伺服渦輪泵入口密封膜片加速貯存試驗研究

李沛劍 王志峰 郭軍剛

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伺服渦輪泵入口密封膜片加速貯存試驗研究

李沛劍1王志峰2郭軍剛2

（1. 海軍駐航天一院軍事代表室，北京 100076；2. 北京精密機電控制設備研究所，北京 100076）

依據膜片材料性能及產品失效模式，制訂了膜片加速貯存試驗方案。結合加速貯存和壽命分布相關理論模型和方法，對某型渦輪泵入口密封膜片組件進行加速貯存試驗研究，驗證了膜片組件貯存期的指標要求，并獲取了膜片組件的貯存壽命與貯存可靠性的相關評估結果。

膜片；加速貯存；試驗；失效；渦輪泵

1 引言

某型膜片組件（以下簡稱產品或膜片組件）用于航天伺服燃氣源（一次能源）與渦輪泵式伺服液壓源（二次能源）之間的結構密封，安裝于渦輪泵的進氣入口處。膜片組件結構件為金屬材料，膜片為有機玻璃材料，膜片粘接于結構件上。

圖1 膜片組件結構示意圖

其結構組成見圖1（1所指側為膜片正向，與燃氣源相通；2所指側為膜片反向，與渦輪腔相通）。膜片組件的主要作用是阻止渦輪泵式伺服液壓源在長期貯存時微滲的液壓油介質從渦輪腔流入伺服燃氣源燃燒室，污染損壞燃氣發生劑。

2 產品加速貯存試驗方法

2.1 產品貯存失效分析

產品在規定環境下貯存，其材料性能參數會變化，材料強度隨貯存時間延長呈下降趨勢。膜片結構件是金屬材料，可以忽略其性能變化；而非金屬材料在長期貯存過程中存在可觀的老化問題，性能隨著時間的延長而相應下降。膜片組件非金屬材料見表1。

表1 膜片組件用非金屬材料明細

膜片組件主要起密封隔離作用。有機玻璃和膠粘劑在長期貯存過程中受環境應力的影響老化，性能下降，出現膜片破裂和膜片與結構件脫粘的現象，導致密封失效。膜片組件的失效模式和失效判據如下：

失效模式：有機玻璃膜片老化破裂或膜片與結構件脫粘。

失效判據：考慮膜片組件在使用過程中最惡劣的環境，即渦輪腔內充滿液壓油，且腔內壓力最高為0.34MPa，因此膜片組件的失效判據為0.34MPa下保持1min氣密性試驗出現泄漏。

2.2 加速貯存方法

根據產品工程研制經驗和相關技術標準，采用恒應力加速貯存試驗方法，并從眾多影響因素中選取主要因素——溫度，作為試驗加速應力。為得到試驗所需的加速應力水平，試驗前期開展了溫度摸底試驗。

2.2.1 理論模型

設膜片組件的壽命服從Weibull分布[1～3]，其分布函數和概率密度函數分別為：

其中，參數為形狀參數，為尺度參數或特征壽命。

膜片組件加速貯存采用溫度為加速應力，假設加速模型為Arrhenius模型：

式中，為某壽命特征，為激活能，為波爾茲曼常數，為絕對溫度，為正常數。

該模型兩邊取對數有：

其中，是某壽命特征，，為待定常數。

對于Weibull分布，其似然函數為：

利用參數估計值求得貯存期為的貯存可靠性估計值()，貯存可靠性為的貯存期估計t，數學表達式為：

通過參數估計的近似方差陣，貯存壽命、貯存可靠性與待估參數的數學關系式，求得待估參數點估計對數的近似方差，利用最大似然估計函數關系式的近似正態性，得到正常貯存時的貯存可靠壽命下限和貯存可靠性下限。

2.2.2 試驗方法

加速試驗應保持失效機理不變。為確定膜片組件加速貯存試驗的溫度應力上限，首先溫度摸底試驗。根據試驗結果，在溫度應力上限以下選取若干組加速應力水平。

將膜片試件按應力組隨機分配，置于專用試驗工裝內。為模擬膜片組件貯存最惡劣狀態，需在組件內（2向）注入15號航空液壓油。各組分別加載溫度應力，試驗溫度的溫升及降溫速率不超過1℃/min。將各試驗溫度下的試件按規定的時間間隔取出，進行0.34MPa下保持1min氣密性試驗，記錄膜片組件氣密性不滿足產品性能要求的時間作為失效壽命數據。

試驗采用定期檢測的方法獲得試驗數據，對于定期檢測得到的試驗數據可以通過插值的方法確定試樣的具體失效時間；采用定數截尾與定時截尾相結合的方法判斷試驗結束。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

膜片組件恒定溫度加速貯存試驗剖面見圖2。

圖2 膜片組件加速貯存試驗剖面

各溫度下的有效試驗時間120d（2880h），累計共進行24次測試。其中，100℃下3件產品失效。失效試驗件如圖3。

圖3 膜片組件失效試件照片

3.2 試驗結果分析

100℃下3件產品失效分別在1440h（60d）、1560h（65d）、1680h（70d）試驗后檢測發現。100℃下的總試驗時間為2880h（120d），3個失效出現在試驗進程的一半左右，之后至試驗截止，再無失效發生，故100℃下的這3個故障可判定為早期失效。

膜片組件局部脫粘的早期失效可能是由于膠層較薄或涂抹不均勻等原因造成的。若將早期失效數據與其他正常產品的試驗數據一起分析，會增大正常產品的離散性，使得產品可靠性特征量的區間估計下限值偏低。故將膜片組件的試驗數據分為早期失效數據和正常產品數據分別分析。由于只有100℃下存在失效數據，因此本次試驗采用100℃下的數據分析評估壽命，利用溫度加速的范德霍夫規則（10度規則）[4，5]外推25℃下的可靠貯存壽命。

3.2.1 早期失效數據分析

將100℃下膜片組件的區間失效數據線性插值[6]，得到失效產品的具體失效時間，根據壽命分布擬合優度檢驗結果，采用對數正態分布和極大似然方法，計算早期失效的膜片組件在100℃下的平均壽命和可靠貯存壽命，結果見表2，可靠性函數曲線如圖4。

表2 100℃下早期失效膜片組件貯存壽命評估結果 h

圖4 100℃下早期失效膜片組件的可靠性曲線

根據范德霍夫規則外推早期失效的膜片組件在25℃下的平均壽命和可靠貯存壽命，結果見表3。

表3 25℃下早期失效膜片組件貯存壽命評估結果a

3.2.2 截尾數據分析

利用100℃下的截尾數據，采用極大似然方法，計算得到膜片組件在100℃下的平均貯存壽命和可靠貯存壽命如表4所示，此段截尾數據無失效出現，故采用1參數Weibull分布分析計算[7，8]，Weibull分布的形狀參數取為8。根據范德霍夫規則外推膜片組件在25℃下的平均壽命和可靠貯存壽命，結果如表5所示。

表4 100℃下膜片組件的貯存壽命評估結果 h

表5 25℃下膜片組件的貯存壽命評估結果 a

4 結束語

根據本次膜片組件加速貯存試驗的試驗情況和現有數據的評估結果，有如下結論：

a. 按早期失效保守分析，在貯存溫度為25℃的條件下，當貯存可靠度為0.99999，置信水平為0.8h，膜片組件的貯存壽命可滿足18a的貯存期要求；

b. 由于失效數據較少，且多組應力水平下無失效數據，外推采用了經驗的范德霍夫規則（10度規則），可能造成評估結果與實際貯存壽命存在偏差；

c. 根據膜片組件摸底試驗和加速貯存試驗現象分析，膜片組件存在的兩種失效模式（膜片破裂和膜片脫粘）中，膜片脫粘是其在貯存環境下的首要失效模式，先于膜片破裂出現。

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Accelerated Storage Test Study of A Sealing Diaphragm Used in Inlet of A Servo Turbo-pump

Li Peijian1Wang Zhifeng2Guo Jungang2

(1. Navy Deputy Office in CALT, Beijing 100076; 2. Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing 100076)

An accelerated storage scheme was formulated up by a sealing diaphragm material property and failure mechanism. An accelerated storage test study for a servo turbo-pump inlet sealing diaphragm was carried out in accordance with related theory model and method based on accelerated storage and life distribution. The test validated the quota parameter of sealing diaphragm storage period and obtained evaluating result based on the storage life and storage reliability of the diaphragm assembly.

diaphragm；accelerated storage；test；failure；turbo-pump

李沛劍（1979），工程師，機械電子工程專業；研究方向：導彈總體及伺服技術。

2019-01-08