強化試驗法對月球樣品容器鎖緊機構的可靠性評估

紀 明， 李海志， 馬 聰

(蘭州空間技術物理研究所， 甘肅 蘭州 730000)

引言

根據我國探月三期工程要求，采集的月球樣品必須密封在極低漏率環境中返回地球，以維持月球樣品原態，保證地面數據分析的準確性[1]。因此，月球樣品的密封可靠性就顯得尤為重要，如果密封失效，返回過程中進入空氣、雜質等對樣品造成污染，甚至產生化學反應，會導致整個探月工程任務的失敗。

月球樣品密封的可靠性除了與樣品容器自身的密封結構有關外，更與完成樣品容器密封的執行機構即鎖緊機構的可靠性密切相關。從一定意義上說，鎖緊機構動作的成敗直接關系到樣品容器對月球樣品密封的成敗，因此對鎖緊機構可靠性的評估就顯得格外重要。

以探月三期工程中月球樣品容器鎖緊機構的可靠性為評估背景，采用強化法對其進行了試驗，僅通過較少的試驗樣本便對其可靠性進行了評估。通過對完整評估過程的詳細介紹，為實際工程的可靠性評估工作提供借鑒和參考。

1 評估任務背景

根據月球樣品容器的密封設計，密封方式采用金屬擠壓密封為主密封[2]、橡膠圈密封為輔助密封的冗余密封[3]方式。蓋體上設計有軟金屬材料和O形橡膠圈，容器口部加工成環形刀口。同時在蓋體上安裝了一套鎖緊機構，其作用是為樣品容器密封提供所需的密封力。當容器需要密封時，鎖緊機構工作，產生一個垂直向下的力作用在蓋體上，將蓋體與容器壓緊，在壓緊的過程中容器口部的刀口嵌入蓋體上的軟金屬材料中，同時O形橡膠圈與容器內壁形成徑向密封[4]。至此完成樣品容器對月球樣品的密封，鎖緊機構的組成示意圖見圖1，運動過程示意圖見圖1、圖2。

1.樣品容器頂部邊沿的斜槽 2.鎖緊盤 3.鎖緊盤轉軸 4.鎖孔 5.鎖盒 6.火工作動器

如圖1所示，蓋體上安裝有火工作動器，一端與蓋體用銷釘相連，另一端與鎖緊盤上的鎖緊桿用銷釘相連，連接處可以轉動，為整個機構提供動力。鎖緊盤安裝在蓋體上并且可繞轉軸轉動，鎖緊盤的圓環面上設計有鎖孔，用于鎖定鎖緊盤的位置。蓋體上安裝有鎖盒，其鎖銷可待鎖緊盤旋轉到位時插入鎖緊盤上的鎖孔內，起到鎖定鎖緊機構的作用。

鎖緊機構在動作時，首先對火工作動器進行點火，引燃作動器中的火藥，產生高壓氣體推動作動器中的活塞桿向筒體外運動，從而推動鎖緊盤繞轉軸旋轉，鎖緊盤末端的鎖緊銷在樣品容器頂部邊沿的斜槽內并沿斜槽滑動。由于斜槽的方向為傾斜向下，因此，鎖緊盤在轉動的同時對蓋體提供垂直向下的密封力。待鎖緊銷運動至斜槽末端時鎖緊盤的鎖孔旋轉至鎖盒位置，鎖盒內的鎖銷同時插入鎖孔內，完成容器的密封動作并對鎖緊機構自身狀態進行鎖定。運動完成后的狀態示意圖如圖2所示。

圖2 鎖緊機構運動完成后的狀態示意圖

根據月球樣品容器可靠性要求，分配到整套鎖緊機構的可靠性為不低于0.95置信度下0.9999的可靠度。

2 評估方法選擇

本次評估任務為整套機構的可靠性，該機構的動力源為火工作動器，阻力包括蓋體與容器密封過程所需的壓緊力、鎖緊銷與斜槽的摩擦力、各運動部件在轉動時的摩擦力以及鎖緊盤在短時高速轉動時的慣性力矩等。由于作動器的動作在0.2 s內完成，整套機構的動作包括密封過程亦在0.2 s內完成。基于結構特點及短時動作特性，無法在機構內部加裝傳感器，將測量出的某一值作為能夠表征機構可靠性的特征值加以評估。因此目前較常用的最大熵試驗法、升降法等無法對該機構的可靠性進行評估。將作為動力源的作動器單獨進行輸出力可靠性測試，所得結果優于置信度0.95下0.99997的可靠度，但該結果僅為單個部件的可靠性，無法表征整個機構的可靠性。基于以上可靠性評估困難，只能應用成敗型評估方法或強化試驗法對鎖緊機構整體的可靠性進行評估[5-7]。

基于以上分析，能夠適用的可靠性評估法主要有：計數法評估方法[8-9]、Bayes評估方法[10-12]以及強化試驗法[13]。

采用計數法評估，將鎖緊機構動作成功完成一次，即鎖緊盤能夠運動到位，鎖盒內的鎖銷順利插入鎖緊盤的鎖孔內，作為一個可接受的試驗樣本。根據計算，在試驗失敗次數為0的情況下需至少進行29957次鎖緊動作試驗，可靠度能夠達到預定要求。對于造價和試驗費用高昂的航天產品，如此數量的試驗會對研制單位產生較大的經濟壓力。

采用Bayes法評估，成功判據與計數法相同。根據計算得出[14-17]，在試驗失敗次數為0的情況下需至少進行19972次鎖緊動作試驗，可靠度能夠達到預定要求。該結果雖有效減少了試驗次數，但在實際工程中仍然無法有效降低試驗成本。

采用強化試驗法評估，成功判據亦與計數法相同。根據強化試驗法中的性能可靠性模型，在給定的外部條件下，選擇機構動力源中的某一參數，并通過改變該參數，惡化機構自身的狀態，在此條件下進行可靠性驗證，以達到減少試驗數量的目的。采用該方法時所需的試驗樣本數量會比傳統方法少很多，文章選擇該方法對鎖緊機構的可靠性進行評估，并對評估過程進行詳細介紹。

3 強化試驗法對鎖緊機構可靠性評估

3.1 可靠性模型

強化試驗法是一種小子樣可靠性評估試驗方法，是在進行合理工程統計假設的基礎上，針對產品的薄弱環節，利用試驗參數的性能分布，對在強化水平下獲得的可靠性信息進行合理外推，驗證試件在工作應力水平下可靠性特征的一種試驗方法。根據強化試驗法中的性能可靠性模型[18-19]，火工機構的可靠性模型可簡化為機構動力大于機構阻力時的概率。可靠性如式(1)所述：

R=P(F>FZ)

(1)

式中，R—— 可靠性

P—— 概率函數

F—— 機構動力

FZ—— 機構阻力

針對本任務，機構阻力指機構在運動過程中遇到的所有阻力總和，但其可以通過設計、零件加工、裝配等過程得到很好的控制，其值的變化范圍很小，可視為一定值。機構的動力為火工作動器的輸出力，該輸出力是由作動器中的燃藥燃燒產生的。此時性能可靠性為式(2)所述：

(2)

式中，FD—— 作動器的輸出力

Φ(·) —— 標準正態分布函數

σD—— 作動器輸出力的標準差值

作動器的輸出力取決于燃藥燃燒產生的壓力，根據諾貝爾方程，在火藥力f和余容α為定值(該型燃藥f為237.897 kJ/kg，α為5×10-4m3/kg),每發作動器工作末端的容積亦為定值的情況下，作動器輸出力可認為與燃藥量相關，因此可以選取燃藥量作為機構動力的特征值。通過減少燃藥量、降低機構的動力、惡化機構自身的狀態，在此加嚴條件下對其進行鎖緊動作成功率的驗證，來評估出鎖緊機構在正常狀態即額定條件下的可靠性，此時性能可靠性模型如圖3所示。

圖3 性能可靠性強化試驗模型

(3)

該公式是由榮吉利等[13，19]提出，式中的C為火藥燃燒產生峰值壓力的變差系數，其值由式(8)計算得出。

在強化條件下連續進行nq次試驗，若試驗全部成功即可表征在額定條件下機構的可靠性能夠達到目標要求，若有1次試驗失敗，則需重新選擇強化條件并重新進行評估。

3.2 可靠性參數獲得

根據鎖緊機構的設計，作動器中的燃藥量由式(4)計算得出：

(4)

式中，pm—— 氣體最大壓力

α—— 余容

f—— 火藥力

V—— 藥室容積

M—— 燃藥質量

根據計算，作動器中的設計裝藥量(即額定裝藥量)為1000 mg。依據前期試驗驗證，在鎖緊機構能夠正常完成鎖緊動作的前提下，作動器中的最小裝藥量為510 mg。在確保試驗能夠成功完成的基礎上，強化條件下藥量選取的越小，所需的試驗數量越少，本研究對以上兩點要求進行綜合考慮，確定在強化條件下作動器的裝藥量為520 mg。

為進行評估，首先要獲得強化系數k值。本次評估任務中的k值是強化裝藥量與額定裝藥量的火工作動器在相同條件下產生輸出推力的比值，該值是一個相對值。為保持一致性，火工作動器的輸出力測試在與月球樣品容器相同的工作環境下進行。按照任務的極限工況要求，測試在-50 ℃、真空度不大于5×10-3Pa環境下進行。

火工作動器的輸出力測試在航天火工作動器專用測試設備中開展。如圖4所示，設備的主體為真空試驗箱，將作動器安裝支座固定在試驗箱的熱沉板上，作動器安裝在支座上，其活塞推桿與氣缸活塞桿相連，氣缸活塞桿是通過真空試驗箱的穿箱裝置穿入真空試驗箱內，在氣缸上安裝有壓力傳感器、位移傳感器及氣路、閥門等。

1.真空試驗箱 2.熱沉板 3.作動器安裝支座 4.火工作動器 5.氣缸活塞桿 6.氣缸 7.壓力傳感器 8.氣路及閥門

作動器采用直推式設計，在發火前一直保持初始狀態。通過運行真空試驗箱獲得試驗所需的溫度及真空度并保持5 h以上。試驗進行時，電點火具發火引燃主燃藥，產生高壓氣體使作動器活塞桿推動氣缸活塞桿運動。作動器工作完成后，根據壓力傳感器測試出氣缸內的峰值壓力來計算出作動器的輸出推力。試驗設備及測試儀器均固定為同一狀態，試驗過程中不允許更換，以確保測試的準確性。

火工作動器在環境條件下進行輸出力測試，每發產品工作完成后通過測量活塞推桿行程(22±1) mm是否到位來確認作動器動作是否順利完成，只有動作順利完成才能作為一次合格的試驗樣本，試驗結果見表1和表2所示。

表1 額定裝藥量(1000 mg)的輸出力

表2 強化裝藥量(520 mg)的輸出力

3.3 可靠性評估過程

(5)

式中，n—— 樣本數量，取9

FDei—— 每發額定藥量的作動器輸出力

將表1數據代入式(6)求出額定藥量產生輸出力的標準差值σDe。

(6)

式中，σDe—— 額定藥量的作動器輸出力的標準差值

n—— 樣本數量，取9

計算得σDe=44.78 N。將表2數據代入式(6)求出強化藥量產生輸出力的標準差值σDq，計算得σDq=47.48 N。

由式(7)求出強化系數k值。

(7)

由于火藥的變差系數取決于該型燃藥本身的特性，廠商通過大量的試驗驗證，給出該型火藥的變差系數值為0.13。

(8)

將以上參數代入式(3)中，計算出鎖緊機構要達到額定條件下的可靠度，在強化條件下所需進行的試驗數量nq。式中，γ為額定條件下的置信度，取0.95；RL,N為額定條件下的可靠度下限，取0.9999；C為該型火藥產生峰值壓力的變差系數，取0.13；k為強化系數，取0.51；Φ(·)為標準正態分布函數；Φ-1(·)為反標準正態分布函數。通過計算和查表[21]得nq=3.91，取整數為4。這意味著若鎖緊機構在火工作動器額定裝藥量條件下要達到0.95置信度下0.9999的可靠度，需要在強化裝藥量狀態下連續進行4次成功試驗，若有一次試驗不成功，則需重新選擇強化條件并重新進行評估。

3.4 可靠性評估結果

根據以上計算結果，將520 mg裝藥量的火工作動器安裝在月球樣品容器的鎖緊機構上，在-50 ℃、真空度不大于5×10-3Pa環境下分別進行了4次鎖緊動作試驗。試驗均取得了成功，鎖緊盤運動到位，鎖盒內的鎖銷均順利插入了鎖緊盤的鎖孔內。通過以上4次強化條件下的試驗，驗證出月球樣品容器鎖緊機構在額定條件下(裝藥量為1000 mg)，能夠達到0.95置信度下的0.9999可靠度。

3.5 可靠性結果驗證

對于以上可靠性評估結果，再采用GJB 376中的計量法評估方法進行復算。該方法適用于當產品的可靠性主要由某一性能參數決定時，且該參數服從正態分布，可用正態分布統計容許限計算其可靠度，即采用計量數據評定產品的可靠性。本機構中，機構阻力基本為定值的情況下，作為整套機構驅動力的作動器輸出力值是最關鍵的性能參數，其設計值含有一定的裕度且試驗結果服從正態分布。

根據已完成的試驗數據，由式(9)對正態容許下限系數進行計算。

(9)

按照標準[8]中置信度0.95的附表查得可靠度為0.99996，該結果與強化試驗法得出的可靠性結果基本一致。

4 結論

該可靠性評估方法較成功的解決了類似月球樣品容器鎖緊機構具有量化輸入值而無明確輸出值的整套機構的可靠性評估難題。結果表明，僅通過4次鎖緊動作試驗即可驗證出鎖緊機構能夠達到0.95置信度下的0.9999可靠度。該方法的優點是通過選取合適的特征量，在不破壞結構完整性的前提下，能夠對評估對象的可靠性進行估計。其評估方式類似于成敗型模型，但比傳統的成敗型評估方法極大的減少了試驗樣本數量，顯著的節約了成本，在工程實際中具有較好的操作性和實現性，可推廣應用至單機甚至系統級產品的可靠性評估；同時能夠對其他可靠度要求較高的航天產品的可靠性評估提供方法參考。