伺服涡轮泵入口密封膜片加速贮存试验研究

李沛剑 王志峰 郭军刚



伺服涡轮泵入口密封膜片加速贮存试验研究

李沛剑1王志峰2郭军刚2

（1. 海军驻航天一院军事代表室，北京 100076；2. 北京精密机电控制设备研究所，北京 100076）

依据膜片材料性能及产品失效模式，制订了膜片加速贮存试验方案。结合加速贮存和寿命分布相关理论模型和方法，对某型涡轮泵入口密封膜片组件进行加速贮存试验研究，验证了膜片组件贮存期的指标要求，并获取了膜片组件的贮存寿命与贮存可靠性的相关评估结果。

膜片；加速贮存；试验；失效；涡轮泵

1 引言

某型膜片组件（以下简称产品或膜片组件）用于航天伺服燃气源（一次能源）与涡轮泵式伺服液压源（二次能源）之间的结构密封，安装于涡轮泵的进气入口处。膜片组件结构件为金属材料，膜片为有机玻璃材料，膜片粘接于结构件上。

图1 膜片组件结构示意图

其结构组成见图1（1所指侧为膜片正向，与燃气源相通；2所指侧为膜片反向，与涡轮腔相通）。膜片组件的主要作用是阻止涡轮泵式伺服液压源在长期贮存时微渗的液压油介质从涡轮腔流入伺服燃气源燃烧室，污染损坏燃气发生剂。

2 产品加速贮存试验方法

2.1 产品贮存失效分析

产品在规定环境下贮存，其材料性能参数会变化，材料强度随贮存时间延长呈下降趋势。膜片结构件是金属材料，可以忽略其性能变化；而非金属材料在长期贮存过程中存在可观的老化问题，性能随着时间的延长而相应下降。膜片组件非金属材料见表1。

表1 膜片组件用非金属材料明细

膜片组件主要起密封隔离作用。有机玻璃和胶粘剂在长期贮存过程中受环境应力的影响老化，性能下降，出现膜片破裂和膜片与结构件脱粘的现象，导致密封失效。膜片组件的失效模式和失效判据如下：

失效模式：有机玻璃膜片老化破裂或膜片与结构件脱粘。

失效判据：考虑膜片组件在使用过程中最恶劣的环境，即涡轮腔内充满液压油，且腔内压力最高为0.34MPa，因此膜片组件的失效判据为0.34MPa下保持1min气密性试验出现泄漏。

2.2 加速贮存方法

根据产品工程研制经验和相关技术标准，采用恒应力加速贮存试验方法，并从众多影响因素中选取主要因素——温度，作为试验加速应力。为得到试验所需的加速应力水平，试验前期开展了温度摸底试验。

2.2.1 理论模型

设膜片组件的寿命服从Weibull分布[1～3]，其分布函数和概率密度函数分别为：

其中，参数为形状参数，为尺度参数或特征寿命。

膜片组件加速贮存采用温度为加速应力，假设加速模型为Arrhenius模型：

式中，为某寿命特征，为激活能，为波尔兹曼常数，为绝对温度，为正常数。

该模型两边取对数有：

其中，是某寿命特征，，为待定常数。

对于Weibull分布，其似然函数为：

利用参数估计值求得贮存期为的贮存可靠性估计值()，贮存可靠性为的贮存期估计t，数学表达式为：

通过参数估计的近似方差阵，贮存寿命、贮存可靠性与待估参数的数学关系式，求得待估参数点估计对数的近似方差，利用最大似然估计函数关系式的近似正态性，得到正常贮存时的贮存可靠寿命下限和贮存可靠性下限。

2.2.2 试验方法

加速试验应保持失效机理不变。为确定膜片组件加速贮存试验的温度应力上限，首先温度摸底试验。根据试验结果，在温度应力上限以下选取若干组加速应力水平。

将膜片试件按应力组随机分配，置于专用试验工装内。为模拟膜片组件贮存最恶劣状态，需在组件内（2向）注入15号航空液压油。各组分别加载温度应力，试验温度的温升及降温速率不超过1℃/min。将各试验温度下的试件按规定的时间间隔取出，进行0.34MPa下保持1min气密性试验，记录膜片组件气密性不满足产品性能要求的时间作为失效寿命数据。

试验采用定期检测的方法获得试验数据，对于定期检测得到的试验数据可以通过插值的方法确定试样的具体失效时间；采用定数截尾与定时截尾相结合的方法判断试验结束。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

膜片组件恒定温度加速贮存试验剖面见图2。

图2 膜片组件加速贮存试验剖面

各温度下的有效试验时间120d（2880h），累计共进行24次测试。其中，100℃下3件产品失效。失效试验件如图3。

图3 膜片组件失效试件照片

3.2 试验结果分析

100℃下3件产品失效分别在1440h（60d）、1560h（65d）、1680h（70d）试验后检测发现。100℃下的总试验时间为2880h（120d），3个失效出现在试验进程的一半左右，之后至试验截止，再无失效发生，故100℃下的这3个故障可判定为早期失效。

膜片组件局部脱粘的早期失效可能是由于胶层较薄或涂抹不均匀等原因造成的。若将早期失效数据与其他正常产品的试验数据一起分析，会增大正常产品的离散性，使得产品可靠性特征量的区间估计下限值偏低。故将膜片组件的试验数据分为早期失效数据和正常产品数据分别分析。由于只有100℃下存在失效数据，因此本次试验采用100℃下的数据分析评估寿命，利用温度加速的范德霍夫规则（10度规则）[4，5]外推25℃下的可靠贮存寿命。

3.2.1 早期失效数据分析

将100℃下膜片组件的区间失效数据线性插值[6]，得到失效产品的具体失效时间，根据寿命分布拟合优度检验结果，采用对数正态分布和极大似然方法，计算早期失效的膜片组件在100℃下的平均寿命和可靠贮存寿命，结果见表2，可靠性函数曲线如图4。

表2 100℃下早期失效膜片组件贮存寿命评估结果 h

图4 100℃下早期失效膜片组件的可靠性曲线

根据范德霍夫规则外推早期失效的膜片组件在25℃下的平均寿命和可靠贮存寿命，结果见表3。

表3 25℃下早期失效膜片组件贮存寿命评估结果a

3.2.2 截尾数据分析

利用100℃下的截尾数据，采用极大似然方法，计算得到膜片组件在100℃下的平均贮存寿命和可靠贮存寿命如表4所示，此段截尾数据无失效出现，故采用1参数Weibull分布分析计算[7，8]，Weibull分布的形状参数取为8。根据范德霍夫规则外推膜片组件在25℃下的平均寿命和可靠贮存寿命，结果如表5所示。

表4 100℃下膜片组件的贮存寿命评估结果 h

表5 25℃下膜片组件的贮存寿命评估结果 a

4 结束语

根据本次膜片组件加速贮存试验的试验情况和现有数据的评估结果，有如下结论：

a. 按早期失效保守分析，在贮存温度为25℃的条件下，当贮存可靠度为0.99999，置信水平为0.8h，膜片组件的贮存寿命可满足18a的贮存期要求；

b. 由于失效数据较少，且多组应力水平下无失效数据，外推采用了经验的范德霍夫规则（10度规则），可能造成评估结果与实际贮存寿命存在偏差；

c. 根据膜片组件摸底试验和加速贮存试验现象分析，膜片组件存在的两种失效模式（膜片破裂和膜片脱粘）中，膜片脱粘是其在贮存环境下的首要失效模式，先于膜片破裂出现。

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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

李沛剑（1979），工程师，机械电子工程专业；研究方向：导弹总体及伺服技术。

2019-01-08