0 引言
寿命试验是为了测定或验证产品在规定条件下的寿命(包括首翻期,总寿命、使用期限、贮存期等)所进行的试验[1-3],通过寿命试验可以发现设计中可能过早发生耗损故障的零部件,并确定故障的根本原因继而采取纠正措施[4-7]。产品根据其内部构造、工作原理和外场维修方式的不同,应选取不同的寿命指标参数。
机载设备寿命试验包括使用寿命试验和贮存寿命试验。使用寿命试验是在一定的环境条件下加负载,模拟使用状态的试验,其目的是验证产品首翻期、总寿命或使用期限指标,由于产品的使用寿命包括工作寿命(工作小时,起落数,工作次数等)和日历寿命,使用寿命试验又分为工作寿命试验和日历寿命试验。贮存寿命试验是寿命试验的另一大分支,用于验证产品处于长期不工作条件下的贮存期限。本文主要讨论使用寿命试验中的工作寿命试验,见图1所示。
图1 寿命试验分类
Fig.1 Sort of life tests
航空机械/机电设备类型多、故障模式复杂、故障后果严重、寿命验证周期长、返修经费高,且容易集中大规模爆发问题。传统的寿命试验主要是基于设计师经验或者相关规范标准设计,整个设计流程不够规范,导致一些敏感应力和产品的耗损性失效机理未能在寿命试验中进行充分考核。其结果是寿命试验通过了验证,但是外场故障频发,对飞机的外场正常使用造成了很大的影响。
为此,本研究中提出了基于耐久性机理分析的工作寿命试验设计方法,同时规范了寿命试验中载荷谱确定和试验验证/评估方法。
1 航空机载设备寿命试验现状
1.1 传统寿命试验设计方法
传统机载设备的寿命试验主要是基于设计师经验以及相关规范/标准制定。整理了常用的航空机载设备寿命试验相关标准或顶层要求见表1所示。
表1 寿命试验设计相关规范标准
Table 1 Relevant codes and standards for life test design
标准号范围标准名称科字第1325号文总体航空技术装备寿命和可靠性工作暂行规定GJB150A总体军用装备实验室环境试验方法GJB1184A—2005机轮航空机轮和刹车装置通用规范HB 5651机轮航空机轮通用技术条件GJB 269A—2000滚动轴承航空滚动轴承通用规范GJB 5502—2005低速自润滑轴承低速摆动自润滑关节轴承规范GJB9279—2017高速自润滑轴承高速摆动自润滑向心关节轴承规范GJB9286—2017直升机轴承直升机用向心杆端自润滑关节轴承规范GJB 2837—1997软管聚四氟乙烯软管组件规范GJB2188A液压泵飞机变量液压泵通用规范HB 6090—1986作动筒飞机Ⅰ、Ⅱ型液压系统直线式作动筒通用技术条件GJB3849—99液压产品飞机液压作动筒、阀、压力容器脉冲试验要求和方法GJB1482—92液压产品飞机液压系统附件通用规范HB5823—83液压产品飞机液压电磁阀通用技术条件GJB1907—94燃油系统飞机燃油系统附件通用规范HB5889—85燃油电磁开关飞机燃油电磁开关通用技术条件GJB 655A—2003副油箱飞机燃油副油箱通用规范GJB 4477—2002锂离子蓄电池锂离子蓄电池通用规范GB2689电子元器件总体寿命试验与加速寿命试验GJB599A—1993电连接器耐环境快速分离高密度小圆形电连接器总规范GJB241A—2010发动机航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范GJB 92胶圈日历热空气老化法测定硫化橡胶贮存性能导则GJB736火工品日历火工品试验方法长期贮存寿命测定GB/T 3512—2001热塑性橡胶硫化橡胶或热塑性橡胶 热空气加速老化和耐热试验
以上标准主要作为类型产品的通用性设计要求,是产品耐久性(寿命)基本要求,依据标准设计产品的寿命试验并不能反映真实的使用环境、工况以及产品的寿命水平。
1.2 寿命试验调研情况
针对某型机120余项机载设备的寿命试验情况进行了调研,覆盖了国内7个地区83.3%的主要机载设备承制单位,调研中发现以下主要问题。
1.2.1 试验件数量及分散系数问题
对于电子产品的可靠性鉴定和验收试验,可以按GJB899A制定相应的统计试验方案[8]。对于机械/机电产品的寿命试验,按照(1985)科六字第1325号《航空技术装备寿命和可靠性工作暂行规定》(试行)的规定,试验件数量至少应为2件,分散系数取值为1.5(目的是保证产品以一定的可靠度和置信水平达到给定的寿命)。实际74.2%的机载设备不满足1325号文要求,具体见表2,这就使得试验给出的寿命结论置信度不满足要求。
表2 试验件及分散系数调研情况
Table 2 Investigation of test piece and dispersion coefficient
序号调研情况占比/%1试验件1,分散系数113.32试验件1,分散系数1.554.23试验件1,分散系数1.76.74满足1325号文要求25.8
1.2.2 试验件数量及分散系数问题
机载设备寿命试验中的应力施加存在以下几方面问题:
1) 普遍存在试验中没有施加环境温度/振动应力的情况;
2) 一些产品试验中工作应力施加不合适,如寿命试验中未考虑到电应力拉偏;没有考虑开舱状态等;外挂类产品寿命试验未考虑到气动载荷;发射装置寿命试验未考虑发射烧蚀;机轮寿命试验未考虑冲击;
3) 应急类产品没有考虑全寿命周期的工况(如振动环境下的承压)。
1.2.3 验寿和定寿试验的问题
传统机载设备寿命指标要求和机体配套,采取搭车机体大修的维修模式。相应的对于设备寿命开展无故障验寿试验,即根据产品的寿命指标要求确定无故障验证时间,通过试验后给出产品寿命达到指标要求的结论。随着我国航空装备维修保障理念的革新,飞机从定时大修逐渐走向单机寿命控制,对机载设备的要求也从“无故障验寿(定时结尾验收)”转变成“故障后定寿(定数结尾评估)”。传统的验寿试验方法已经不能适应新的要求。
1.2.4 其他问题
一些机载设备研制人员对设备的失效机理不清楚,导致无法对寿命试验的试验方式和应力施加进行指导,造成寿命分析和寿命试验方案的确定没有依据,试验设计和结果的合理性不足;试验载荷谱设计大多依据设计要求编制,而航空机载设备交付使用积累的大量实测数据,并没有反映到试验载荷谱的设计中。
以上情况导致很多机载设备,寿命试验完成了考核,但外场故障频发,极大地影响了飞机的正常使用。
2 基于耐久性机理分析的寿命试验设计方法
2.1 总体思路
基于传统的寿命试验存在的问题和不足,提出基于耐久性机理分析的寿命试验设计方法。由于航空机械/机电产品类型多,故障模式复杂,实验室条件、试验实施难度不一,决定了只能针对寿命试验设计制定通用方法,研究目标包括:
1) 在传统标准基础上,针对性设计试验;
2) 确保试验应力、考核的耗损机理覆盖全面;
3) 尽量贴合真实工况和使用环境;
4) 充分利用使用阶段的数据;
给出验寿和定寿试验方法
基于以上考虑,制定研究的总体思路为:
1) 根据产品基本信息和设计要求开展耐久性机理分析,分析影响产品寿命的敏感应力和耗损机理,确定寿命试验的应力类型;
2) 研制初期结合产品的任务剖面和设计要求,制定寿命试验的工作载荷剖面和环境载荷剖面,合成试验载荷谱,在条件允许的情况下,根据使用数据修正载荷谱,重新开展试验验证;
3) 根据试验载荷谱和试验需求的符合性情况确定应力系数,根据试验件数量确定验寿试验和定寿试验的分散系数,定成验寿和定寿方法,最终形成产品的寿命方案。
寿命试验设计流程见图2所示。
图2 寿命试验设计流程
Fig.2 Life test design flow chart
2.2 机载产品耐久性机理分析
耐久性机理分析是一种扩展FMECA方法,用于确定机载产品全寿命周期耗损性失效模式和敏感应力,用于支持寿命试验设计。扩展FMECA(故障模式、机理及载荷分析)见表3所示,根据分析结果进行故障机理合并,综合确定产品的耗损性失效机理、主要的敏感应力(包括工作载荷和环境载荷),耐久性薄弱环节和寿命试验考核项,故障机理合并表见表4。
表3 故障模式、机理及载荷分析
Table 3 Failure mode,mechanism and load analysis
序号最低约定层次单元名称(编码)材料功能故障模式故障对组件的影响故障最终影响故障机理严酷度发生频度综合影响敏感载荷(应力)工作载荷环境应力备注12345678910111213故 障 模 式 序 号最低约定层次单元名称单 元 材 料单元所具有的主要功能根据故障模式分析的结果简要描述每一个部件的所有故障模式描述每个故障模式对上一约定层次(组件)的影响描述每个故障模式对初始约定层次(设备/产品)的影响描述故障模式的故障机理根据表1确定故障模式的严酷度类别根据表2确定故障模式的发生频度根据表3确定故障模式的综合影响产生该故障模式的工作载荷产生该故障模式的环境载荷
表4 故障机理合并表
Table 4 Failure mechanism combination table
序号最低约定层次单元故障模式故障对组件的影响故障最终影响故障机理是否耗损型机理敏感载荷工作载荷环境应力薄弱环节机理合并是否进行试验备注12345678910111314故 障 模 式 序 号最低约定层次单元名称筛选出的故障模式描述每个故障模式对上一约定层次(组件)的影响描述每个故障模式对初始约定层次(设备/产品)的影响描述故障模式的故障机理确定该故障机理是否为耗损型引起该故障机理的工作载荷引起该故障机理的环境应力是否耐久性薄弱环节机理合并结果是否在寿命试验中重点监测说明不进行试验的原因
2.3 寿命试验载荷谱设计
机载设备寿命试验载荷谱分为3个方面:工作应力、环境应力和应力叠加方式。
2.3.1 工作应力
工作应力类型由耐久性机理分析确定,主要包括流量、工作压力、介质温度、转速、电应力、油液污染度等和产品工作相关的载荷;在产品研制初期试验的应力量值根据技术协议、研制需求等输入文件确定,后期获得实测使用数据后根据实测数据进行修订;试验中应考虑正常工作,极限工作,应急工作等工作条件。
2.3.2 环境应力
环境应力类型同样由耐久性机理分析确定,主要包括振动、温度、湿度等和机上环境相关的载荷;应力量值一般由机载设备的环境适应性要求确定,具体参照GJB150A—2009或GJB150.16—86实施。其中振动应力施加的时间可按以下方法确定:
1) 若采用飞机环境适应性要求试验谱值表中的耐久振动试验量值进行试验,则每2 000装机飞行小时对应试验持续时间为每轴向10 h,具体试验持续时间根据装机飞行寿命进行折算;
2) 若不采用飞机环境适应性要求试验谱值表中的耐久振动量值进行试验,可根据产品实际情况,选取合适的耐久振动试验量值,试验持续时间参照文献[9-12]中制定。
2.3.3 应力叠加方式
应力施加应尽量采用综合应力,若受条件限制可以在同一试验件上采用组合应力加载,即应按照损伤累积原理,将试验分段进行,分别组合施加不同应力,保证各失效机理的损伤累积与综合应力条件近似相同。
综合应力试验是指在产品工作的同时施加其他应力。这种试验方式可以完整考核产品全寿命周期经受的耗损,是寿命试验最理想的施加方式。对于大型设备,例如油箱等,难以建设合适的振动试验台;对于寿命试验中需要通油液(液压油、燃油)的机载设备,若试验管路采用硬连接,管路连接处在长时间的振动条件下极易破坏,导致寿命试验难以开展,这些因素给综合施加的试验方式带来了一定的局限性。
组合应力试验是指在损伤累计的假设下,产品工作应力试验和其他应力试验顺序施加,尽量保证工作循环和振动对于产品造成的损伤累计与应力同时施加时一致,组合应力试验示意图如图3所示。
图3 组合应力试验示意图
Fig.3 Schematic diagram of combined stress test
2.4 寿命试验验证/评估
对于无故障寿命验证试验,是在确定寿命验证目标后,进行无故障验证,给出是否满足寿命验证目标的结论;对于故障后确定寿命试验,根据产品寿命试验发生关联故障的时间确定寿命评估结论。验寿和定寿试验计算评估公式为
TS=T0×β×K1×a
(1)
(2)
式(1)、式(2)中:TS为验寿试验考核时间;T0为产品寿命指标要求; β为产品运行比;K1为验寿试验分散系数;a为试验应力系数;
为定寿试验评估结论;Tf为首发关联故障时间;K2为定寿试验分散系数。
2.4.1 应力系数
寿命试验中引入应力系数的原因在于,由于试验条件等限制,工程实践中必然存在应力类型、量值、加载方式不能完全满足要求,在此情况下保证累积损伤和故障模式不变,可适当增加试验时间
对寿命试验施加的应力类型、应力量值、应力加载方式进行评估,分别给定系数,并综合评估给出应力系数α。
α=α1×α2×α3
(3)
其中: α1为应力类型系数,主要考虑因素包括:寿命试验应力类型是否通过机理分析确定;试验加载应力类型对产品敏感应力的覆盖性。
α2为应力量值系数,主要考虑因素包括:寿命试验施加的应力量值是否满足设计要求;试验中产品的工作方式满足要求。
α3为应力加载方式,考虑寿命试验应力的施加方式,主要包括:采用综合应力试验或采用组合应力试验(按照各个试验项目中应力类型的综合施加程度进行评分)。
2.4.2 分散系数
本文才用威布尔分布进行寿命数据分析。威布尔分布广泛用于故障数据分析,在总体上提供了关于产品寿命的预计。威布尔分布的主要优点在于:提供比较准确的失效分析和小样本的失效预测,以便对于出现的问题能够尽早的制定解决方案;为单个故障模式提供简单而有用的图表,使数据存在不充足性时,仍易于解释和理解;描述分布形状的范围,以便选择最佳拟合的分布;提供基于威布尔概率图斜率的失效物理的提示[13-17]。
目前双参数型威布尔分布是在寿命数据分析中得到广泛应用的一种分布,可以有效地分析早期故障、使用寿命和耗损阶段的寿命数据。双参数威布尔分布的失效率函数为
(4)
或
(5)
式(4)、式(5)中:t≥0, m>0, η>0,这里m和η分别是分布的形状参数和尺度参数。
可靠度函数表示为
(6)
可靠寿命表示为
(7)
以下推导威布尔分布参数估计时,观测量(无故障定时结尾试验时间)和可靠寿命之间的关系,假设形状参数m已知。设n个产品工作时间为t1、t2、…、tn,均未出现故障,假设:l=tm,θ=ηm,则威布尔分布可以写成:
F(l,θ)=1-e-l/θ
(8)
即指数分布的分布函数,也就是说经过变量变换后,威布尔分布可用试验时间为li,平均寿命为θ的指数分布来表示。若n个产品工作了t1、t2、…、tn没有出现故障,则可按无故障情况下的指数分布来处理。指数分布在(1-α)置信度下平均寿命θ的置信下限为
(9)
用θ=ηm,l=tm代入式(9)可得威布尔分布的尺度参数η的单侧置信下限为
(10)
可靠寿命的置信下限为
(11)
当n台均工作至t0时刻均未出现故障,代入可得分散系数的表达式为
(12)
同理可推导,对于有故障的试验,可靠寿命置信下限为
(13)
分散系数为
(14)
当2<m<4时,威布尔分布描述早期损耗,包括:低循环疲劳、受力失效、腐蚀、侵蚀等。在n=1～4,m=2～4的条件下,对式(12)进行仿真计算,结果见图4—图7。
图4 试验件1件分散系数K1
Fig.4 Dispersion coefficient K1 of test piece 1
图5 试验件2件分散系数K1
Fig.5 Dispersion coefficient K1 of test piece 2
图6 试验件3件分散系数K1
Fig.6 Dispersion coefficient K1 of test piece 3
图7 试验件4件分散系数K1
Fig.7 Dispersion coefficient K1 of test piece 4
工程实践中,结合以往型号经验综合确定n=1～4的分散系数参考取值见表5所示。
表5 分散系数K1的取值说明(参考)
Table 1 Description of dispersion coefficient
样本量分散系数K14台(套)1.33台(套)1.42台(套)1.51台(套)1.7
在n=1～4,m=2～4的条件下,对式(14)进行仿真计算,本文仅给出试验件2件的分析计算结果。
根据计算结果确定定寿试验分散系数K2(见图8),表6给出了n=2,m=2时分散系数K2的参考参考取值。
表6 分散系数的参考取值(n=2,m=2)
Table 6 Reference value of dispersion coefficient (n=2,m=2)
Rα0.10.20.30.40.94.303.773.403.100.82.952.592.342.130.72.342.051.851.680.61.951.711.551.41
图8 试验件2件分散系数K2
Fig.8 Dispersion coefficient K2 of test piece 8
3 结论
对航空机载设备寿命试验现状进行了大量调研,系统性总结了传统寿命试验的问题和不足,提出了基于产品耐久性机理分析的寿命试验设计办法,主要内涵包括产品全寿命周期敏感应力/耗损机理识别、多应力综合的寿命试验载荷谱设计、基于可靠寿命的验证/评估等技术。
1) 该试验设计方法在标准规范基础上针对性设计试验,确保了寿命试验中敏感应力和耗损性机理的覆盖性,使之更符合真实的工况和使用环境;
2) 针对某些产品寿命试验实施困难的问题,出于工程实践考虑提出了“组合应力试验”和“综合应力试验”;
3) 基于威布尔分布确定了“无故障验证试验”和“故障后定寿试验”工程可行的计算评估方法。
本文有效地规范了航空机载设备的寿命试验设计,在我国航空装备维修体制革新的大背景下,本文提出的寿命试验设计方法更显意义。
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