航空液壓泵加速壽命試驗現狀

， ， ， ， ， ， (. 北京航空航天大學， 北京 009; .金城南京機電液壓工程研究中心， 江蘇 南京 40；.北京機械工業自動化研究所， 北京 000)

引言

現代飛機要求具備超高可靠度和超長壽命。液壓泵作為飛機液壓系統的核心部件，與普通液壓系統液壓泵相比，要求更加嚴格。尤其是發動機驅動泵(Engine Drive Pump, EDP)，承擔著為整個飛機液壓系統提供能源的任務，要求具有極高的可靠度和較長的無故障工作周期。

當前，我國航空用液壓泵壽命通常要求2000 h以上，部分民用飛機系統液壓泵的壽命要求已達上萬小時，有的甚至要求與飛機同壽。對于如此壽命要求高、功率大、價格高的產品，上萬小時的常規試驗耗費的時間、人力和物力占用了研制單位的大量資源，試驗成本過于高昂。并且，常規試驗耗費周期過長，同飛機的快速研制需求不匹配。

航空液壓泵的超長壽命要求給我國液壓泵研制廠家提出了非常高的要求： ① 在設計階段，需要通過提高設計優化水平，在性能指標和壽命要求之間進行綜合權衡，在保證性能前提下，盡可能提高液壓泵的壽命； ② 在工程樣機研制階段，需要突破強化加速壽命試驗技術，開展可靠性增長試驗，提前暴露影響液壓泵使用壽命的薄弱環節； ③ 在產品定型階段，有待突破等效加速壽命試驗技術，開展壽命鑒定試驗，以鑒定液壓泵產品在常規使用工況下的可靠壽命； ④ 在使用維護階段，需要收集、對比加速壽命試驗數據和常規使用環境下的使用數據，研究液壓泵使用環境、工況及介質參數與使用壽命之間的定量關系，以更好地開展加速壽命試驗。

綜上，液壓泵的加速壽命試驗具有迫切的現實需求。本文以液壓柱塞泵為案例，主要介紹國內外液壓柱塞泵的加速壽命試驗現狀，航空領域常用的液壓柱塞泵加速壽命試驗標準體系，以及國內液壓柱塞泵研制廠家開展的加速壽命試驗的情況，為業內人士提供借鑒和參考。

1 液壓柱塞泵加速壽命試驗方法概述

目前，針對簡單機械產品的加速壽命試驗方法已經取得了諸多研究成果[1]。通常情況下，加速壽命試驗方案分以下幾個步驟實施。首先，明確被試產品的故障模型。常見的故障模型有反應論模型(阿倫尼斯模型、冪律模型、艾林模型)、損傷累積模型、變應力混合威布爾模型等。然后，根據產品壽命模型特征及試驗時間的約束，采取不同的應力施加方法。根據試驗應力施加方法的不同，可將加速壽命試驗分為四種類型：恒定應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗、序進應力加速壽命試驗和變應力加速壽命試驗。加速壽命試驗過程中，需要明確試驗樣本數量、產品失效判據、試驗終止條件等。試驗結束之后，還要根據產品的故障模型、應力施加方法和水平、試驗時間，采用合適的結果統計和壽命評價方法(圖估法、極大似然法、優化估計方法、參數估計方法)估算產品在正常使用工況下的壽命。

上述成熟的加速壽命試驗方法已經在電子產品及相對較為簡單的機械類產品中得到了廣泛應用[2]。但是需要被試產品滿足以下條件： ① 試件故障機理不變。符合威布爾分布模型的產品，要求其形狀參數應保持不變。對數正態分布產品，其標準偏差應保持不變； ② 存在有規律的加速過程。保持故障機理不變是實施加速壽命試驗的必要條件，但不是充分條件。因為元部件的壽命和故障率往往隨試驗條件不同而變化，只有存在有規律的加速過程，才可以進行加速壽命試驗； ③ 壽命分布模型具有統一性和規律性。在觀察加速壽命試驗分布模型的律性時，可以著眼研究元部件的故障模型，這些模型反映應力與性能退化間的關系，及采取該模型是否具有加速性。

液壓柱塞泵是一種典型的中等復雜度的機械產品，其加速試驗存在的難點有： ① 液壓柱塞泵的故障機理復雜，故障模式多樣，涉及部件較多，不同故障模式之間也存在一定的耦合關系，沒有統一可用的故障模型； ② 液壓柱塞泵的加速過程復雜多樣?？梢酝ㄟ^提高壓力、轉速、流量、介質溫度實現加速，也可以通過增加介質污染水平實現。液壓柱塞泵的壽命期限雖然最終可以用容積效率下降幅度來判別，但導致容積效率下降的原因千差萬別，不存在統一并有規律的加速過程； ③ 由于液壓柱塞泵存在多種故障模式，涉及到多個關鍵部件。這些部件的壽命模型與整機的壽命分布并不能完全匹配，加速壽命試驗的實施只能重點關注導致失效的關鍵部件。綜上所述，傳統成熟方法在液壓柱塞泵的加速壽命試驗過程中，具有一定的局限性。

2 國內外液壓柱塞泵壽命試驗標準

目前，國內外常用的液壓柱塞泵加速壽命試驗通常采用兩種方式進行加速： ① 提高作用載荷，如出口壓力、轉速、流量(排量)等。這種方法效率較高，但是必須要開展許多預研工作，掌握液壓柱塞泵壽命(或MTBF)與載荷(壓力、轉速、流量)之間的定量關系。確定這些關系是比較困難的，對于大多數液壓產品來說，壽命是多個參數的組合函數，這種函數關系很難確定甚至并不存在； ② 劣化液壓柱塞泵使用環境(介質溫度、污染度、振動)來加速試驗過程。這種加速方式的前提是要獲得各因素影響的規律性，而且這些方法使工作能力喪失過程的激化程度，大大超過了提高載荷的作用，液壓柱塞泵的故障現象的畸變也更為嚴重。

目前，歐美發達國家對液壓柱塞泵的加速壽命試驗，通常綜合以上兩種手段進行加速，在國內并無可以參照的標準體系。本文分別介紹俄羅斯(原蘇聯)和美國的液壓柱塞泵試驗規范和標準，并和我國目前使用的液壓柱塞泵常規試驗標準進行對比。

2.1 俄羅斯體系[3-7]

俄羅斯(前蘇聯)是針對液壓系統的關鍵部件實施加速壽命試驗較早的國家。在上個世紀80年代，就先后發布了一系列實施加速壽命試驗的方法指南，包括： ① OCT 1 00228-77(液壓系統方向控制元件等效加速試驗狀態的確定方法)； ② OCT 1 00389-80(飛機(直升機)液壓柱塞泵確定加速壽命試驗狀態的方法); ③ OCT 1 00149-82 (飛行器操縱系統液壓傳動系統裝置加速試驗狀態的計算方法); ④ M4-73 (液壓系統中控制元件的附件等效加速試驗狀態的確定方法); ⑤ M35-84 (飛機燃油系統柱塞泵的加速試驗方法)。

在OCT 1 00389-80中，可選擇的液壓柱塞泵加速壽命試驗的應力施加方式有多種，綜合了提高載荷(壓力、流量、轉速、流量切換頻次)和劣化使用環境(介質溫度)兩種方式。在導致液壓柱塞泵到壽的多種失效模式中，主要考慮了液壓柱塞泵的磨損、疲勞、老化三種失效機理，以及和這些機理相關的主要摩擦副磨損、運動部件疲勞、橡膠密封件老化等故障模式。主要采用的強化手段包括提高轉速、提高工作壓力、提高排量(斜盤傾角)、提高介質溫度等。

為了對比加速壽命試驗和常規試驗是否等效，方法中建議在常規試驗和加速試驗結束后，比較液壓柱塞泵的部分技術狀態(性能)參數、物理狀態參數和介質狀態參數。技術狀態參數包括：額定壓力、最大流量壓力、額定流量、容積效率、總效率；物理狀態參數包括：摩擦副表面狀態(配油盤、滑靴、斜盤、缸體柱塞孔等)、密封件殘余變形量、疲勞損傷累積程度(軸、斜盤耳軸、斜盤、滑靴、軸承)、運動副間隙；介質狀態參數為油液污染度。

我國曾引進俄羅斯某型航空液壓柱塞泵，并配套引進了此泵的常規使用載荷譜和加速試驗載荷譜。下面以此型液壓柱塞泵為案例，對比在一個飛行任務剖面內的常規試驗載荷譜和加速試驗載荷譜。

圖1所示為俄羅斯泵的原始試驗載荷譜和加速試驗載荷譜對比。此加速試驗載荷譜是基于OCT 100389-80中所闡述的方法，并通過系列計算分析得到。對比圖1中的載荷譜可以看出，基于OCT1標準體系實施加速，主要是基于以下方式：

圖1 俄羅斯某型泵的原始試驗載荷譜

(1) 通過提高流量和溫度進行加速，加速比為120 min ∶20 min(6 ∶1)；

(2) 提高流量加速了磨損和疲勞過程，提高溫度加速了密封件老化過程，所以在俄羅斯方法體系中主要考慮了磨損、疲勞和老化三種失效模式；

(3) 常規試驗譜和加速試驗譜的形狀保持不變，可以得出加速壽命試驗載荷譜的基準是常規試驗載荷；

(4) 加速試驗提高了液壓柱塞泵的中間流量狀態，同時也升高了介質溫度，但是并沒有提高液壓柱塞泵的最大載荷狀態(最高溫度和最大流量狀態)。

2.2 美國體系[8]

在美國的標準體系中，軍用飛機液壓柱塞泵的試驗主要是參照MIL-P-19692E(Pumps, Hydraulic, Variable flow, General specification for)實施。它是適用于軍用攻擊型戰斗機的變量液壓泵設計和試驗規范，其中在關于耐久性試驗(Endurance test)的部分，其典型的試驗譜見表1。

從表1可以看出，在美軍標中有超速(115%)、超壓試驗環節。規定的耐久試驗時間總時間是2000 h。需要說明的是，MIL-P-19692E是適用于攻擊型戰斗機(如F-15)的耐久試驗載荷譜，通過試驗意味著液壓柱塞泵能夠滿足飛機在任何惡劣工況下飛行的壽命指標(2000 h)。2000 h的耐久試驗與液壓柱塞泵的使用壽命之間的關系，在標準中也并未進行說明。同時，在具體針對液壓柱塞泵開展壽命試驗時，表1所列舉的試驗工況可以根據飛機用途的不同進行刪減。

2.3 美國與俄羅斯壽命試驗標準體系區別

為了對比美國與俄羅斯壽命試驗標準體系之間的區別，針對2.1節中的采用的案例(針對從俄羅斯引進泵)，基于美軍標MIL-P-19692E編制耐久試驗譜，與2.1節中介紹的此型泵原始試驗載荷譜進行對比，見圖2。

從圖2的對比結果可以看出，兩種不同標準體系下，得到的試驗載荷譜(最小和最大流量等級、流量切換頻次)差別巨大。但也表明基于美軍標MIL-P-19692E得到的試驗載荷譜，具有一定的加速壽命試驗特性。但這里需要說明的是，MIL-P-19692E標準中，并沒有對泵的介質溫度有特別的說明，只是要求介質溫度保持在80 ℃即可。

2.4 我國航空液壓柱塞泵壽命試驗標準[9]

我國的 GJB2188A-2002是參考MIL-P-19692E 編制的。與MIL-P-19692E不同的是，我國并未針對所有航空用液壓柱塞泵確定統一的試驗時間(MIL-P-19692E中液壓柱塞泵耐久試驗統一為2000 h)。這也與我國液壓柱塞泵整體壽命水平較低的狀況相關。另外，我國目前針對所有用途的飛機都采用GJB2188A-2002開展壽命鑒定試驗，這也與美國標準的主旨不符。因為美國在使用標準進行壽命鑒定時，是要根據具體的用途進行刪減的。

表1 液壓柱塞泵典型耐久試驗載荷譜

注:超壓比例大致為20%，針對不同壓力等級液壓柱塞泵超壓幅度不同； b.表示為95%全流量最大壓力; c. 出口壓力調定為輸出規定流量時的壓力，與液壓柱塞泵特性相關。

圖2 美俄規范得到的試驗載荷譜對比

3 國內液壓柱塞泵加速壽命試驗

3.1 開展加速壽命試驗情況

在軍用航空領域，針對某型飛機液壓系統主泵ZB-34M開展了加速壽命試驗。試驗采用小子樣(n=4)估參、變幅載荷(更符合實際載荷譜)加速原理、雙應力(壓力和轉速)加速方案，并假設泵符合逆冪律加速模型。ZB-34M壽命較短，只有425 h[10]。我國部分研制單位也正在按照GJB2188A-2002標準開展試驗，并將試驗后的技術和物理狀態參數與正常使用后進行對比，以分析研究基于這種標準開展的試驗是否具有加速壽命試驗的特質。

同時，國內的部分液壓柱塞泵研制單位也正在探索基于液壓柱塞泵的實際工況開展加速壽命試驗的可能性。在引進、消化、吸收俄羅斯和美國標準的基礎上，基于不同用途飛機的飛行剖面，研究開展以評價壽命為目標的加速壽命試驗。

3.2 有待解決的關鍵問題

1) 產品質量一致性不高，壽命不穩定

對于以壽命評價為目標的壽命試驗來說，開展試驗的前提是液壓柱塞泵已經具備了較高水平的質量一致性和壽命穩定性。在不同使用工況下，導致到壽的故障機理和模式應一致。液壓柱塞泵容積效率是評價其是否到壽的關鍵性能指標，而容積效率下降主要是由于柱塞-缸體副的磨損導致。然而，目前我國液壓柱塞泵產品的設計、加工工藝以及材料水平都導致產品的一致性不高，這就導致開展壽命試驗的可行性降低，很多情況下，壽命評價試驗就轉變成為了可靠性增長試驗(以發現質量缺陷為目的的試驗)。

2) 耦合關系復雜，施加應力方式多樣

對于液壓柱塞泵來說，主要有磨損、疲勞、老化三種失效模式。磨損主要涉及柱塞-缸體副，斜盤-滑靴副，缸體-配油盤副及其它運動副，疲勞則涉及到幾乎所有的運動部件和殼體(殼體部位承擔交變應力)，老化與橡膠密封件相關，見圖3。

圖3 柱塞泵故障模式與相關部件的耦合關系圖

3) 工況參數與壽命之間的定量關系難以確定

液壓柱塞泵的磨損、疲勞和老化過程受輸出壓力、轉速、流量(排量)、介質溫度等工作和環境參數相關。所有這些可變的外部載荷，都可以用以實施加速壽命試驗。但是在開展加速壽命試驗之前，需要明確這些外部載荷、工況參數與泵相關部件的磨損、疲勞、老化時間的定量關系，這是開展加速壽命試驗的前提。雖然國內已有針對某種特定參數與失效時間的關系分析與研究[11]，但這個方面還有諸多有待研究解決的問題。

3.3 加速壽命試驗的實施方案

開展液壓泵加速壽命試驗方案總體流程見圖4。

首先，根據柱塞泵的技術規范，壽命要求以及常規耐久試驗中出現的影響壽命的主要失效部件和關鍵失效模式，制定如圖4所示的總體工作方案。然后，確定加速應力。對于液壓柱塞泵來說，主要加速載荷包括：轉速、流量、輸出口壓力、介質溫度4項。

圖4 實施加速壽命試驗的一般方案

確定關鍵部件和關鍵失效模式。由圖3所示，對于柱塞泵來說，關鍵零件涉及斜盤組件、流量調節機構、柱塞組件、缸體、分油盤、軸、軸承、密封件。關鍵失效模式主要是由于磨損、疲勞和老化導致的效率下降、泄漏、疲勞損壞等。這一步驟需要考慮泵的具體工況，與工況不符的加速項目應不予考慮，比如，泵的殼體極少發生疲勞損傷，在加速方案中就不應對殼體的疲勞損傷進行加速。

然后針對關鍵零部件，分別計算加速后的試驗時間，并根據泵的設計載荷極限，確定關鍵零部件加速項目和加速時間。綜合考慮各個零部件，并考慮總體試驗時間限制和期望加速比，確定泵總體加速時間。最后進行總體加速時間和部件加速時間的一致性校核，如果一致，則根據計算結果制定試驗大綱。

加速試驗完成之后，對比加速試驗和常規試驗(或現場使用)后的技術狀態參數、物理狀態參數、介質參數，對加速試驗的效果進行評估。

4 結論

(1) 針對航空液壓泵開展以鑒定壽命為目標的加速壽命試驗需求迫切。隨著武器裝備技術的發展，飛機可靠性及壽命要求大幅提高。液壓柱塞泵作為飛機液壓系統的關鍵部件，功率大價值高，長期壽命試驗所需費用巨大，也會嚴重影響產品的研制和定型周期，開展航空液壓泵加速壽命試驗具有非常緊迫的工程應用需求；

(2) 我國開展的液壓泵加速壽命試驗，都是基于美國或俄羅斯方法標準實施，雖然國內液壓泵加速壽命試驗有了成功的應用案例，但方法手段還不成熟，對于國外標準方法需深入研究并理解其內涵；

(3) 開展液壓泵的加速壽命試驗應以產品具有較高的質量穩定性和壽命一致性為前提。以評價液壓泵壽命為目標的(加速)壽命試驗，需要保證產品的質量一致性水平，不能將壽命試驗與可靠性增長試驗混淆；

(4) 開展液壓泵的加速壽命試驗應以不改變產品的失效模式為基本準則。綜合俄羅斯和美國的加速試驗方法和標準體系，開展泵的加速試驗載荷譜的編制，要以常規試驗(或現場使用)載荷譜為基準，通過提高流量、轉速、溫度等方式實現加速。

參考文獻：

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