無(wú)人水下航行器推進(jìn)電機(jī)可靠性加速試驗(yàn)方法研究

苑利維，趙曾武，田冠枝，宋顯成，鄭林

?

無(wú)人水下航行器推進(jìn)電機(jī)可靠性加速試驗(yàn)方法研究

苑利維，趙曾武，田冠枝，宋顯成，鄭林

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

用加速試驗(yàn)方法替代常規(guī)試驗(yàn)方法，達(dá)到縮短研制周期、節(jié)約研制成本、提高試驗(yàn)效率的目標(biāo)。通過(guò)對(duì)推進(jìn)電機(jī)的故障模式及影響分析，確定電機(jī)的繞組和控制驅(qū)動(dòng)器的功率器件為薄弱部位，考慮到產(chǎn)品的水下應(yīng)用環(huán)境，采用溫度應(yīng)力加速試驗(yàn)方法。結(jié)合繞組和功率器件與溫度的數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出加速因子。設(shè)計(jì)了用173 h的滿功率工作試驗(yàn)來(lái)考核產(chǎn)品平均無(wú)故障時(shí)間5500 h的可靠性加速試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品可靠性加速試驗(yàn)具有一定的借鑒意義。

推進(jìn)電機(jī)；加速因子；可靠性加速試驗(yàn)

近年來(lái)，隨著環(huán)境問(wèn)題、科學(xué)研究和軍事應(yīng)用等方面問(wèn)題的突現(xiàn)以及能源開(kāi)發(fā)利用的需求，使得世界各國(guó)把目光投向了海洋。海洋深層次的開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)成為世界各國(guó)未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。UUV的研究是在這種廣闊的商業(yè)、科研和軍事應(yīng)用前景下，不斷地發(fā)展和完善。

UUV推進(jìn)電機(jī)作為UUV的主要?jiǎng)恿ρb置，其可靠性不僅影響著水下航行任務(wù)的成敗，同時(shí)也關(guān)系著UUV是否能夠順利返航回收。續(xù)航能力已成為考核UUV水下作業(yè)能力的重要指標(biāo)之一，因此對(duì)推進(jìn)電機(jī)的MTBF（Mean Time Between Failure平均無(wú)故障時(shí)間）可靠性指標(biāo)要求越來(lái)越高，通常達(dá)到5000~8000 h。在產(chǎn)品研發(fā)階段，按照常規(guī)試驗(yàn)方法對(duì)這一指標(biāo)的考核需要浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，可靠性加速試驗(yàn)方法的提出，可以在滿足產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證的前提下，縮短研制周期、節(jié)約研制成本、提高試驗(yàn)效率。

1 推進(jìn)電機(jī)故障分析

1.1 功能劃分

UUV推進(jìn)電機(jī)由控制驅(qū)動(dòng)器和交流永磁同步電機(jī)構(gòu)成，電機(jī)輸出軸與螺旋槳直接連接，如圖1所示?？刂乞?qū)動(dòng)器內(nèi)部逆變器將外部輸入的直流電逆變?yōu)榻涣鹘o電機(jī)提供交流電能，并根據(jù)轉(zhuǎn)子不同位置，對(duì)三相定子繞組按一定順序提供電壓。當(dāng)電機(jī)定子繞組通過(guò)三相對(duì)稱(chēng)正弦電流時(shí)，在氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子拖動(dòng)螺旋槳進(jìn)而實(shí)現(xiàn)UUV的推動(dòng)力。

圖1 UUV推進(jìn)電機(jī)模型

為了能夠科學(xué)準(zhǔn)確地對(duì)推進(jìn)電機(jī)的故障進(jìn)行分析，首先進(jìn)行FMEA（Failure Mode and Effect Analysis故障模式及影響分析），識(shí)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)中或者生產(chǎn)工藝中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)可能出現(xiàn)的故障模式進(jìn)行分析，以便從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等方面采取針對(duì)性措施加以改進(jìn)或采取適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制措施進(jìn)行彌補(bǔ)，最終從根本上進(jìn)行故障的消除。推進(jìn)電機(jī)功能模塊的劃分如圖2所示。

圖2 推進(jìn)電機(jī)功能模塊劃分

1.2 可靠性預(yù)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵循從源頭上提高可靠性的指導(dǎo)思想，為滿足UUV的高可靠要求，通過(guò)優(yōu)化各組成單元的結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面提高可靠性。同時(shí)，通過(guò)裕度設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)等方式進(jìn)一步提高可靠性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件和電子元器件選型及經(jīng)驗(yàn)參考值，分析計(jì)算出各模塊的失效率，見(jiàn)表1。

表1 主推進(jìn)電機(jī)功能模塊失效率

根據(jù)各模塊的失效率，可以明顯看出電機(jī)側(cè)的定子繞組和控制驅(qū)動(dòng)器側(cè)的功率器件IPM為相對(duì)薄弱部件。

2 可靠性加速試驗(yàn)方法

產(chǎn)品研制的短周期和低成本目標(biāo)對(duì)可靠性保障技術(shù)提出了高效性、經(jīng)濟(jì)性的要求，與高可靠長(zhǎng)壽命目標(biāo)構(gòu)成矛盾，導(dǎo)致現(xiàn)有可靠性工程中的許多可靠性保障技術(shù)難以實(shí)施。同時(shí)，基于長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)、可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)用難度進(jìn)一步加大，因此，從試驗(yàn)的角度出發(fā)，加速試驗(yàn)技術(shù)成為在時(shí)間和成本約束下保障產(chǎn)品高可靠長(zhǎng)壽命的必然要求。

可靠性加速試驗(yàn)是基于產(chǎn)品的FMEA分析結(jié)果，確定產(chǎn)品加速試驗(yàn)的應(yīng)力和加速因子，在較短的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)或工藝方面的缺陷，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高可靠長(zhǎng)壽命的快速評(píng)估[1]。

可靠性加速試驗(yàn)通常采用加速應(yīng)力的可靠性試驗(yàn)，通過(guò)施加步進(jìn)應(yīng)力，找出產(chǎn)品耐應(yīng)力極限，包括工作應(yīng)力極限和破壞應(yīng)力極限，不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，并進(jìn)行改進(jìn)和驗(yàn)證，使產(chǎn)品的可靠性不斷提高，并使產(chǎn)品耐環(huán)境能力達(dá)到最高。

目前常用的加速試驗(yàn)方法可以從以下幾個(gè)環(huán)境應(yīng)力方面考慮。

1）電應(yīng)力：包括產(chǎn)品的通斷電循環(huán)、規(guī)定的工作模式及工作周期、規(guī)定的輸入標(biāo)稱(chēng)電壓及其最大允許偏差。

2）濕度應(yīng)力：模擬產(chǎn)品實(shí)際使用環(huán)境，必要時(shí)可噴入水蒸氣。

3）溫度應(yīng)力：模擬產(chǎn)品在使用中經(jīng)歷的實(shí)際環(huán)境，制定溫度變化情況和溫循次數(shù)。

4）振動(dòng)應(yīng)力：振動(dòng)應(yīng)力的量值和剖面應(yīng)按產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)使用類(lèi)別、產(chǎn)品的安裝位置和預(yù)期的使用情況確定，同時(shí)要考慮振動(dòng)類(lèi)型、頻率范圍、振動(dòng)量值和施加振動(dòng)的方向方式。

5）綜合應(yīng)力：根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境可將電應(yīng)力、濕度應(yīng)力、溫度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行組合。

UUV推進(jìn)電機(jī)在水下正常工作時(shí)，其電應(yīng)力和濕度應(yīng)力為恒定應(yīng)力，振動(dòng)應(yīng)力很難在水下模擬實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，對(duì)推進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載關(guān)系，電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩不同，電機(jī)的繞組和控制驅(qū)動(dòng)器的功率器件的溫度發(fā)生變化，因此采用了溫度應(yīng)力加速試驗(yàn)方法。

3 加速因子計(jì)算

3.1 IPM加速因子計(jì)算

IPM的可靠性主要與溫度相關(guān)，因此對(duì)IPM的加速試驗(yàn)主要考慮溫度應(yīng)力加速。在以溫度應(yīng)力為試驗(yàn)應(yīng)力的情況下，元器件的加速因子AF滿足式（1）[3]：

式中：normal為正常應(yīng)力下的壽命；stress為高溫應(yīng)力下的壽命；normal為長(zhǎng)時(shí)工況下絕對(duì)溫度；stress為滿功率工況下絕對(duì)溫度；a為失效反應(yīng)的活化能，不同類(lèi)型元器件數(shù)值不同，查文獻(xiàn)[2]中表1可得；為Boltzmann常數(shù)，=8.62×10－5eV/K。

IPM功率模塊主要由二極管和三極管組成，其中PN結(jié)破壞導(dǎo)致的短路是該類(lèi)元器件的主要失效類(lèi)型，其活化能為1.5 eV。

實(shí)際試驗(yàn)中，外部水溫15 ℃時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)工作狀態(tài)下IPM工作溫度為21 ℃（約合294 K）；滿功率狀態(tài)下，IPM平衡溫度為42 ℃（約合315 K）。

將上述參數(shù)代入式（1），得加速因子AF約為51.7，即在長(zhǎng)時(shí)工作狀態(tài)下工作1 h相當(dāng)于在滿功率狀態(tài)下工作51.7 h。

3.2 繞組絕緣加速因子計(jì)算

通過(guò)對(duì)電機(jī)繞組絕緣壽命的研究表明，電機(jī)繞組絕緣壽命符合絕緣材料熱老化定律，滿足式（2）[4]：

式中：k為平均壽命，h；為分子相互作用系數(shù)；為物質(zhì)活化能與通用氣體常數(shù)；為溫度，℃。

常用交流永磁同步電機(jī)，通常?。?.95，取4500。實(shí)際試驗(yàn)中，外部水溫15 ℃時(shí)，在長(zhǎng)時(shí)工作狀態(tài)下繞組平衡溫度為21 ℃；滿功率狀態(tài)下繞組平衡溫度為53 ℃。將參數(shù)代入式（2）可得：

k（長(zhǎng)時(shí)工作）=227 050 493 h，k（滿功率）= 7 139 717 h，得加速因子為31.8。

4 加速試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

UUV主推進(jìn)電機(jī)的MTBF≥5000 h，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按照1.1倍的MTBF也就是5500 h考核，根據(jù)加速因子，各部位加速試驗(yàn)時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 加速試驗(yàn)時(shí)間

因此，要滿足MTBF指標(biāo)，可將UUV主推進(jìn)電機(jī)在滿功率工況下至少考核173.0 h。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用該試驗(yàn)方法完成了UUV推進(jìn)電機(jī)的可靠性試驗(yàn)。UUV推進(jìn)電機(jī)在實(shí)際工作中往往會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)速，速度的變化給產(chǎn)品帶來(lái)溫度應(yīng)力的變化，但是，不容忽視的是振動(dòng)應(yīng)力也是存在的。因此，在后續(xù)改進(jìn)的加速試驗(yàn)中同時(shí)增加振動(dòng)應(yīng)力將會(huì)進(jìn)一步增大加速因子，進(jìn)而縮短試驗(yàn)時(shí)間。

[1] 劉柳, 周林, 邵將. 電子產(chǎn)品故障物理模型研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(2): 54-58.

[2] GJB 899A—2009, 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)[S].

[3] 顏景蓮. 淺談電工電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)[EB/OL]. [2015-01-31] .www.do88.com.

[4] Б.Н.瓦涅耶夫. 異步電動(dòng)機(jī)可靠性加速試驗(yàn)方法[J]. 爆炸性環(huán)境電氣防爆技術(shù), 1992(3): 30-37.

[5] 劉瑞元, 茆詩(shī)松. 步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì), 2000(1): 24-27.

[6] 陳文華. Weibull 壽命型產(chǎn)品可靠性加速驗(yàn)證試驗(yàn)方法[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 35(1): 5-8.

[7] 宣衛(wèi)芳. 裝備與自然環(huán)境試驗(yàn)[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2011.

[8] 陳兵, 李星. 加速壽命試驗(yàn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2010, 37(6): 31-38.

[9] 魏高樂(lè), 陳志軍. 基于多應(yīng)力綜合加速模型的產(chǎn)品可靠性評(píng)估方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2016(2): 24-29.

[10] 范志峰, 齊杏林, 雷彬. 加速可靠性試驗(yàn)綜述[J]. 裝備環(huán)境工程, 2008, 5(2): 37-39.

[11] 李海波, 張正平, 胡彥平. 加速壽命試驗(yàn)方法及其在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2007, 34(1): 2-10.

[12] 張秋菊, 劉承禹. 電子設(shè)備可靠性的加速試驗(yàn)[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2011(4): 81-85.

[13] 陳循, 張春華. 加速試驗(yàn)技術(shù)的研究?應(yīng)用與發(fā)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2009(8): 130-136.

[14] 姜同敏, 王曉紅, 袁宏杰, 等. 可靠性試驗(yàn)技術(shù)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2012: 185.

[15] 郭春生, 萬(wàn)寧, 馬衛(wèi)東, 等. 恒定溫度應(yīng)力加速實(shí)驗(yàn)失效機(jī)理一致性快速判別方法[J]. 物理學(xué)報(bào), 2013(17): 17-22.

Reliable Acceleration Test Method for Propulsion Motor of Unmanned Underwater Vehicle

YUAN Li-weiZHAO Zeng-wuTIAN Guan-zhiSONG Xian-chengZHENG Lin

(Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing 100076, China)

To shorten the development cycle, save the development costs and improve the test efficiency by replacing the conventional test method with the acceleration test method.By analyzing the failure mode and effects of the propulsion motor, the motor winding and the power devices of the drive module were determined as the weakest parts. Considering the underwater application environment of the product, temperature stress acceleration was adopted. The acceleration factor was calculated by the mathematical models and experimental data on winding, power devices and temperature.The reliability acceleration test method was designed based on 173 hours of full power work to assess the MTBF 5000 hours of the propulsion motor.The test method can provide a reference for the similar products’ reliability acceleration test to some extent.

propulsion motor; accelerated factor; reliability accelerated testing

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.011

TJ01

A

1672-9242(2018)01-0050-03

2017-09-09；

2017-10-01

苑利維（1975—），女，河北保定人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭刂乞?qū)動(dòng)技術(shù)及嵌入式軟件開(kāi)發(fā)。