欒家輝 代永德 朱興高 石士進(jìn) 韓慧超

某型控制力矩陀螺壽命與可靠性評(píng)估方法研究

欒家輝 代永德 朱興高 石士進(jìn) 韓慧超

（中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

分析某衛(wèi)星平臺(tái)的主要姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制力矩陀螺，梳理其主要故障模式，提出相應(yīng)的壽命與可靠性評(píng)估模型和方法，采集了產(chǎn)品在軌飛行和地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)控制力矩陀螺開(kāi)展壽命與可靠性評(píng)估，從而有效提高其可靠性、使用壽命以及保障質(zhì)量水平。

控制力矩陀螺；壽命與可靠性評(píng)估；威布爾分布模型

1 引言

目前，我國(guó)武器裝備的研制多以開(kāi)發(fā)新型性能裝備為主，而質(zhì)量與可靠性工程的相關(guān)研究較少，導(dǎo)致快速發(fā)展背后武器裝備高可靠、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)沒(méi)有得以完整體現(xiàn)?？刂屏赝勇菔悄承l(wèi)星平臺(tái)的主要姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有高輸出力矩、低消耗功率、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。準(zhǔn)確的壽命與可靠性評(píng)估可有效地提高可靠性、延長(zhǎng)使用壽命以及保障質(zhì)量水平。

2 產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)

控制力矩陀螺由轉(zhuǎn)子-框架部分和框架驅(qū)動(dòng)-機(jī)座部分構(gòu)成。轉(zhuǎn)子-框架部分是一個(gè)獨(dú)立、封閉的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，組件包括：旋轉(zhuǎn)質(zhì)量本體、支承及潤(rùn)滑系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子電機(jī)組件、框架組件，其作用為支撐高速轉(zhuǎn)子和提供接口?？蚣茯?qū)動(dòng)-機(jī)座部分的組件包括：框架驅(qū)動(dòng)組件（由框架支承組件、框架電機(jī)及測(cè)角裝置組成）、框架支承導(dǎo)電環(huán)組件（包括供電端軸承組件和導(dǎo)電環(huán)組成）、機(jī)座組件，其作用是提供實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子-框架系統(tǒng)在框架上方的支撐、驅(qū)動(dòng)以及框架軸的角度測(cè)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)對(duì)外的機(jī)械及電氣連接。

3 產(chǎn)品工作條件分析

按照控制力矩陀螺框架軸旋轉(zhuǎn)一圈計(jì)算，在軌框架驅(qū)動(dòng)組件和框架支承組件（包括導(dǎo)電環(huán)）的總?cè)?shù)為約87.6萬(wàn)轉(zhuǎn)；地面狀態(tài)下，從產(chǎn)品裝配完畢到整星發(fā)射，累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)一般不超過(guò)1500轉(zhuǎn)。因此，產(chǎn)品實(shí)際全壽命周期的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)一般不超過(guò)100萬(wàn)轉(zhuǎn)。

4 產(chǎn)品壽命與可靠性評(píng)估方案

4.1 主要故障模式及壽命評(píng)估特征量

控制力矩陀螺為典型的空間活動(dòng)部件，由高速組件、低速組件、導(dǎo)電環(huán)組成。

控制力矩陀螺高速組件為油潤(rùn)滑，壽命期內(nèi)標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)速為9500r/min，其壽命主要取決于高速軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命。一方面，由于長(zhǎng)期高速轉(zhuǎn)動(dòng)，其失效模式表現(xiàn)為潤(rùn)滑油消耗或失效導(dǎo)致高速組件卡滯、停轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑不良導(dǎo)致磨損引起軸承組件振動(dòng)等；另一方面，控制力矩陀螺由于側(cè)擺，高速組件軸承額外承受力矩，導(dǎo)致高速組件會(huì)發(fā)生側(cè)擺失效。高速組件的潤(rùn)滑方式與動(dòng)量輪基本一致，而動(dòng)量輪的組件潤(rùn)滑失效模式已經(jīng)通過(guò)地面試驗(yàn)及在軌飛行經(jīng)歷得到了很好的驗(yàn)證。因此，該部分的失效模式主要表現(xiàn)為側(cè)擺導(dǎo)致的失效。低速組件為脂潤(rùn)滑，一方面，長(zhǎng)期工作帶來(lái)的轉(zhuǎn)數(shù)增加導(dǎo)致的耗損失效，另一方面，磨損導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的控制精度降低，產(chǎn)生精度失效。導(dǎo)電環(huán)轉(zhuǎn)速較低，主要用來(lái)傳輸電功率與電信號(hào)，長(zhǎng)期在軌工作會(huì)導(dǎo)致到電噪聲增大。此外，側(cè)擺也會(huì)增加導(dǎo)電環(huán)的轉(zhuǎn)數(shù)和耗損。

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品全壽命周期各階段的應(yīng)用環(huán)境、工況和任務(wù)分析，控制力矩陀螺可能發(fā)生隨機(jī)失效或耗損性失效的事件。

4.2 故障判據(jù)

a. 電流不能超過(guò)門(mén)限值，高速組件穩(wěn)態(tài)電流不能超過(guò)門(mén)限值，低速組件最大電流不能超過(guò)門(mén)限值；

b. 軸承溫升不能超過(guò)門(mén)限值；

c. 電機(jī)電流波動(dòng)不能大于50%。

4.3 壽命與可靠性評(píng)估模型

根據(jù)控制力矩陀螺的組成及主要故障模式分析，其可靠性評(píng)估采用系統(tǒng)綜合的方法，在高速組件和低速組件可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用串聯(lián)模型估計(jì)得到控制力矩陀螺的可靠性。控制力矩陀螺可靠性數(shù)學(xué)模型如式（1）所示：

=高速組件低速組件導(dǎo)電環(huán)（1）

其中，高速組件——高速組件可靠性；低速組件——低速組件可靠性；導(dǎo)電環(huán)——導(dǎo)電環(huán)可靠性。

4.4 壽命與可靠性評(píng)估方法

4.4.1 評(píng)估模型

本次評(píng)估采用威布爾模型如公式所示：

評(píng)估數(shù)據(jù)：開(kāi)展評(píng)估所需的數(shù)據(jù)包括高速組件、低速組件、導(dǎo)電環(huán)各子樣試驗(yàn)時(shí)間t及對(duì)應(yīng)的失效情況，失效數(shù)r。

可靠度計(jì)算：

a. 形狀參數(shù)確定

控制力矩陀螺高速組件與飛輪產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成相似，高速組件采用與飛輪產(chǎn)品的軸承組件相同，且潤(rùn)滑方式相同，工作轉(zhuǎn)速9500r/min左右，主要的故障模式為潤(rùn)滑失效。高速組件為成熟產(chǎn)品，本次評(píng)估中形狀參數(shù)取1.5。低速組件軸承采用固體潤(rùn)滑，形狀參數(shù)本次評(píng)估中取1.5。導(dǎo)電環(huán)與高速、低速組件一樣，形狀參數(shù)取1.5。

b. 計(jì)算公式

具體的可靠性計(jì)算可按照下列公式評(píng)估計(jì)算得到：

壽命評(píng)估計(jì)算：高速組件、低速組件、導(dǎo)電環(huán)壽命服從威布爾分布，威布爾分布的平均壽命可按式（7）計(jì)算得到：

上式中Γ(·)為伽馬函數(shù)。

4.4.2 整機(jī)可靠性評(píng)估方法

4.4.3 整機(jī)壽命評(píng)估方法

控制力矩陀螺整機(jī)由高速組件、低速組件、導(dǎo)電環(huán)串聯(lián)而成，任意一個(gè)部分失效均會(huì)導(dǎo)致其整機(jī)失效，則整機(jī)的壽命應(yīng)為各部分壽命的最小值。

=min(高速組件，低速組件，導(dǎo)電環(huán)) （12）

圖1 整機(jī)壽命評(píng)估流程

根據(jù)4.4.1節(jié)的分析，可以確定各組成部分的壽命分布模型和參數(shù)，根據(jù)各組成部分的分布模型隨機(jī)抽樣，可以得到各組成部分的壽命，每次抽樣，取各組成部分壽命的最小值為整機(jī)的壽命，經(jīng)多次重復(fù)抽樣，可得到控制力矩陀螺壽命均值和方差，具體流程如圖1所示。

4.5 某衛(wèi)星平臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在某衛(wèi)星平臺(tái)安排了相應(yīng)的壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證控制力矩陀螺壽命是否滿足8a需求，同時(shí)掌握產(chǎn)品性能隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

針對(duì)控制力矩陀螺1個(gè)整機(jī)子樣開(kāi)展了側(cè)擺試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證控制力矩陀螺本體是否滿足某衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)控制力矩陀螺的大機(jī)動(dòng)使用壽命要求。

側(cè)擺試驗(yàn)完成141萬(wàn)次擺動(dòng)，從測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)和整機(jī)性能測(cè)試結(jié)果分析，試驗(yàn)前后的電機(jī)高速轉(zhuǎn)子升速曲線如圖2a、圖2b所示。該產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)及性能在側(cè)擺試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生明顯變化。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 控制力矩陀螺地面壽命試驗(yàn)情況

圖2 試驗(yàn)前后升速曲線

5 壽命與可靠性評(píng)估計(jì)算

5.1 高速組件可靠性評(píng)估計(jì)算

根據(jù)整機(jī)試驗(yàn)及相似產(chǎn)品在軌飛行情況，共8臺(tái)高速組件開(kāi)展了試驗(yàn)和在軌飛行，無(wú)失效。高速組件評(píng)估數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 高速組件評(píng)估數(shù)據(jù)

根據(jù)4.4.1節(jié)可靠性評(píng)估方法，計(jì)算得到高速組件可靠度點(diǎn)估計(jì)和置信度0.7下的可靠度置信下限：

高速組件=0.8024，高速組件=0.6822。

5.2 低速組件可靠性評(píng)估計(jì)算

根據(jù)低速組件試驗(yàn)情況，共1套低速組件開(kāi)展了試驗(yàn)和在軌飛行，無(wú)失效。低速組件評(píng)估數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 低速組件評(píng)估數(shù)據(jù)

根據(jù)可靠性評(píng)估方法，計(jì)算得到低速組件可靠度點(diǎn)估計(jì)和置信度0.7下的可靠度置信下限：低速組件=0.548368，低速組件=0.352190。

5.3 導(dǎo)電環(huán)可靠性評(píng)估計(jì)算

根據(jù)導(dǎo)電環(huán)件試驗(yàn)情況，共1套導(dǎo)電環(huán)組件開(kāi)展了試驗(yàn)和在軌飛行，無(wú)失效。導(dǎo)電環(huán)組件評(píng)估數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 導(dǎo)電環(huán)組件可靠性評(píng)估數(shù)據(jù)

根據(jù)4.4.1節(jié)可靠性評(píng)估方法，計(jì)算得到導(dǎo)電環(huán)可靠度點(diǎn)估計(jì)和置信度0.7下的可靠度置信下限：導(dǎo)電環(huán)=0.820335，導(dǎo)電環(huán)=0.708934。

5.4 壽命評(píng)估計(jì)算

控制力矩陀螺共投入3個(gè)子樣開(kāi)展加速壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行了141萬(wàn)轉(zhuǎn)，能夠滿足平臺(tái)的壽命要求。

表5 控制力矩陀螺壽命與可靠性評(píng)估結(jié)果

應(yīng)用壽命計(jì)算公式，分別計(jì)算得到高速組件、低速組件、導(dǎo)電環(huán)的壽命值，其中，高速組件為15.1858a，低速組件為6.6118a，45.0616a。根據(jù)圖1的評(píng)估流程及控制力矩陀螺的壽命評(píng)估程序，得到控制力矩陀螺的壽命均值與方差分別為Miu=5.7473°；Thita=3.9161a。最終得到的控制力矩陀螺產(chǎn)品壽命與可靠性評(píng)估結(jié)果如表5所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

控制力矩陀螺工作時(shí)間要求為8a，該產(chǎn)品在某衛(wèi)星平臺(tái)中開(kāi)展了等效8a的加速壽命試驗(yàn)。

通過(guò)可靠性評(píng)估計(jì)算得到置信下限為0.161101，小于0.9651，不滿足可靠性要求；基于已有地面數(shù)據(jù)、在軌數(shù)據(jù)估算得到置信下限為0.108830，數(shù)據(jù)并不充分，建議在后續(xù)型號(hào)進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)，為驗(yàn)證可靠性水平提供支持。

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Research on Method of Life and Reliability Assessment of Control Moment Gyroscopes

Luan Jiahui Dai Yongde Zhu Xinggao Shi Shijin Han Huichao

(China Astronautics Standards Institute,Beijing 100071)

The paper analyzed a certain type of control moment gyroscopes. Firstly it sorted out main failure modes, then proposed corresponding life and reliability assessment models and methods. Finally, it collected the in-orbit flight and ground test data, and evaluated the life and reliability of the control moment gyroscopes. The research improved the control moment gyroscopes’ reliability, service life and quality assurance effectively.

control moment gyroscopes；life and reliability；exponential distribution model

基于MBD 方法的典型空間機(jī)電產(chǎn)品可靠性定量設(shè)計(jì)分析技術(shù)研究（JSZL2015

203B030）。

欒家輝（1977），博士，可靠性專(zhuān)業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品壽命與可靠性評(píng)估。

2019-05-13