基于失效机理分析的水平安定面作动器加速寿命试验方法研究

基于失效机理分析的水平安定面作动器加速寿命试验方法研究作者：丁怡刘波来源：《中国科技博览》2017年第31期[摘要]水平安定面作动器是由机械部件和液压元件组成的一个相对复杂的产品，其主要功能是在飞机飞行过程中驱动水平安定面运动，实现飞机的俯仰运动并保持平衡。

若按照正常的寿命试验要求，大约需要3900个工作天数才能完成。

这对于现代飞机研制周期和经济性来说都是难于接受的。

本文通过对影响作动器寿命的载荷、工作频次、液压油污染度等主要三个影响因素进行加速，研究作动器各个部件的寿命试验，进而总结出完成整个作动器产品的寿命加速试验方法。

[关键词]载荷加倍；工作频次；液压油污染度；寿命加速试验；中图分类号：V227+.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）31-0109-03引言随着可靠性水平的不断提高，机械产品尤其是航空产品的寿命评估面临着一个长寿命、高可靠的评估问题。

如果采用在正常使用条件下做寿命试验的方法来评估寿命特征和可靠性指标，往往需要耗费很长的时间[1]。

目前一项关键类航空产品水平安定面作动器的寿命试验方法是按照耐久性试验载荷谱进行的，载荷谱如表1所示。

根据目前的试验进度预计完成全部寿命试验，需要持续3900个工作日。

这对试飞任务严酷、制造周期长、造价昂贵的水平安定面作动器来说效果太不理想。

1）滚珠螺母从A点运动到B点、再回到A点时记为工作1次，总工作次数为355619次。

2）最大载荷为100kN，受拉为正，受压为负。

综合考虑试验时间、资金和试件样本等因素，水平安定面作动器迫切需要一种优化的加速试验方法。

通过加速寿命试验较快地暴露产品薄弱环节，为改进设计、提高质量提供了依据[2]。

加速寿命试验的前提必须是不改变产品的失效机理[1]，针对这种情况，本文首先对水平安定面作动器进行失效机理分析，找到关键部件的敏感载荷，据此确定加速应力，建立部件的加速寿命模型，计算加速因子，确定加速寿命试验方案。

1 水平安定面作动器失效机理分析对水平安定面作动器的结构进行层次分解，产品的结构分解框图如图1所示。

对产品进行结构分解后，针对每一个底层结构单元，考虑所有可能的载荷类型，进行失效机理分析，确定每一种结构单元的失效机理及敏感载荷，具体见表2。

根据表2分析，丝杠升降机构的敏感工作载荷为负载力，集成控制阀的敏感工作载荷有污染、油温和工作频次，液压马达的敏感工作载荷有负载力、污染、压力和油温，液压制动器的敏感工作载荷有负载力、油温和工作频次。

2 加速寿命试验方案加速寿命是指：在超过使用环境条件的应力水平下对样品进行的寿命试验。

这种试验的特点是：选择一些比正常使用环境恶劣的应力水平，又称为加速应力水平，在这些加速应力水平下进行寿命试验。

由于产品的试验环境变得恶劣，从而加速了产品失效，缩短了试验时间。

在获得的失效数据基础上，运用加速寿命试验模型，对产品在正常应力水平下的各种可靠性特征进行统计推断。

[3]从以上定义可知，加速寿命试验有两种方法：1）施加超过正常操作水平的应力，可加速产品失效及缩短试验时间；2）如果与工作次数有关的寿命试验，可提高其工作频率，同样可缩短试验时间，得到加速试验效果。

2.1 水平安定面作动器的加速应力美国麻省理工学院的Dr.E.Rabinowicz教授经过多年对机械装备失效的调研和统计，归纳出著名的失效模式分布图，如图2所示，其中70%的失效是由元件相对运动面的损伤引起的，而机械破坏造成的失效仅占15%。

对于机械部件，负载力（作用力或转矩）是造成元件失效的主要影响因素。

机械部件失效率通常随负载力以指数形式增长，选取负载力作为加速应力可以有效减小加速寿命的试验时间。

因此机械部件失效主要考虑负载力这个主要影响因素。

美国俄克拉荷马州流体动力研究中心（FPRC）对液压元件或系统失效进行了调研和统计，作出了图3所示的液压元件失效Pareto图，从图中看出，污染、气蚀、温度与油液等4个因素为主要影响因素。

根据调研结果，引起液压系统和元件的失效原因，由颗粒污染引起的占66%，气蚀占16%，热和因其导致油液变质占15%。

另外美国著名的油滤公司Pall Co.对不同使用领域的各种液压装备收集了25000份油液，通过分析油液和液压装备失效的关系，同样得出70%～85%的失效是由污染引起的。

通过以上分析，产品的液压元件失效主要考虑污染这个主要影响因素。

若能控制由颗粒污染引起的失效，即可掌握2/3以上的关键因素，这是液压产品实施加速寿命试验的基本准则。

通过上文的分析，结合表2的分析，确定了部件的主要影响因素：1）集成控制阀的主要影响因素为污染与工作频次；2）液压马达的主要影响因素为污染；3）液压制动器的主要影响因素为工作频次；4）丝杠升降机构的主要影响因素为负载力。

由于水平安定面作动器结构复杂，主要结构件包含机械传动元件和液压元件，所以决定根据部件的特性，选择不同的加速方法。

集成控制阀与液压制动器虽是液压元件，但工作过程与负载关系不大，并且仅仅通过增加工作频次，加速效果就很明显，所以计划通过增加工作频次来实现集成控制阀与液压制动器的寿命加速，即在要求的GJB 420B-8级油液污染条件下，通过增加工作频率的方法来达到加速的目的。

液压元件马达的加速应力为油液污染度，通过人为提高马达工作油液的污染浓度来加速马达内部的磨损过程，以实现加速寿命的目的。

机械传动部件丝杠升降机构的加速应力为负载力，所以通过增加工作载荷实现加速。

2.2 加速因子的计算加速因子是一种可将产品在加速应力下的寿命与正常使用应力下的寿命联系起来的无量纲参数。

加速因子的定义是：元件正常操作条件下的寿命与加速寿命之比。

加速因子主要用于建立特殊操作应力水平（单一失效模式或机理）下的失效时间模型，并且可以预测在不同的操作应力水平下的失效时间。

[3]它的数学表达式为：（1）——加速因子；——正常使用应力水平下的寿命；——加速应力水平下的寿命。

加速因子也可以失效率来表示，其表达式为：（2）——正常使用应力水平下的失效率；——加速应力水平下的失效率。

2.2.1 滚珠丝杠副的加速因子滚珠丝杠副的工作寿命以下式表示：（3）——额定动载荷；——轴向当量载荷；——当量转速[4]取为加速应力，其它参数保持不变（常数），则可将式（3）转换为：（4）其中。

则滚珠丝杠副的加速因子：（5）——加速寿命当量载荷；——正常工作当量载荷。

如果转速轴向载荷是变化的，寿命计算中应采用当量转速和当量轴向载荷，针对水平安定面作动器工作性质，轴向载荷是变化的，但转速不变，则当量轴向载荷的计算公式如下：（6）式中是每个工作段内的工作载荷，为工作载荷下的工作转数与总工作转数之比。

[5]根据表1载荷谱可知，载荷随滚珠螺母的位置线性变化，设滚珠螺母的位置为，则载荷。

根据积分中值定理，式（6）可改写为：（7）根据水平安定面作动器耐久性试验载荷谱，根据水平安定面作动器耐久性试验载荷谱，求得KN。

根据加速应力的确定原则，应力的施加不能超过负载极限，即不能改变原失效模式。

由于本产品的工作极限载荷为277KN，本试验规划拟采用的加速应力KN，不会改变产品的失效机理。

则滚珠丝杠副的加速因子。

2.2.2 齿轮副的加速因子根据AGMA 2001-D04，齿轮的使用寿命取决于制造水平和使用条件，其失效率可以表示为：.（8）——特定操作环境下，齿轮百万使用小时的总失效率；——齿轮百万使用小时的基本失效率；——速度修正系数，由工作速度和设计速度来确定，其计算式为；——载荷修正系数，由工作载荷和设计载荷来确定，其计算式为；——偏移修正系数；——润滑条件修正系数；——温度修正系数。

从式（8）可以看出，从便于计量的角度看，工作速度和载荷适合作为加速寿命的加载应力，而又因为载荷对工作寿命的影响更大，所以选取载荷作为齿轮副加速寿命试验的加载应力。

根据式（4），齿轮副的加速因子：（9）——加速寿命齿轮工作载荷；——齿轮正常工作载荷。

由于齿轮副的工作载荷与丝杠副的轴向载荷成正比，因此式（9）可以转换为：（10）由于本试验规划拟采用的加速应力kN，则齿轮副的加速因子：。

根据滚珠丝杠副的加速因子折算，滚珠丝杠副的加速寿命载荷谱如表3所示，动力轮系的加速寿命载荷谱如表4所示，注每个位置区间内拉载与压载的次数是按照原载荷谱中的拉载与压载的比例计算折合的。

在进行加速寿命试验时，动力轮系与滚珠丝杠副作为丝杠升降机构的部件，是共同进行的，载荷谱如表3所示。

动力轮系在试验中，是按照表4进行寿命计算的。

2.2.3 液压马达的加速因子推导推导与液压相关的加速因子均基于污染控制理论或称Omega理论，即当液压马达的流量从初始流量衰减至最低允许流量所经历的时间，就为液压马达的Omega寿命。

美国BarDyne 公司研究液压元件的污染寿命与许多设计和工作参数有关，但其中最关键的两个参数是油液中的颗粒浓度和颗粒的大小。

在工程实践上，为了简化分析过程，通常利用一个叫污染敏感度系数（Contaminant Sensitivity Index），将颗粒大小的效应集中为单一变数。

而流量的衰减量，等于所有污染颗粒区间中，颗粒所能对流量产生衰减的总和，用数学的方法表示如式11所示：（11）dt表示的就是液压马达工作的时间长度，表示的是液压马达在t时刻后，再工作dt时间段后的流量，表示的是液压马达在t时刻时的流量。

将式（11）在0～T时间段上的积分，最终得到液压马达的Omega寿命预测公式：（12）——元件的寿命；——允许的性能衰减量函数。

是元件的固有特性，故它在设计及制造后即保持常数。

因而在污染加速寿命试验中，颗粒数（即污染浓度）可用为加速应力。

[6]关于液压元件污染磨损加速寿命试验，美国BarDyne公司的研究人员对液压马达受不同浓度的试验粉尘污染进行了大量的试验与分析研究，得出300mg/L是最适合的试验浓度，在该浓度下试验，马达在不改变失效机理的前提下能得到最大加速效果。

根据式（12），就是要通过污染加速寿命试验来快速获取液压马达相对于各个尺寸区间中颗粒的污染敏感度系数，将不同尺寸区间中污染颗粒的敏感程度带入到式（12），就可以计算出马达在要求的GJB 420B-8级油液污染条件下的寿命。

污染敏感度系数计算公式为：（13）式中：为马达的实际输出流量；为马达的初始流量。

为颗粒磨灭时间常数，一般为颗粒浓度降低到初始浓度的37%所用的时间。

根据对大量的、不同种类的液压元件进行的试验数据进行统计分析可知，不论元件的形式、工作原理和种类，其颗粒磨灭时间基本上均为9min，因此，对于液压马达来说，其。

根据式（13）计算出液压马达对于不同尺寸区间中污染颗粒的敏感程度[7]。

3 总结和对今后研究的探讨综合以上对于加速寿命试验方法的工作原理的分析，可以得出下列结论：（1）水平安定面作动器的耐久性试验可以采用加速试验进行，机械元件的加速因子可以取为41，集成控制阀科液压制动器通过增加工作频次可以快速完成寿命试验，液压马达根据污染加速试验，运用Omega理论计算寿命。