基于加速退化数据的航空液压泵剩余寿命预测技术研究.pdf

1 5 4 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 1 年 1月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 O l 一 0 1 5 4 0 2 基于加速退化数据的航空液压泵剩余寿命预测技术研究半 黄爱梅郭月娥虞健飞 北京航 空工 程技术研究 中心 ， 北京 1 0 0 0 7 6 Re s e a r c h o n r e s i d u a l l i f e p r e d i c t i o n t e c h n i q u e o f h y d r a u l i c p u mp b a s e d o n a c c e l e r a t e d d e g r a d a t i o n d a t a HUANG Ai me i ． GUO Yu e e ． YU J i a n f e i B e i j i n g A e r o n a u t i c a l T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a 【 摘要】 航空液压泵是航空装备的关键件之一。如何很好地预测液压泵的剩余寿命， 使得液压泵 的有效寿命能够得到更加充分合理地利用， 将具有很大的理论价值和经济效益。通过研究某型航 空液 压泵的失效模式、 失效机理和退化参数 ， 确定其加速退化试验方案， 建立其加速退化模型， 并在此基础 上建立了一套基于加速性能退化试验数据的航空液压泵剩余寿命预测方法及步骤， 并以该型航空液压 泵的加速性能退化试验数据为例对其剩余寿命进行了预测， 验证 了该方法的正确性和有效性。 关键词 剩余寿命预测； 加速退化试验 ； 航空液压泵 【 Ab s t r a c t 】 A v i a t i o n h y d r a u l i c p u m p i s o n e o ft h e k e y c o m p o n e n t s OfA v i a t i o n e q u ip m e n L H o w t o p r e d i c t t h e r e s i d u al l if e r i g h t l y i s v e r y i m p o r t a n t t o o d e q u a t e u t i l i z e t h e l if e o fa i r c r a f t h y d r a u l i c p u m p ． B a s e d o n t h e r e s e a r c h of t h e f a i l u r e m o d e f a i l u r e c a u s e a n d d e g r a d a t i o n p ara m e t e r s of t h e p l u n g e r - t y p e v ari a b l e s a v i a t i o n h y d r a u l i c p u m p o f a i r c r a f t ， t h e a c c e l e r a t e d d e g r a d at i o n t e s t p l a n i s d e t e r m i n e d ， a n d t h e a c c e l e r a t e d d e g r a d at i o n m o d e l i s b u i h fir s t l y ． T h e n ， t h e r e s i d u a l f p r e d i c t i o n p r o c e d u r e s a r e p r o p o s e d w h i c h i s b a s e d o n t h e a c c e l e r a t - ed p e r f o r m a n c e d e gra d a t i o n d a t a F i n cd l y ． u s i n g t h e acc e l e r a t e d d e gra d a t i o n t e s t d ata f r o m air c r a f t h y d r a u l i c p u m p s ， t h e r e s i d u a l l if e o f a i r c r a ft h y d r a u l i c p u m p i s p r e d i c t e d ， w h i c h v ali d a t e d t h e v a l i d i t y o f t h e m e t h o d Ke y wo r ds Re s i d ua l l i f e pr e di c t i o n； Ac c e l e r a t e d de g r a da t i on t e s t ； Av i a t i o n h yd r a u l i c pu m p - - 一 - ” -*-“一n”“ 一”””“”“一一“””””“””一””““ 中图分类号 T H1 6 ， T B 1 1 4 ． 3 文献标识码 A 1 引言 航空液压泵是航空装备的关键件之一 ，是一种高可靠长寿 命产品。 目前， 由于试验费用和试验设备的限制， 工厂对航空液压 泵的各种试验一般只进行几十小时到几百个小时， 此时液压泵远 没有失效， 通常无法获得失效时间数据， 因此， 迫切需要一种能在 无失效数据的情况下， 预测液压泵寿命的方法。将在以往基于性 能退化的可靠性分析技术 的基础上 ， 重点针对某型号的国产航空 柱塞式变量液压泵进行研究， 分析该种液压泵的加速陛能退化试 验数据， 预测这种液压泵的剩余寿命 [1 ,2 ,3 1 。 本文的研究工作将采用j 基 化量分布法分析液压泵加速条件下的 性能退化试验数据 2 1 ， 利用自行开发的数值计算程序计算液压泵的 寿命并绘制可靠度曲线， 从而实现对液压泵乘 馀寿命的预测和分析。 2 航空液压泵加速退化试验方案 2 ． 1航空液压泵失效模式、 敏感应力及性能退化参数 液压泵主要有齿轮泵和柱塞泵， 目前航空装备广泛采用柱塞式 变量液压泵。 本 勘立 对柱塞式液压泵的构造 、 工作原理、 工作性能、 影响因素的研究以及对外场凋研的故障泵进行原因分析，可以认为 液压泵的主要故障模式为漏油 或气蚀 ， 而故障机理则主要为磨损。 并有试验证明 液压泵内关键摩擦副 配流副、 柱塞副 的磨损是加快 泵的胜能退化 特别是高温小流量Q。 的退化 、 制约泵的寿命的主要 原因阳， 并 目磨损速度与液压泵的压力 、 转速成幂律关系 对于确定的液压泵来讲， 压力、 转速、 温度、 润滑条件以及油液污 染均对液压泵摩擦副的磨损有影响。液压泵的压力、 转速和油液温度 是在使用中动态变化的、 影响液压泵寿命的敏感应力。在液压泵的整 个使用过程中， 液压泵 数基 化和液压泵失效主要表现在压力下降和 流量降低， 所以性能退化参数可选择额定工作压力， 额定流量或高温 小流量。额定工作压力在试验初期， 特别是在寿命保汪期内退化特征 不明显。 因此可选择泵的输出流量或高温小 为主要陛能退化特 征参数， 而高温小流量退化最为明显， 是液压泵首选的退化敏感参数。 2 _ 2试验条件和失效判据 1 对某型液压泵进行 胜能退化试验采用液压泵试验装置 ， 其主要试验条件， 如表 1 所示。 表 1某型液压泵的试验条件 如表 1 所示， P 一泵的出口压力， 单位 MP a ； P s -一泵供油量为 零时的出FJ压力 ， 单位 M P a ； P 。 泵的回油压力， 单位 MP a ； 表 示泵进口绝对压力 ， 单位 M P a ； 一 泵输出流量， 单位 [ ／ m i n ； Q 一 ★来稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 4★基金项 目 总装可靠性预研基金资助项 目 5 1 3 1 9 0 3 0 2 0 4 第 1 期 黄爱梅等 基于加速退化数据的航空液压泵剩余寿命预测技术研究 1 5 3 泵的高温小流量 ， 单位 L ／ ra i n ； n 一泵转速， 单位 r ／ m i n ； T 一工作液 温度 ， 单位 ； T |_周 围介质 温度 。 2 失效判据是在额定工作参数 、 周围介质温度为室温的条 件下规定的 ①在 n 4 0 0 0 r ／ mi n ， T 5 0 5时 ， 要求 Q≥3 4 | J mi n ； ②在 n 5 0 0 r ／ m i n ， T 7 5 3时 ， 要求 Q1 ≥2 ． 5 I ／ ra i n ； ③在 n 4 0 0 0 r ／ m i n ， T 5 0 5时， P s ≥ MP a 。 2 ． 3加速退化试验方案 2 ． 3 ． 1 加 速应 力的选取 匕 述研究表明压力、 转速、 温度、 润滑条件 粘度、 添加剂种类等 以及油液污染度都影响磨损， 可作为液压泵的加速应力。 但对磨损失 效型液压泵， 压力与转速是首选加速应力。这是因为， 磨损与其呈幂 律关系。 在工厂现有条件下进行试验也证明， 转速增大至 1 5 0 ％左右 ， 压 力增大至 1 2 5 ～ 1 3 3 ％时， 能进行稳定而有效的加速。由于液压泵 的调压范围以及结构强度所 限， 单独使用压力加速潜 力不大 当调至 P s 2 8 MP a 时， 压力自动地缓幔降低 ， 因而需要与转速同时加速。而 温度、 润滑条件等由于会引起失效机理复杂化等原因而不宦选取。 2 ． 3 ． 2加速 试验 载荷谱 与试验 方案 目 前， 航空柱塞式液压泵主要有j种载荷谱， 即， 型号谱、 标准 谱以及使用谱。 但目前尚未建立实际的使用谱， 只能以工厂型号i 普 并 参照标准的强化谱进行加速试验。 以上三种载荷谱均为变幅载荷， 因 而采用 目 前 }贯 用的恒定应力加速寿命试验方法 ，不能准确地评估变 应力下的可靠 。因此， 加速退化试验的载荷谱采用双应力 压力和 转速 变幅载荷， 无论在原理 } 和实践上都具有较大的现实意义。 选择 1 2 台新生产的该型液压泵， 按照以j 二 力 口 速试验载荷谱进行 试车，分别在应力水平 P 2 8 MP a ， V 6 0 0 0 转； P 2 4 MP a ， V 5 8 0 0 转； P 2 2 MP a ， V 5 0 0 0 转下进行加速退化试验，监测泵的高温小流量Q1 的数据。采集数据的测量时问间隔为 3 个小时， 共测量 4 8 小时。 3 剩余寿命预测的实现方法及步骤 3 ． 1 加速退化模型的分析 基于对液压泵性能退化机理的分析，以及对国外柱塞泵加 速寿命曲线的分析， 柱塞泵的加速寿命试验应该选择双应力逆幂 律模型 s I 4 V P 式中 一 产品退化量的某特征值或退化量随机过程中的某参数； A、 、 一 待定常数 ； V ～转速 ； f 一 压力 。 3 l 2基于加速性能退化量分布法的实现方法及步骤 假设在应力水平 S 1 ， 2 ， ⋯， d 下， 从产品中随机抽取 个 样 品进行加速退化试验 ， 在时间 ￡ t 一 ， t 监测其性能退化量并 记 录， 总共 监测 m 次 ， 数据记录 ， 如表 2 所示 。在表 2中 ， Y 表示 在应力水平 k下的第 i 个样品在 时刻测得的性能退化量值 。 步骤 1 收集各 羽金 样品在各个应力水平下、 各个时刻的性能 退化数据， 如表 1 所示 ， 并根据产品的设汁任务书确定失效阀值 步骤 2 依据上面求得的性能退化量样本均值与样本标准差 数据， 结合最小二乘法和 T O P S I S法分别选择出退化量样本均值 与标准差的退化模型， 并求出各个应力水平下模型参数估计值。 步骤 3 根据产 品的失效机理等因素 ， 选择 出产 品的加速退 化模型 ； 依 据步骤 2 所得 的样本均值 、 样本标准差随时问变化 的 函数 ， 利用 所选 加速退化模型 ， 采用多元非线性 回归方法得 出退 化模型参数与应力水平 的关系。 步骤4 依据已知的产品失效阈值 利用步骤 3 所得的退化 模型参数与应力水平的关系， 可以求 出正常使用应力条件下， 产品性 能退化量的样本均值与样本标准差随时间变化的函数关系 ，然后结 合产品可靠 与性能退化量分布的关系对产品剩余寿命进行预测。 表 2加速退化试验-眭能退化量监测记录表 4算例分析 算例 采用 1 2台某型航空液压泵分别在应力水平 P 2 8 MP a ， V 6 0 0 0转； P 2 4 MP a ， V 5 8 0 0转； P 2 2 MP a ， V 5 0 0 0转下 进行加速退化试验， 监测泵的高温小流量数据。采集数据的测量 时间问隔为3个小时， 共测量 4 8 小时。 高温小流量的失效阀值为 2 ．5 I d Mi n ， 已知液压泵的正常工作条件 P -- 1 7 ． 7 MP a ， V 4 0 0 0转。 按照 2 ．2的方法和步骤， 经分布假设检验 ， 该产品各个测量 时刻的性能退化量在显著水平 0 ．0 5 0 0 0 0下均服从正态分布， 产 品的性能退化量与时间的轨迹与线性模 型拟合得最好 。 在正常应 力水平条件下，产品性能退化量均值随时间的线性退化模型为 Y 一0 ．0 0 1 9 3 6 “ T 4 ． 3 9 2 4 6 7在正常应力水平条件下 ，产品性能退 化量标准差 随时间的线性 退化模型 为 Y 0 ． 0 0 0 0 7 1 T 0 ．0 4 9 5 5 8 最后得出该型液压泵的平均寿命为 9 7 6 ． 2 5 9 3 4 8 h 。 5结论 将基于I生能退化数据的可靠性分析方法应用于航空液压泵 的剩余寿命预测中，针对某型国产航空柱塞式液压泵进行研究， 建立了基于加速性能退化试验数据的航空液压泵剩余寿命预测 方法与步骤， 并通过试验数据算例分析得出 当该型液压泵的寿 命 超过 8 0 0 h 左 右 后 ， 其可靠 度将迅速 下降 ， 而到 达 1 2 0 0 h左 右， 可靠度将逐渐趋近于 0 。该预测结果与一些外场返回或内场 试验的该型液压泵的统计数据相符 ， 由此证明 本文的剩余寿命 预测方法和步骤是正确有效 的。 参考文献 1邓爱民 ， 陈循 ， 张春华 ， 汪亚顺． 基 于性能退 化数据 的可靠性评估 [ J J l 宇 航学报 ， 2 0 0 6 3 2 赵建印， 孙权， 彭宝华， 周经伦． 基于加速退化试验数据的可靠性分析[ J ] ． 可 靠性分析 与研究 ， 2 0 0 5 7 3邓爱 民， 陈循 ， 张春华 ， 汪亚顺 ． 基于加速退化数据的可靠性评估 [ J J _ 弹 箭与制导学报 ， 2 0 0 6 S 8