電液舵機系統(tǒng)的可靠性強化試驗方案設(shè)計

張新，王曉紅，王立志，戴城國

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對軍、民用飛行器要求不斷提高，舵機系統(tǒng)正向復(fù)雜化、高可靠性、長壽命的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的針對電液舵機系統(tǒng)的故障采取事后補救的措施，往往無法切實有效地改善和提高舵機系統(tǒng)的可靠性，同時也無法在舵機系統(tǒng)的研制過程中提高其固有可靠性。在針對電子產(chǎn)品的可靠性研究中，可靠性強化試驗通常可以有效地提高系統(tǒng)的可靠性，在有限的試驗費用及時間內(nèi)通過施加比產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范極限更加嚴酷的試驗應(yīng)力，激產(chǎn)品的潛在缺陷，同時可通過不斷地進行改進和驗證，提高產(chǎn)品的固有可靠性。

構(gòu)成電液舵機系統(tǒng)的電液伺服機構(gòu)是實現(xiàn)機電液一體化的重要手段，已成為當(dāng)今機械傳動與控制的發(fā)展方向，但由于其機電液一體化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得其失效機理也十分復(fù)雜，因而針對電液舵機的可靠性試驗特別是實驗室試驗的研究很少。所以，將可靠性強化試驗方法引入到舵機的可靠性研究工作中，有助于提高舵機產(chǎn)品可靠性。

1 電液舵機系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)分析

1.1 電液舵機系統(tǒng)簡介

電液舵機通常由電液伺服閥、作動筒和反饋元件等部分組成。其中，電液伺服閥由力矩電機和液壓放大器組成；作動筒（又稱液壓筒或油缸）由筒體和運動活塞等部分組成[1]。

1.2 故障樹分析

故障樹是用來表示產(chǎn)品組成部分的故障或外界事件及其組合將導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生一種給定故障的邏輯圖。故障樹分析分為定性分析和定量計算。進行故障樹分析主要是為了識別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式的集合并發(fā)現(xiàn)潛在故障及其薄弱環(huán)節(jié)，所以采用定性分析的方法來建立電液舵機系統(tǒng)的故障樹。

首先以電液舵機故障為頂事件建立舵機故障樹。舵機的故障可分為工作不穩(wěn)定和不動作兩種情況，如圖1所示。然后，針對這兩種情況分別建立以舵機不穩(wěn)定和不動作為頂事件的故障樹[2—4]。

圖1 電液舵機故障樹Fig.1 Fault tree of electro-hydraulic steering gear

以舵機不穩(wěn)定為頂事件的故障樹如圖2所示。

圖2 舵機不穩(wěn)定故障樹Fig.2 Fault tree of steering gear instability

以舵機不動作為頂事件的故障樹如圖3所示。

1.3 薄弱環(huán)節(jié)及故障模式

圖2—圖3 歸納了故障樹的底事件并進行了分析后可知，作為電液舵機主要組成部分的電液伺服閥及作動筒，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其故障占電液舵機故障的大多數(shù)，因此電液伺服閥及作動筒為電液舵機的薄弱環(huán)節(jié)。而對于電液舵機的主要故障模式——卡死而言，除了自身結(jié)構(gòu)缺陷外，主要誘因為油液污染、疲勞磨損和腐蝕磨損等。

圖3 舵機不動作故障樹Fig.3 Fault tree of steering gear attonity

2 電液舵機系統(tǒng)的敏感應(yīng)力分析

電液舵機系統(tǒng)的故障主要發(fā)生在電液伺服閥及作動筒上，由上述分析可知電液伺服閥的主要故障模式歸結(jié)為油液污染、磨損、疲勞、密封損壞、雜質(zhì)卡緊、有雜物；作動筒的主要故障模式歸結(jié)為油液污染、磨損以及密封損壞。

電液伺服閥對油液的清潔度要求很高，因為油液污染所造成的危害是很嚴重的，油液污染顆粒越多，越易造成伺服閥堵塞，同時加速閥芯、閥套的磨損，從而導(dǎo)致電液伺服閥泄漏增加。同時密封件也有一定的影響，它的腐蝕、老化、變形、掉渣有時會引起伺服閥泄漏，嚴重的則會使伺服閥堵塞。污染的物質(zhì)還有可能集合成油泥或生成酸，腐蝕閥口。如果污染油內(nèi)存在小沙粒，還有可能在系統(tǒng)里劃傷部件，進而導(dǎo)致泵、閥和執(zhí)行器的漏損，使得部件磨損加劇。對于電液伺服系統(tǒng)，污染油中有較大的顆粒是很危險的，在極端情況下，會引起系統(tǒng)突然失控，造成事故[5]。

油液污染主要來自3方面[6]：1）殘留于液壓系統(tǒng)中的污染物，主要在制造、運輸、貯存過程中不可避免的殘留很少量的型砂、灰塵等，在系統(tǒng)未工作前就已潛伏于內(nèi)部；2）液壓系統(tǒng)中新生成的污染物，如由于磨損、表面疲勞或劃傷產(chǎn)生的金屬粉末、管道內(nèi)銹蝕剝落物、油液因氧化變質(zhì)產(chǎn)生的膠質(zhì)、碳渣等；3）液壓系統(tǒng)外部侵入的污染物，如灰塵、砂粒、水、空氣及各種化學(xué)物質(zhì)等。外部的污染主要由系統(tǒng)的密封性不良及結(jié)構(gòu)的缺陷所引入。由于油液內(nèi)有些污染物會隨著溫度的升高通過油濾進入閥的內(nèi)部，當(dāng)降溫時又凝結(jié)在腔內(nèi)，若其停留在小孔或間隙內(nèi)，便會導(dǎo)致伺服閥的功能衰減或工作失效；當(dāng)工作壓力出現(xiàn)脈動，系統(tǒng)環(huán)境（溫度、振動等）急劇變化時，這些污染物會加劇對伺服閥的損傷[7]，使閥中過濾裝置的耐污染能力下降，由此可知油液污染對溫度和振動都比較敏感。

疲勞磨損的誘發(fā)機理[8]：當(dāng)2 種材料相對運動（滾動或滑動）時，接觸區(qū)受到循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用；當(dāng)循環(huán)應(yīng)力超過材料接觸疲勞強度時，接觸表面或表面上某處形成疲勞裂紋，造成表面層局部脫落的現(xiàn)象即為疲勞磨損。在舵機系統(tǒng)中，疲勞磨損將導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)緩慢，進而導(dǎo)致作動筒工作不穩(wěn)定。因此，疲勞磨損受循環(huán)應(yīng)力的影響較大。

腐蝕磨損的作用機理：摩擦過程中，摩擦面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，造成表面材料的損失現(xiàn)象即為腐蝕磨損。影響腐蝕磨損的主要因素為腐蝕介質(zhì)（如酸、堿、鹽）的性質(zhì)、零件表面氧化膜的性質(zhì)和環(huán)境溫度與濕度等。因此，腐蝕磨損受溫濕度影響較大。

3 舵機的可靠性強化試驗方案設(shè)計

3.1 可行性分析

對舵機系統(tǒng)施加強化應(yīng)力，是為了加速舵機損傷，發(fā)現(xiàn)其缺陷、故障及薄弱環(huán)節(jié)并對其進行分析及采取有效糾正措施，使其可靠性得到有效提高，對應(yīng)用可靠性強化試驗來激發(fā)舵機系統(tǒng)故障的可行性進行分析。

通常可靠性強化試驗[9]由溫度步進應(yīng)力試驗、快速溫變循環(huán)試驗、振動步進應(yīng)力試驗、綜合環(huán)境應(yīng)力試驗組成。

溫度步進應(yīng)力試驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)舵機結(jié)構(gòu)的接觸不良或機械性阻塞。通過提高油液溫度，加速其與內(nèi)部污染物的反應(yīng)過程，從而可能導(dǎo)致伺服閥卡死，使得舵機不動作。

快速溫變循環(huán)試驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)密封失效，從而導(dǎo)致油液污染，引起內(nèi)部濾芯節(jié)流口堵塞以及閥控制窗口棱邊磨損等等，進而導(dǎo)致雜質(zhì)卡緊使得舵機卡死；同時快速溫變循環(huán)的溫度變化容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)收縮，使涂層或材料上各種微觀裂紋擴大，使螺釘連接或鉚接不當(dāng)?shù)慕宇^松弛，使機械張力不足的壓配接頭松弛。

振動試驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)結(jié)構(gòu)部件從而產(chǎn)生疲勞，使制造不當(dāng)?shù)穆葆斀宇^松弛，使已受損或安裝不當(dāng)?shù)拇嘈越^緣材料出現(xiàn)裂紋，同時它的激發(fā)速度也比較快。

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗較單個環(huán)境應(yīng)力試驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)出更多的故障，如圖4所示，所以在可靠性強化試驗的最后階段一般采用綜合環(huán)境應(yīng)力對產(chǎn)品進行試驗。

圖4 各種應(yīng)力試驗效果比較Fig.4 Effect contrast of different stress tests

由上述分析可知，可靠性強化試驗可以應(yīng)用于電液舵機系統(tǒng)。對于油液舵機系統(tǒng)來說，由于其結(jié)構(gòu)的整體性等特點，高濕環(huán)境也會對其產(chǎn)生較大影響，但相對濕度應(yīng)力由于與溫度及大氣壓力具有相關(guān)性，通常不作為單獨的加速應(yīng)力，在正常的密閉情況下，也不會對產(chǎn)品產(chǎn)生漸進的影響，所以可靠性強化試驗方案設(shè)計中將濕度條件加入綜合環(huán)境應(yīng)力試驗中。

3.2 試驗實施方法及設(shè)計原則

由于高、低溫試驗對試驗樣品損傷一般不會太大，因此將其安排在試驗順序的前面。而后進行快速溫變循環(huán)試驗，溫度循環(huán)會導(dǎo)致疲勞裂紋，這些裂紋會在振動下擴展，所以振動試驗在該試驗后進行。可靠性強化試驗按以下順序施加環(huán)境應(yīng)力：低溫步進—高溫步進—快速溫變循環(huán)—振動步進—綜合環(huán)境應(yīng)力試驗。在綜合環(huán)境應(yīng)力試驗過程中加大濕度條件，具體以相對濕度為90%左右作為參考。

3.2.1 溫度步進應(yīng)力試驗

高低溫溫度步進應(yīng)力試驗的目的是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品溫度的工作極限和破壞極限。在實施過程中，從初始溫度開始逐步提高應(yīng)力水平，溫度步長通常為5～10 ℃，當(dāng)接近產(chǎn)品溫度應(yīng)力工作極限以及尋找產(chǎn)品破壞極限時，應(yīng)適當(dāng)減小步長。其剖面示意如圖5所示。

圖5 低/高溫度步進應(yīng)力試驗剖面Fig.5 low/high temperature step stress test profile

對于電液舵機系統(tǒng)而言，由于其液壓系統(tǒng)中的油液工作溫度一般在30～80 ℃范圍內(nèi)比較好[10]，所以在設(shè)計高低溫截止溫度時應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品油液的實際情況來酌情調(diào)整。由于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此每個溫度的保溫時間應(yīng)比較長，如果有條件應(yīng)在產(chǎn)品尤其是對溫度敏感的部件上布置一定數(shù)量的溫度傳感器。試驗設(shè)備的溫變率設(shè)置為最高。

3.2.2 快速溫變循環(huán)試驗

快速溫變循環(huán)是從室溫開始以一定的溫度變化速率降溫至低溫端點（取值原則在后面提到）后保持一段時間，溫度穩(wěn)定后進行檢測，然后以相同的溫度變化速率升溫至高溫端點，保持相同的時間同時檢測后回到室溫，至此，完成一個溫度變化循環(huán)。其試驗剖面如圖6所示。

圖6 快速溫變循環(huán)試驗剖面Fig.6 Rapid thermal cycle test profile

對于電液舵機系統(tǒng)來說，快速溫度循環(huán)試驗的高低溫端點值選擇以不超過高低溫步進應(yīng)力試驗中得到的破壞極限的80%為佳；試件在上下限溫度保持時間通常以10～20 min為宜或根據(jù)產(chǎn)品熱傳遞特性而定；溫度變化速率一般在15～60 ℃/min之間，這一速率是指試驗箱內(nèi)溫度變化的平均速率，通常取40 ℃/min；為節(jié)約試驗費用，每次試驗的循環(huán)次數(shù)一般不超過6次。

3.2.3 振動步進應(yīng)力試驗

振動步進應(yīng)力試驗從起始振動量級（一般為3～5 Grms）開始，以一定的步長（一般為3～5 Grms）增長，振動穩(wěn)定后的駐留時間一般為5～10 min，從而確定其工作極限和破壞極限。

需要注意的是當(dāng)振動應(yīng)力到較高量級（20 Grms以后），在每一步結(jié)束后返回到“微振動”（2～8 Grms）以檢測在較高振動水平時發(fā)生的可能故障。具體試驗剖面如圖7所示。

3.2.4 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗一般采用溫度循環(huán)試驗和振動步進應(yīng)力試驗綜合，同時加大濕度條件。溫度循環(huán)應(yīng)力施加方法與快速溫變循環(huán)試驗相同，而步進振動應(yīng)力，根據(jù)已完成試驗獲得的振動應(yīng)力破壞極限和設(shè)定的循環(huán)次數(shù)確定步長。

圖7 振動步進應(yīng)力試驗剖面Fig.7 Vibration step stress test profile

針對電液舵機系統(tǒng)的具體設(shè)計為：若前面振動步進應(yīng)力試驗得到的破壞極限為40 Grms，溫度循環(huán)次數(shù)為5，那么起始振動為8 Grms，循環(huán)1 振動量級為8 Grms，循環(huán) 2 為 16 Grms，循環(huán) 3 為 24 Grms，循環(huán) 4 為 32 Grms，循環(huán)5為40 Grms.具體試驗剖面設(shè)計如圖8所示。

圖8 綜合環(huán)境應(yīng)力試驗剖面Fig. 8 Combined rapid thermal transitions and six degrees of freedom vibration test profile

4 結(jié)語

通過建立電液舵機系統(tǒng)的故障樹分析了導(dǎo)致發(fā)生故障的敏感應(yīng)力，并論證了可靠性強化試驗應(yīng)用于此類產(chǎn)品的可行性，最后提出針對該系統(tǒng)的可靠性強化試驗方案，并且針對電液舵機系統(tǒng)這種特殊的結(jié)構(gòu)根據(jù)實際情況加大濕度條件，以更加有效的激發(fā)故障從而提高其可靠性。對機電液一體化結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的可靠性試驗技術(shù)方法進行了探索研究。

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