論cz-2f伺服系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

論cz-2f伺服系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

1基于價(jià)值的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)cz-2f然后發(fā)射驗(yàn)證了神舟五號(hào)宇宙飛船的性能，再次證明了它是一種非常可靠的航空航天設(shè)備。其中擔(dān)當(dāng)火箭飛行姿態(tài)控制執(zhí)行重任的伺服系統(tǒng)成為全箭提高可靠性的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。為達(dá)到比常規(guī)運(yùn)載火箭伺服系統(tǒng)高一個(gè)量級(jí)的可靠度指標(biāo)要求,在伺服系統(tǒng)方案論證之初,就把可靠性設(shè)計(jì)放在首位,并將可靠性分析、可靠性增長(zhǎng)、可靠性驗(yàn)證工作貫穿于整個(gè)研制過程中。經(jīng)過不懈的努力,伺服產(chǎn)品日臻完善,滿足了載人航天的高可靠要求。2可靠性設(shè)計(jì)2.1余度、多方式聯(lián)合應(yīng)用的液壓自足式充填閥及其他種國(guó)內(nèi)外伺服產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐表明,從改進(jìn)伺服系統(tǒng)各組成單元的結(jié)構(gòu)和制造工藝上進(jìn)一步提高可靠性,可挖掘的潛力有限,無法滿足載人航天大幅增長(zhǎng)的可靠度指標(biāo)要求。必須采用全新的設(shè)計(jì)理念,從設(shè)計(jì)源頭上采取措施,才能保證可靠性與安全性的大幅增長(zhǎng)成為可能。借鑒國(guó)外航空航天飛行器采用冗余技術(shù)提高可靠性的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),在CZ-2F方案論證之初即提出了在伺服系統(tǒng)中采用冗余技術(shù)的方案設(shè)想。20世紀(jì)90年代初期,余度伺服控制技術(shù)僅為少數(shù)幾個(gè)航空航天大國(guó)所掌握,國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域尚處于起步探索階段,無工程實(shí)用化的產(chǎn)品。首次提出的載人航天余度伺服系統(tǒng)方案起點(diǎn)較高,為具有故障檢測(cè)和隔離功能的四余度伺服系統(tǒng)方案。但由于技術(shù)難度大、預(yù)研基礎(chǔ)薄弱,被認(rèn)為不宜直接用于型號(hào)而遭否決。經(jīng)過反復(fù)論證,又提出了“多數(shù)表決、故障吸收”的三余度伺服系統(tǒng)方案。這種方案由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不用專設(shè)表決、隔離、切換裝置而能化解吸收一度故障和部分二度故障,得到了專家們的認(rèn)可?？紤]到首次實(shí)現(xiàn)余度伺服系統(tǒng)的技術(shù)難度,三余度伺服系統(tǒng)被列為CZ-2F火箭九大關(guān)鍵技術(shù)之一,其余度技術(shù)具有以下特色:a)利用電液伺服系統(tǒng)原有特點(diǎn),在各組成環(huán)節(jié)增強(qiáng)完善基礎(chǔ)上,使伺服閥前置級(jí)、活塞位置傳感器及電子伺服放大器等低功率薄弱環(huán)節(jié)三冗余化,利用伺服閥芯位置反饋、活塞位置反饋以及伺服閥前置級(jí)所具有的飽和特性,進(jìn)行流量綜合,實(shí)現(xiàn)“多數(shù)表決、故障吸收”三余度方案。在10kW級(jí)和0.5kW級(jí)兩個(gè)差別顯著的功率級(jí)別上實(shí)現(xiàn)了液壓能源自足式完全整體型伺服系統(tǒng)的三余度化,獨(dú)具特色,在使用維護(hù)性和可靠性上優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。b)設(shè)置了兩個(gè)動(dòng)壓微分裝置和3對(duì)動(dòng)壓反饋噴嘴,使動(dòng)壓校正余度化,提高了動(dòng)壓特性的可靠性。c)反饋電位計(jì)采用了三重并聯(lián)工作方式,使電刷開路造成系統(tǒng)開環(huán)的嚴(yán)重故障降低到幾乎不可能發(fā)生。d)伺服閥、反饋電位計(jì)等關(guān)鍵器件的電氣接點(diǎn)采用雙點(diǎn)雙線連接,提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴Ｆ淙哂嗫刂圃砣鐖D1所示。通過對(duì)上述故障率最高且最關(guān)鍵的元部件采取冗余措施,使伺服閥噴嘴堵塞、反饋電位計(jì)電刷開路等造成常規(guī)伺服機(jī)構(gòu)失控的致命故障得以化解、吸收,大幅度地提高了伺服系統(tǒng)可靠性與安全性。通過可靠性預(yù)計(jì),理論上三余度伺服系統(tǒng)任務(wù)可靠度可達(dá)0.9998,比非冗余伺服機(jī)構(gòu)0.998的可靠度指標(biāo)高一個(gè)量級(jí)以上。2.2主體結(jié)構(gòu)與器件CZ-2F伺服系統(tǒng)充分繼承了CZ-2E伺服系統(tǒng)中成熟、可靠的技術(shù)成果。伺服系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)與CZ-2E的同類產(chǎn)品完全相同;部分成熟元器件直接移植應(yīng)用或作適應(yīng)性改進(jìn)。這些結(jié)構(gòu)與元器件曾在多次地面試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)中得到考核,其設(shè)計(jì)可靠性是值得信賴的。這些成熟技術(shù)的采用對(duì)保證伺服產(chǎn)品的可靠性,縮短研制周期起到了促進(jìn)作用。2.3柱塞泵的結(jié)果CZ-2E伺服系統(tǒng)中還有一些結(jié)構(gòu)和元器件在以往的試驗(yàn)中曾暴露出可靠性薄弱的問題,CZ-2F伺服系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。主要改進(jìn)點(diǎn)有:a)用可靠性較高的氟塑料軟管取代了原來的金屬軟管。b)用新型號(hào)柱塞泵取代了原來的柱塞泵,解決了原泵低壓腔耐壓不足而漏油的隱患。c)泵組件與整機(jī)采取了自封接頭對(duì)接方式,使得伺服系統(tǒng)在運(yùn)輸及安裝時(shí),更加方便、安全。d)控制插座用壓接式插座取代了原焊接式插座,提高了接線的可靠性。e)提高了過濾器的過濾精度;研制新型金屬線繞管油濾取代原來的燒結(jié)青銅油濾;在油泵吸油口增加了低壓油濾,延長(zhǎng)了油泵的工作壽命。f)反饋電位計(jì)電刷改為整體式電刷,不需焊接,杜絕了由于焊接質(zhì)量問題造成掉電刷的隱患。g)油箱活塞上用異型密封圈取代了原來的“O”型密封圈,解決了密封圈在運(yùn)動(dòng)中易發(fā)生扭轉(zhuǎn)而影響密封性的問題。h)直流電機(jī)電刷接線片的引線方式由焊接方式改為壓接方式,提高了接線的可靠性。通過采取以上措施,使伺服系統(tǒng)的可靠性得以不斷增長(zhǎng)。2.4內(nèi)容指標(biāo)的設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、工作性能、承載能力都有一定的設(shè)計(jì)裕度。伺服機(jī)構(gòu)的工作性能,內(nèi)控指標(biāo)均嚴(yán)于控制系統(tǒng)任務(wù)書中提出的要求,留有余量。通過采用裕度設(shè)計(jì),為進(jìn)一步提高載人航天伺服系統(tǒng)的可靠性奠定了基礎(chǔ)。3可靠性試驗(yàn)與地面試驗(yàn)的比較CZ-2F伺服系統(tǒng)雖然從設(shè)計(jì)上采取了一系列提高可靠性的措施,可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果也滿足預(yù)定的可靠度指標(biāo)要求,但如何驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠度達(dá)到了規(guī)定的指標(biāo)要求卻是個(gè)很值得研究的課題。CZ-2F伺服系統(tǒng)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)少、產(chǎn)品批量小、積累的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)少,不足以評(píng)估產(chǎn)品的可靠性,只能通過專門的可靠性試驗(yàn)來驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性。而伺服機(jī)構(gòu)生產(chǎn)周期長(zhǎng)、造價(jià)高,試驗(yàn)樣本量少,要驗(yàn)證到0.9996的可靠度指標(biāo),每臺(tái)產(chǎn)品要能工作幾百個(gè)小時(shí)不出故障,這就存在以下困難:a)航天伺服系統(tǒng)為壽命耗損型產(chǎn)品,其額定可靠壽命只有50h。b)伺服系統(tǒng)為自身攜帶能源的整體式結(jié)構(gòu),為減小重量和體積,其油箱容量設(shè)計(jì)得較小,油液溫度上升很快。因此,地面試驗(yàn)時(shí),伺服機(jī)構(gòu)為間歇工作方式,一臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)要完成幾百小時(shí)的試驗(yàn)實(shí)際上要耗費(fèi)幾個(gè)月的時(shí)間。因此,需要精心設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,使可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)切實(shí)可行。3.1產(chǎn)品無故障工作時(shí)間以往的伺服產(chǎn)品在進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí),壽命分布類型均保守地按指數(shù)分布考慮。對(duì)于CZ-2F三余度伺服系統(tǒng),若仍按指數(shù)分布類型考慮,在實(shí)際能提供的試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)只有2～3臺(tái)的情況下,每臺(tái)產(chǎn)品的無故障工作時(shí)間就要長(zhǎng)到不可實(shí)現(xiàn)的地步。以二級(jí)產(chǎn)品為例,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下且假定試驗(yàn)中故障數(shù)為0時(shí),若子樣數(shù)為2,則每臺(tái)產(chǎn)品無故障工作時(shí)間為815h;若子樣數(shù)為3,則每臺(tái)產(chǎn)品無故障工作時(shí)間為543h,遠(yuǎn)大于伺服產(chǎn)品50h的額定壽命?？紤]到伺服系統(tǒng)為機(jī)電類產(chǎn)品,其主要失效機(jī)理為相對(duì)運(yùn)動(dòng)件的磨損、受力件的疲勞損壞及密封件的老化,確定其壽命分布類型按Weibull分布考慮更為合理。3.2環(huán)境因子的確定a)伺服系統(tǒng)在飛行中的任務(wù)剖面。一、二級(jí)伺服機(jī)構(gòu)飛行任務(wù)剖面列于表1。b)主要環(huán)境應(yīng)力:溫度:影響最大,但主要是自身發(fā)熱,外來熱源影響小;振動(dòng):對(duì)控制、測(cè)量、電氣元件影響大于對(duì)動(dòng)力元件的影響,外加影響主要是高頻分量;低氣壓:對(duì)電機(jī)有影響(電刷燒蝕和溫升);電源電壓:對(duì)電機(jī)有影響。c)主要工作應(yīng)力:動(dòng)力元件(泵、電機(jī)):轉(zhuǎn)速、時(shí)間、啟停次數(shù);閥類元件、作動(dòng)器、蓄能器、增壓油箱:全程周數(shù)、壓力循環(huán)次數(shù);密封件:壓力循環(huán)次數(shù)、時(shí)間、溫度。d)飛行任務(wù)工作時(shí)間的確定(見表1)。欲使伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)接近于真實(shí)飛行狀態(tài),應(yīng)該在通電、帶負(fù)載的情況下進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)。鑒于伺服系統(tǒng)間歇式的工作方式和龐大的負(fù)載模擬系統(tǒng),無法進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn),只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行考核?？紤]實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與飛行環(huán)境的不同以及伺服系統(tǒng)地面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與飛行狀態(tài)的不同,將實(shí)際飛行任務(wù)時(shí)間乘以環(huán)境因子,折算成等效任務(wù)時(shí)間。根據(jù)上述伺服系統(tǒng)工作應(yīng)力特點(diǎn),設(shè)計(jì)了強(qiáng)化壽命試驗(yàn)程序,用若干種典型動(dòng)作代替飛行過程中隨機(jī)動(dòng)作,其時(shí)間、溫度、動(dòng)作次數(shù)、負(fù)載強(qiáng)度均有所強(qiáng)化,這樣可以取較小的環(huán)境因子,縮短試驗(yàn)時(shí)間。對(duì)于一級(jí)伺服系統(tǒng),電動(dòng)泵工作時(shí)段,取環(huán)境因子K=1;主泵工作時(shí)段,考慮高頻振動(dòng)和高溫環(huán)境的影響,取環(huán)境因子K=2,等效任務(wù)時(shí)間為0.1333h;對(duì)于二級(jí)伺服系統(tǒng),地面工作時(shí)段,取環(huán)境因子K=1;一級(jí)飛行段,考慮高頻振動(dòng)環(huán)境的影響,取K=2;二級(jí)飛行段,考慮高頻振動(dòng)、高溫和低氣壓環(huán)境的影響,取K=3,等效任務(wù)時(shí)間為0.5416h。3.3可靠性試驗(yàn)計(jì)算按照Weibull分布,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下且假定試驗(yàn)中故障數(shù)為零時(shí),每臺(tái)伺服系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)間為T=t0[ln(1?γ)nlnR(t0)]1m(1)Τ=t0[ln(1-γ)nlnR(t0)]1m(1)式中T為每臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)間,h;t0為任務(wù)時(shí)間,h;n為投試產(chǎn)品數(shù)量;m為形狀參數(shù),借鑒其它機(jī)電類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn),保守地取m=1.2;R(t0)為可靠度指標(biāo),0.9996;γ為置信度,0.7。按式⑴計(jì)算結(jié)果,一級(jí)取兩臺(tái)產(chǎn)品,每臺(tái)產(chǎn)品無故障工作時(shí)間59h,與額定壽命接近;二級(jí)取3臺(tái)產(chǎn)品,每臺(tái)產(chǎn)品無故障工作時(shí)間172h。3.4不同壽命保證時(shí)間對(duì)產(chǎn)品可靠性影響試驗(yàn)考慮到伺服產(chǎn)品在參加飛行試驗(yàn)前均要經(jīng)歷多次地面檢查試驗(yàn),保守估計(jì)為30h。根據(jù)伺服系統(tǒng)的方案原理、組成特點(diǎn)和研制經(jīng)驗(yàn),產(chǎn)品在磨合試驗(yàn)剔除早期失效后,存在一段未見失效發(fā)生的保證壽命期。將30h視為伺服系統(tǒng)的最小壽命保證時(shí)間,試驗(yàn)產(chǎn)品應(yīng)先做完30h常規(guī)壽命試驗(yàn)后,才開始可靠性試驗(yàn)?？煽啃跃C合驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)間:一級(jí)伺服系統(tǒng):T=30h(常規(guī)壽命)+59h(可靠性試驗(yàn)時(shí)間)=89h二級(jí)伺服系統(tǒng):T=30h(常規(guī)壽命)+172h(可靠性試驗(yàn)時(shí)間)=202h4驗(yàn)證試驗(yàn)完成情況按可靠性綜合驗(yàn)證方案,一級(jí)伺服系統(tǒng)取兩臺(tái)產(chǎn)品,二級(jí)伺服系統(tǒng)取3臺(tái)產(chǎn)品,歷時(shí)半年,完成了可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中一級(jí)伺服系統(tǒng)曾出現(xiàn)伺服閥前置級(jí)噴嘴堵塞故障,由于三余度伺服系統(tǒng)具有容錯(cuò)能力,在帶故障狀態(tài)下,伺服系統(tǒng)輸出性能仍滿足控制系統(tǒng)要求,進(jìn)一步證實(shí)對(duì)伺服系統(tǒng)采取冗余措施是必要的并且是有效的。5驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)了三余度伺服系統(tǒng)從初樣至遙四的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)、可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、參加發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合熱試車試驗(yàn)數(shù)據(jù)、遙一至遙四飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù),產(chǎn)品壽命分布類型按Weibull分布考慮,形狀參數(shù)左端點(diǎn)1.1,右端點(diǎn)1.2,可靠性評(píng)估