系數(shù)值為0.13。

(8)

將以上參數(shù)代入式(3)中，計(jì)算出鎖緊機(jī)構(gòu)要達(dá)到額定條件下的可靠度，在強(qiáng)化條件下所需進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)量nq。式中，γ為額定條件下的置信度，取0.95；RL,N為額定條件下的可靠度下限，取0.9999；C為該型火藥產(chǎn)生峰值壓力的變差系數(shù)，取0.13；k為強(qiáng)化系數(shù)，取0.51；Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；Φ-1(·)為反標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。通過(guò)計(jì)算和查表[21]得nq=3.91，取整數(shù)為4。這意味著若鎖緊機(jī)構(gòu)在火工作動(dòng)器額定裝藥量條件下要達(dá)到0.95置信度下0.9999的可靠度，需要在強(qiáng)化裝藥量狀態(tài)下連續(xù)進(jìn)行4次成功試驗(yàn)，若有一次試驗(yàn)不成功，則需重新選擇強(qiáng)化條件并重新進(jìn)行評(píng)估。

3.4 可靠性評(píng)估結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，將520 mg裝藥量的火工作動(dòng)器安裝在月球樣品容器的鎖緊機(jī)構(gòu)上，在-50 ℃、真空度不大于5×10-3Pa環(huán)境下分別進(jìn)行了4次鎖緊動(dòng)作試驗(yàn)。試驗(yàn)均取得了成功，鎖緊盤(pán)運(yùn)動(dòng)到位，鎖盒內(nèi)的鎖銷(xiāo)均順利插入了鎖緊盤(pán)的鎖孔內(nèi)。通過(guò)以上4次強(qiáng)化條件下的試驗(yàn)，驗(yàn)證出月球樣品容器鎖緊機(jī)構(gòu)在額定條件下(裝藥量為1000 mg)，能夠達(dá)到0.95置信度下的0.9999可靠度。

3.5 可靠性結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)于以上可靠性評(píng)估結(jié)果，再采用GJB 376中的計(jì)量法評(píng)估方法進(jìn)行復(fù)算。該方法適用于當(dāng)產(chǎn)品的可靠性主要由某一性能參數(shù)決定時(shí)，且該參數(shù)服從正態(tài)分布，可用正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)容許限計(jì)算其可靠度，即采用計(jì)量數(shù)據(jù)評(píng)定產(chǎn)品的可靠性。本機(jī)構(gòu)中，機(jī)構(gòu)阻力基本為定值的情況下，作為整套機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力的作動(dòng)器輸出力值是最關(guān)鍵的性能參數(shù)，其設(shè)計(jì)值含有一定的裕度且試驗(yàn)結(jié)果服從正態(tài)分布。

根據(jù)已完成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由式(9)對(duì)正態(tài)容許下限系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

(9)

按照標(biāo)準(zhǔn)[8]中置信度0.95的附表查得可靠度為0.99996，該結(jié)果與強(qiáng)化試驗(yàn)法得出的可靠性結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

該可靠性評(píng)估方法較成功的解決了類(lèi)似月球樣品容器鎖緊機(jī)構(gòu)具有量化輸入值而無(wú)明確輸出值的整套機(jī)構(gòu)的可靠性評(píng)估難題。結(jié)果表明，僅通過(guò)4次鎖緊動(dòng)作試驗(yàn)即可驗(yàn)證出鎖緊機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到0.95置信度下的0.9999可靠度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)選取合適的特征量，在不破壞結(jié)構(gòu)完整性的前提下，能夠?qū)υu(píng)估對(duì)象的可靠性進(jìn)行估計(jì)。其評(píng)估方式類(lèi)似于成敗型模型，但比傳統(tǒng)的成敗型評(píng)估方法極大的減少了試驗(yàn)樣本數(shù)量，顯著的節(jié)約了成本，在工程實(shí)際中具有較好的操作性和實(shí)現(xiàn)性，可推廣應(yīng)用至單機(jī)甚至系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的可靠性評(píng)估；同時(shí)能夠?qū)ζ渌煽慷纫筝^高的航天產(chǎn)品的可靠性評(píng)估提供方法參考。