舵机加速退化试验可行性研究

2022-10-14范志锋赵铁山齐杏林

兵器装备工程学报 2022年9期

范志锋,赵铁山,齐杏林

(1.绿色风机制造湖北省协同创新中心，武汉 430065; 2.武昌工学院，武汉 430065; 3.浙江省科技厅，杭州 310007; 4.陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003)

1 引言

舵机是炮射导弹的核心部件之一，是性能的好坏是决定炮射导弹能否命中目标的关键因素。在长期储存过程中，受环境应力的影响，舵机的性能参数会发生变化。当舵机的性能参数不满足规定指标时，认为舵机已经失效，无法满足使用要求。准确确定舵机的可靠储存寿命，是开展炮射导弹质量监测工作的重要环节。确定舵机的储存寿命，最科学的方法是开展自然储存试验，将舵机放在自然环境下进行储存，然后进行测试，根据测试结果，确定其储存寿命。但自然储存试验时间周期长、样本量大、费用高，可操作性不强。传统的加速寿命试验是计数型试验，在试验过程中，需要统计失效样品的个数，相对于自然储存试验相比，在一定程度上缩短了试验时间、减小了样本量和试验费用。但对于高价值弹药部件来说，开展加速寿命试验，样本量偏大、费用较高，同时若被试部件在规定的试验时间没有出现失效，则难以进行寿命评估。

加速退化试验是20世纪80年代开展研究的新型寿命试验方法。该方法是在失效机理不变的情况下，通过高应力水平来加速产品性能退化，利用高应力水平下的性能退化数据来估计产品在正常使用应力下的可靠性特征。与自然储存试验和传统的加速寿命试验相比，加速退化试验能够大大缩短试验周期、减小样本量和试验费用。针对长期储存一次使用的弹药产品，部分学者开展了加速退化试验的研究工作。ZHANG X G等开展了某弹药部件内光电耦合器失效机理验证试验，得到了其寿命分布函数的参数，为加速退化试验的优化设计奠定了技术基础。YANG C Q等开展了弹药用弹簧的恒应力加速退化试验，获得了弹簧的性能退化数据，为弹药维修提供了理论依据。JABLONSKI M N等对弹药用锂电池进行了破坏性的加速退化实验，评估了不同存储温度和存储时间的几种不同电池的预期寿命。孙丽对弹药中具有退化特征的零部件开展了加速退化试验，并结合自然长期储存数据，建立了基于随机过程的弹药退化模型。叶朋峰对弹药用O型密封圈开展了加速退化试验，建立了退化轨迹方程，并预测了其储存寿命。吴英伟等对弹药中的引信电子部件开展了加速退化试验，对其中的易发生退化或失效的元器件进行了定位。

受试验条件限制，本文以经历过自然储存的2发某炮射导弹为研究对象，对其中的舵机开展加速退化摸底试验，探讨舵机加速退化试验的可行性，为进一步基于加速退化试验开展舵机的储存寿命评估提供科学依据。

2 舵机加速退化摸底试验方案设计

2.1 试验应力及应力施加方法

通常情况下，影响舵机性能的环境因素有温度、湿度、机械振动、大气压力、沙尘、盐雾等。本文研究的舵机处于密封包装状态炮射导弹的内部，而且炮射导弹基本处于库房储存状态。因此，在长期储存过程中，可以忽略湿度、机械振动、大气压力、沙尘、盐雾等环境因素对舵机性能的影响，主要考虑库房昼夜温差、四季变化温差对舵机性能的影响。因此舵机的加速退化试验选择温度作为试验应力。

与加速寿命试验类似，加速退化试验的应力加载方法包括恒定应力、步进应力和序进应力3种。恒定应力加速退化试验因为方法简单，工程上经常采用，但是试验周期偏长，需要的样本量也较多。序进应力加速退化试验周期最短，效率最高，但是试验过程难以控制，试验条件最高。考虑到试验时间、试验条件的限制，故对舵机开展步进应力加速退化试验。

舵机的实际允许使用温度范围为-40 ℃～50 ℃，在出厂前已经进行了60 ℃高温储存试验。因此，在进行温度步进应力加速退化试验时，起始温度应力设置为60℃。为保证失效机理的一致性，最高温度应力参照弹药加速寿命试验的最高温度应力来确定，即最高温度应力设置为80 ℃。若选择4个应力水平进行加速退化试验，按照等间隔原则，其他2个温度应力分别设置为67 ℃和74 ℃。

2.2 试验时间

试验时间包括总试验时间和各温度应力水平下的试验时间。

参考弹药加速寿命试验，舵机的加速退化试验总时间按照战术技术指标规定的储存寿命值的1/20至1/40确定。鉴于被试炮射导弹已经经历了自然储存，其剩余设计储存寿命为1年，所以，试验总时间为：

式中：为1年，取365 d。

由于试验总时间是在保守估计舵机剩余寿命的前提下确定的，取较大值能更完整地观察样本性能参数的退化趋势，所以应取最大值。本实验实际的总时间为450 h。

2.3 检测

为准确获得舵机的性能参数退化趋势，应在各个温度应力水平下对舵机进行多次检测。

舵机中电位器和电刷是控制舵片偏转的关键零件。工作状态时，电刷与电位器会磨擦剧烈，所以对舵机进行检测时，会消耗一定的工作寿命。

考虑以上因素，参照弹药加速寿命试验检测点的选取方法，确定在每个应力阶段均匀选定5个检测点，即在第一个应力阶段每隔36 h检测一次，第二个应力阶段每隔27 h检测一次，第三个应力阶段每隔18 h检测一次，第四个应力阶段每隔9 h检测一次。单次检测时间为2 h。

每次对舵机进行检测时，从试验箱中取出样本后，为使其性能稳定，应在常温下放置2 h。

上述舵机检测时间和常温放置时间不计入试验总时间。

舵机由舵机检测试验台自动检测，其检测项目及技术参数如表1所示。

表1 舵机检测项目及技术参数Table 1 Testing items and technical specification value of steering engine

3 舵机加速退化摸底试验及结果分析

3.1 试验结果

选择2个经历过自然储存的舵机按照本文给出的试验方案开展了加速退化摸底试验。

从试验过程中对舵机的检测数据来看，7个检测项目中，除了正、负消耗电流随时间增加表现出明显的变化趋势外，其他5个检测项目均无明显变化。因此，可以认为正、负消耗电流为舵机的退化敏感参数。

根据检测结果，画出2个舵机正、负消耗电流的折线如图1、图2。

图1 1#舵机消耗电流折线Fig.1 Broken-line graph of 1# steering engine consumptive current

图2 2#舵机消耗电流折线Fig.2 Broken-line graph of 2# steering engine consumptive current

另外，对比出厂交验时的检测数据，开展加速退化试验前，对1#舵机检测发现，正消耗电流减小28.95 mA，负消耗电流减小23.26 mA；2#舵机正消耗电流减小28.03 mA，负消耗电流减小9.05 mA。说明在自然储存过程中，消耗电流随着储存时间增加而减小。进一步验证了正、负消耗电流为舵机的退化敏感参数。

3.2 退化原因

从图1、图2中可以看出，2个舵机的正、负消耗电流都随着试验时间增加而逐渐减小，表现出不同程度的性能退化。在测试电压不变的情况下，电流与电阻成反比，因此，舵机电路的等效电阻随时间增加而逐渐增大。

舵机电路主要由3部分组成，即电磁铁绕组、电位器绕组和舵机放大器。舵机的电路示意图如图3。

图3 舵机电路示意图Fig.3 Schematic diagram of steering engine circuit

从图3可以看出，舵机电路中任一部分的等效电阻增大都会导致舵机消耗电流减小。

实际上，每个电磁阀绕组的阻在126～138 Ω之间，4个绕组为分路并联关系，舵机工作时只有一对电磁阀接入电路，因此绕组总电阻在63～69 Ω之间。额定电压±12.6 V，正消耗电流阈值为400～530 mA，相当于整个舵机电路等效电阻为47.55～63 Ω，电位器有效电阻450±100 Ω，舵机放大器等效电阻大约400 Ω。由此可见4个绕组电阻相对较小，消耗了大部分电流，消耗电流的退化就反映为绕组阻值的退化。

试验结束后，对舵机电磁阀进行绕组阻值检测，检测结果如表2。

表2 电磁阀绕组阻值(Ω)Table 2 Resistance value of solenoid valve winding

2#样品中有一个电磁阀绕组阻值139.14 Ω超出了阈值上限138 Ω，1#样品4个电磁阀绕组阻值均偏大，其中一个电磁阀绕组阻值136.85 Ω接近阈值上限，可见消耗电流减小的主要原因就在于电磁阀绕组阻值增大。

3.3 退化机理

在长期储存中，舵机电磁阀绕组在温度应力的作用下，金属线芯或结合部位会出现周期性的拉伸和收缩，产生蠕变现象。

蠕变是金属在应力长期作用下发生塑性变形的现象。电磁阀绕组所用材料为聚酰亚胺漆包圆铜线，聚酰亚胺具有优良的机械性能和温度稳定性，其抗拉强度在100 MPa以上，热分解温度为600 ℃，热膨胀系数为2×10～3×10℃，所以塑性变形发生的部位是绕组与外电路结合的部位，绝缘漆涂层较薄，铜材质抗蠕变性差，与绝缘漆界面容易发生分层。

金属的蠕变量与时间、应力和温度有关，如式(1)所示。

()=exp(-)

(1)

式中:为蠕变量；为材料结构常数；为蠕变时间；为作用应力；为应力指数；为蠕变激活能；为气态常数，8314 5 J·mol·K；为绝对温度。

当较大，温度越高时，蠕变量越大。导致结合部位铜丝变长，电阻变大。

因此，在步进应力加速退化试验过程中，电磁阀绕组阻值增大的原因是在温度应力作用下电磁阀绕组与外电路结合部位铜线芯产生蠕变。这与舵机实际储存状态下的退化机理一致。