专利名称：一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法
技术领域：
本发明属于航天驱动组件可靠性及寿命评估领域，具体涉及一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验设计方法。
背景技术：
根据国外卫星统计资料表明驱动组件润滑不良而造成的“卡死”是造成卫星失效的主要原因之一，而驱动组件的摩擦磨损又是导致转动机构性能下降的关键原因。航天驱动组件是制约卫星长寿命在轨飞行的关键产品，其高可靠性和长寿命对新型长寿命卫星的研制和使用至关重要。通常产品的寿命特征是通过在正常条件下做寿命试验的方法来获得的。但对于航天驱动组件，如果采用常规寿命试验的方法往往需要耗费很长的试验时间和大量的试验费用，甚至所需要的试验时间远远大于研制周期，不可能在投入使用前完成寿命验证，因此加速寿命试验逐渐受到人们的重视。加速寿命试验是在不改变产品失效机理的前提下，通过加强应力的办法，加快产品故障、缩短试验时间，在较短的时间内预测出产品在正常应力作用下寿命特征的方法。不改变失效机理是加速寿命试验的前提，加强产品所承受的环境应力或工作应力是进行加速寿命试验的必要手段。尽管航天驱动组件的种类多种多样，其综合应力-时间历程也各不相同，为了确保加速寿命试验既能保证产品故障机理不变又确保加速效果，必须要有规范的加速寿命试验方法和相关程序，才能保证加速寿命试验数据真正反应其故障历程，并保证推导出的寿命指标的精度。目前可以检索到国外产品加速寿命试验的参考资料，但大多集中在统计方法的研究，关于试验设计的内容非常少。国内机械产品的加速寿命试验理论和方法刚刚起步，尚未有成熟的理论和方法可以指导航天驱动组件进行加速寿命试验设计。虽然20世纪80年代曾颁布过恒定应力加速寿命试验标准，但经检索国内外尚未有专利授权的产品，尤其是机械产品加速寿命试验方法和验证技术还是空白。鉴于国外对我国相关技术采取封闭政策， 我们对国外航天驱动组件如何进行加速寿命试验设计无从得知，我国对航天驱动组件的加速寿命试验的研究也刚刚起步，到目前为止我国尚未有适合于工程应用的航天驱动组件的加速寿命试验设计方法。
发明内容
本发明目的在于为航天驱动组件提供一种规范、实用且可操作的加速寿命试验设计方法，以指导航天驱动组件加速寿命试验设计，实现航天驱动组件可靠性与寿命的快速评估。本发明的一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法，具体步骤为步骤1，按航天驱动组件主要的故障机理选取加速应力；步骤2，确定加速试验剖面，具体是设置1个应力水平，最低应力水平下的应力值设置为靠近航天驱动组件正常工作时的应力值，最高应力水平下的应力值通过摸底试验确定，让试验样件按照应力水平从低到高的顺序逐次承受，各试验样件在每个应力水平下的试验时间相同，并且按照应力水平从低到高的顺序依次加长试验时间；步骤3，选取试验样本并确定数量在同一批产品中随机抽取N个样本，在无法满足样本数量N的情况下，在充分利用现有样本的基础上，采用样本复用技术，利用已有的同型号样本的试验结果来进行统计；步骤4，制订相应的故障判据来确定试验样件是否故障，由此来确定试验样件的故障时间；步骤5，确定测试周期采用定时检测，对经过严格筛选的航天驱动组件，在开始时测试周期选得比较长，然后逐渐缩短，再逐渐加长，对没有经过严格筛选的航天驱动组件，在开始时测试周期要短，然后逐渐加长；步骤6，确定试验停止时间(1)初次对航天驱动组件产品进行加速寿命试验，做到试验样件全部故障为止，或者将试验样件在较高应力水平下的寿命试验做到全部故障， 而对低应力水平下的寿命试验作截尾；(2)对试验前已知航天驱动组件寿命分布类型的， 试验到某一程度进行终止截尾，要求在每一次寿命试验中故障元件数与全部实验样本数之比要达到30%以上。最后，根据加速试验剖面和最终的试验结果，确定航天驱动组件的寿命值。本发明的优点和积极效果是(1)充分考虑了机械部件与电子部件在寿命分布方面的不同，设计的加速寿命试验方法更适合空间环境下运行的航天驱动组件。(2)采用综合应力加速寿命试验剖面，加速效果更为明显。
图1为本发明加速寿命试验方法的步骤流程图；图2为本发明实施例中实验件1的测试精度曲线示意图；图3为本发明实施例中实验件2的测试精度曲线示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明航天驱动组件加速寿命试验方法进行详细说明。如图1所示，航天驱动组件的完整的加速寿命试验方法，按照试验流程，需要逐步完成以下步骤1)选取加速应力。航天驱动组件工作于真空环境中，其所承受的环境应力与地面常规机械产品相比有很大的不同。空间环境的主要特点是真空、失重及空间辐射，另外航天器绕地球旋转的过程中会经历高低温交替的温度循环。航天驱动组件的工作应力与地面常规机械产品基本相同，主要有转速、负载等。元部件的故障是由其故障机理所决定的，不同的应力将会促进不同故障机理的发展，因而应根据故障机理来选择加速应力。一个元部件的故障，可能有多种故障机理同时出现，但在一定时期内将有一种是起主导作用的，故应按航天驱动组件的主要的故障机理来
4选择加速应力。在几种环境应力中，失重及空间辐射在地面都较难模拟，真空度的调节很难保证不改变航天驱动组件的故障机理，故几种环境应力中只有温度较常作为加速应力。负载和转速对故障机理的影响则较容易得到，故也经常作为航天驱动组件加速寿命试验的加速应力。2)确定加速试验剖面。进行综合应力加速寿命试验，需要结合摸底试验结果、基于累积损伤理论的综合应力加速模型以及航天驱动组件的实际工况设计完整的加速寿命试验剖面。理论上讲综合应力加速寿命试验中试验样件可以承受任意的应力剖面，但为了操作简便和估计准确，一般可选取1个应力水平，让试验样件由低到高逐次承受，考虑到后续数值计算的复杂程度，1 一般可取3到5个。最低应力水平S1的数值应适当靠近航天驱动组件正常工作时的应力水平，最高应力水平&应在不改变故障机理的条件下尽量高，在选择最高应力水平时还要考虑试验时的测试条件和能力，避免因为元件故障出现得过快引起测试技术发生困难，在选择最高应力水平时可以借助摸底试验。在确定了各加速应力在最低应力水平下的最低值和最高应力水平下的最高值后， 在中间的各应力水平下，各加速应力值处于对应的最低值与最高值之间，适当分散取值，例如第i个加速应力水平下的应力值取最低值+(最极端应力值-额定应力值)X i/1。关于试验样件在每个应力下的试验时间，可以按照如下原则设定各试验样件在同一应力水平下进行相同时间的试验，低应力下的试验时间可较短，后续高应力试验时间适当加长。3)选取试验样本并确定数量。在选取样本时，必须在同一批产品中随机选取，随机抽取N个样本。为保证试验效果，N最好不小于5。但由于航天驱动组件因设计精密、具有高精度和高可靠性，通常价格昂贵。因此如果无法满足上述样本数量的要求，可以在充分利用现有样本的基础上，采用样本复用技术，利用已有的其他同型号样本的试验结果来进行统计。4)确定故障判据。根据航天驱动组件的具体种类，制订相应的故障判据来确定试验样件是否故障， 由此来确定试验样件的故障时间。一般情况下，试验样件的故障判据由试验样件的技术条件规定。对航天驱动组件来说，一般根据传感器监测量来判断试验样件是否故障。常用的监测量有元部件的振动、温度、传动精度、摩擦力矩等。在传感器输出信号的基础上，进行故障诊断，得到试验样件的运行状态。5)确定测试周期。在寿命试验中最好有自动检测的设备，这样能准确地得到各试验样件的故障时间。但这样做，常常在费用上和技术上有困难。通常采用定时检测，为了不使发生故障的试验样件过于集中在几个测试周期内，最好使一个测试周期内都有一两个试验样件发生故障，故测试周期一般不相等，而与航天驱动组件的寿命分布形状和航天驱动组件的筛选情况有关。对经过严格筛选的航天驱动组件，在开始时，测试周期可选得比较长，以后逐渐缩短，然后又逐渐加长；对没有严格筛选的航天驱动组件，在开始时测试周期要短，然后逐渐加长。在每一个应力水平下，试验的测试点的个数不应少于5个。
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6)确定试验停止时间。如果是初次对航天驱动组件产品进行加速寿命试验，由于对产品的寿命分布不了解，最好做到样本全部故障为止，即进行完全寿命试验。如果确实做不到全部故障时，则要求较高应力水平的寿命试验做到全部故障，而对低应力水平下的寿命试验可作截尾寿命试验。如试验前已知产品寿命分布类型，试验到某一程度即可终止截尾。根据数理统计的要求，最好在每一次寿命试验中故障元件数与全部实验样本数之比要达到50-60%以上。 如确实达不到，至少也要达到30%以上。如果在高应力水平时故障数据的规律性很强，并确实知道在低应力下试验是正常的，那么在低应力条件下故障元件数与全部元件数的比可少于30%便可截尾。但不能在没有一个故障数据的情况下就停止试验。根据设计的加速寿命试验剖面和最终的试验结果，利用数理统计的方法可以得到航天驱动组件的寿命值。实施例采用本发明方法对某型号谐波齿轮减速器进行综合应力加速寿命试验如下谐波齿轮减速器是一种重要的航天驱动组件，由于其具有传动比大、体积小、传动精度高等优点，广泛用于星载天线展开机构等场合。1)选取加速应力。谐波齿轮减速器的主要故障模式有以下五种润滑脂在低温下粘度增大而导致驱动力矩变大、柔轮的疲劳断裂、齿面磨损、轮齿或波发生器产生滑移及齿面的流动，其中柔轮的疲劳断裂是最主要的故障模式。谐波齿轮减速器承受的环境应力主要有失重、真空、辐射及温度循环。工作应力主要有转速和负载。温度对故障的影响主要体现在润滑剂上。目前星载谐波齿轮减速器多采用脂润滑，根据目前的了解，温度对润滑脂的性能的影响并不十分明确。考虑到柔轮的疲劳断裂是其最主要的故障形式，可以选择转速和负载作为加速应力，其中负载可以通过惯量盘来实现。2)确定加速试验剖面。谐波齿轮减速器的加速寿命试验需要在真空条件下进行。由于在实验过程中，惯量盘的更换不易实现，所以可以选择定值负载，同时在不同的试验时间中改变转速。转速水平的最高值可以根据摸底试验确定。该型号谐波齿轮减速器正常工作时的负载应力水平为0. 146kg · m2，转速应力水平为0.16° /s。经过摸底试验及相关分析，确定应力水平个数1 =4。负载的加速应力水平为P = 0.292kg ·πι2，转速的加速应力水平依次为V1 = 0.32° /s、V2 = 0.64° /s、V3 = 0. 96° /s、V4 = 1. 28° /s。各个应力下的持续时间依次为T1 = 2h、T2 = 2h、T3 = 2h、T4 = 4h。之后再进行循环，直至满足试验退出条件。3)选取试验样本并确定数量。星载谐波齿轮减速器的传动精度非常高，价格也非常昂贵，本次加速寿命试验的样本数量仅为N = 2。但有N' =2个同型号的进行过寿命试验的样本，所以可以借助样本复用技术来提高试验的估计精度。4)确定故障判据。
常规减速器的故障判断可以由振动传感器输出信号结合故障诊断算法实现。但谐波齿轮减速器通常运行速度较慢，振动信号非常微弱且容易受到干扰，所以一般可以通过监测传动精度或电机启动电流来判断其是否故障。本发明实施例试验中，以传动精度作为故障判据。即若连续三个测试周期内，谐波齿轮减速器的传动精度均大于0. 08°，则认为相应试验样本发生故障。5)确定测试周期。谐波齿轮减速器的常规使用寿命通常可达数千至上万小时。如果具备可以定时自动采集的设备，则可以对运行状态进行连续记录。如果不具备可以定时自动采集的设备，则可以每间隔一段时间记录一次。本试验中以2小时作为测试周期。6)确定试验停止时间如前所述，根据数理统计的要求，应进行到一半以上样本故障为止，如果做到这一点确实比较困难，也应该进行到30%以上样品故障。两个试验样本的传动精度曲线分别如图2和图3所示。图中仅绘制了每100小时时的测试结果。实际测试中，试验件1在M12 小时时故障，试验件2在2346小时时故障。最终，根据上面的试验数据，可得到该型号谐波齿轮减速器的常规应力条件下的寿命为4640h。本发明方法考虑电子产品加速寿命试验领域的相关标准和航天驱动组件的具体情况，提出的加速寿命试验方法采用综合应力试验剖面，更好地针对了机械产品的寿命特性，同时保证了较好的加速效果。
权利要求
1.一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤步骤1，按航天驱动组件主要的故障机理选取加速应力；步骤2，确定加速试验剖面，具体是设置1个应力水平，最低应力水平下的应力值设置为靠近航天驱动组件正常工作时的应力值，最高应力水平下的应力值通过摸底试验确定， 让试验样件按照应力水平从低到高的顺序逐次承受，各试验样件在每个应力水平下的试验时间相同，并且按照应力水平从低到高的顺序依次加长试验时间；步骤3，选取试验样本并确定数量在同一批产品中随机抽取N个样本，在无法满足样本数量N的情况下，在充分利用现有样本的基础上，采用样本复用技术，利用已有的同型号样本的试验结果来进行统计；步骤4，制订相应的故障判据来确定试验样件是否故障，由此来确定试验样件的故障时间；步骤5，确定测试周期采用定时检测，对经过严格筛选的航天驱动组件，在开始时测试周期选得比较长，然后逐渐缩短，再逐渐加长，对没有经过严格筛选的航天驱动组件，在开始时测试周期要短，然后逐渐加长；步骤6，确定试验停止时间(1)初次对航天驱动组件产品进行加速寿命试验，做到试验样件全部故障为止，或者将试验样件在较高应力水平下的寿命试验做到全部故障，而对低应力水平下的寿命试验作截尾；(2)对试验前已知航天驱动组件寿命分布类型的，试验到某一程度进行终止截尾，要求在每一次寿命试验中故障元件数与全部实验样本数之比要达到30%以上。
2.根据权利要求1所述的一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤2中的1取3到5个。
3.根据权利要求1所述的一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法，其特征在于，所述步骤3中的N最小为5。
4.根据权利要求1所述的一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法，其特征在于，所述的航天驱动组件为谐波齿轮减速器，选取转速和负载作为加速应力。
5.根据权利要求4所述的一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法，其特征在于，所述的谐波齿轮减速器，正常工作时的负载应力值为0. 146kg· m2，转速应力值为 0. 16° /s，确定应力水平个数1 = 4，在试验中设置负载为恒定值0. 292kg ·πι2，转速的应力值在从低到高的应力水平下依次为V1 = 0.32° /s、V2 = 0.64° /s、V3 = 0.96° /s和V4 =1. 28° /s，各个应力水平下的持续时间依次为T1 = 2h、T2 = 2h、T3 = 2h和T4 = 4h。
6.根据权利要求4或5所述的一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法，其特征在于，所述的谐波齿轮减速器以传动精度作为故障判据，在连续三个测试周期内，谐波齿轮减速器的传动精度均大于0. 08，则确认相应试验样本发生故障。
全文摘要
本发明为一种航天驱动组件综合应力加速寿命试验方法，属于航天驱动组件可靠性及寿命评估领域。该方法首先选取加速应力，确定加速试验剖面，具体采用综合应力加速寿命试验剖面，然后选取试验样本并确定样本数量，确定故障判据和试验周期，最后确定试验停止时间，根据上述试验过程得到的数据对航天驱动组件的寿命特征值进行评估。本发明采用综合应力进行加速寿命试验，加速效果更为明显，实现了航天驱动组件可靠性与寿命的快速评估。
文档编号G01M13/00GK102445338SQ20111037827
公开日2012年5月9日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者张超, 王少萍 申请人:北京航空航天大学