空间隔膜压缩机的可靠性评估方法.pdf

V 0 1 2 5N o 5航天器工程 第2 5 卷第5 期 9 2 S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N G 2 0 1 6 年1 0 月 空间隔膜压缩机的可靠性评估方法 邵立民杨海峰赵新攀 ( 中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 1 0 0 0 9 4 ) 摘要 针对目前没有适合空间隔膜压缩机可靠性评估方法的问题，文章以无失效贝叶斯可 生评估方法为基础，综合利用配分布曲线法、零部件失效率函数特性、可靠性预计数据，提出了适 于空间隔膜压缩机可靠性评估方法，通过计算实例证明了该方法能够解决空间隔膜压缩机小子 、无失效子样可靠性评估问题，可为同类产品可靠性评估提供参考。 关键词 空间隔膜压缩机；小子样；无失效子样；可靠性评估 中图分类号：T H 4 5文献标志码：A D O I ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 8 7 4 8 2 0 1 6 0 5 0 1 5 R e s e a r c ho fR e l i a b i l i t yA s s e s s m e n to fS p a c i a lD i a p h r a g mC o m p r e s s o r S H A OL i m i nY A N GH a i f e n gZ H A OX i n p a n ( I n s t i t u t eo fM a n n e dS p a c e c r a f tS y s t e mE n g i n e e r i n g ，C h i n aA c a d e m yo f S p a c eT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 9 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A tp r e s e n tt h e r ei sn o ta na p p r o p r i a t ea p p r o a c ht om a k i n gt h er e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to fs p a c i a l d i a p h r a g mc o m p r e s s o r I nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fz e r o - f a i l u r ed a t a ，aB a y e s i a n r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n ta p p l i e di ns p a c i a ld i a p h r a g mc o m p r e s s o ri ss e tu p ，w h i c hc o m p r e h e n s i v e l yu t i l i z e s p a r t i t i o nd i s t r i b u t i o nc u r v em e t h o d ，p r o p e r t i e so ff a i l u r er a t ef u n c t i o n sf o rm e c h a n i c a lp a r t s ，a n dr e l i a b i l i t yp r e d i c t i o nd a t a T h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n ti sv e r i f i e db yc a l c u l a t i n ge x a m p i e s T h ec a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dc o u l ds o l v et h ep r o b l e m so f r e l i a b i l i t ve v a l u a t i o nw i t h s m a l ls u b s a m p l e sa n dz e r o - f a i l u r ed a t af o rs p a c i a ld i a p h r a g mc o m p r e s s o r ，a n dp r o v i d et h ea v a i l a b i l i t yf o r t h er e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to fs i m i l a rk i n do fp r o d u c t s K e yw o r d s ：s p a c i a ld i a p h r a g mc o m p r e s s o r ；s m a l ls u b s a m p l e ；z e r o f a i l u r es u b s a m p l e ：r e l i a b i l i t ya s s e s s m P l 1 t 1 引言 推进剂在轨补给技术是实现大型航天器长寿命 运行的必要条件，俄罗斯的礼炮号、和平号空间站和 在轨的“国际空间站”等均实施了多次推进剂在轨补 给口3 。目前的推进剂补给体制主要有压气机体制和 泵输送体制，而隔膜压缩机是上述两种补给体制的 核心设备。隔膜压缩机靠金属隔膜在膜腔中往复运 动来压缩和输送气体或液体工质。 空间隔膜压缩机具有可靠性高、结构复杂、在轨 不可维修等特性，一般要求具有1 0 年以上寿命和高 可靠性，而空间隔膜压缩机昂贵的价格( 百万元量 级) 决定了可靠性验证试验的样本量不可能太多，而 且试验结果往往出现无失效情况。常规的机械产品 可靠性评估方法 】需要大量的试验子样，特别是需 收稿日期：2 0 1 6 0 4 2 9 ；修回日期：2 0 1 6 0 7 1 8 作者简介：邵立民，男，高级工程师，主要研究方向为航天器总体设计和航天器系统可靠性设计与分析。E m a i l ：6 7 9 3 4 4 2 8 q q c o m 。 靠用样 万方数据 第5 期邵立民等：宅I u 】隔膜压缩机的可靠性评估方法 要出现失效子样试验成本很高，不适用于空间隔膜 压缩机的i r 靠性评估。 M a r t zH F 、W a l l e rR A 以及茆诗松、韩明等 人针对无失效数据产品提出了t i 靠性评估方法并结 合一般实例进行了分析计算“其方法具有借鉴意 义。但空间隔膜压缩机是包含机身、减速器、膜片、 轴承、阀门、电机、活塞、曲轴、膜腔等多种机电产品 的复杂集合体国内外尚无空间隔膜压缩机的可靠 性评估方法。因此，有必要根据空间隔膜压缩机的 结构特征和小样本、无失效可靠性试验特点提出适 合于工程应用的可靠性评估方法。 本文首先建立了空间隔膜压缩机可靠性框图 模型和可靠性数学模型，并分析了压缩机组成零 部件寿命末期失效模式和寿命分布函数。其次， 在配分布曲线法基础上引入零部件失效率函数 特性和可靠性预计信息建立了无失效贝叶斯可 靠性评估模型。最后。利用算例验证了本文方法 的可行性。 2 空间隔膜压缩机的可靠性模型 空间隔膜压缩机工作原理如图1 所示。 心l窄间隔膜压缩机原理图 F i g 1P r i n c i p l es k e t c ho fs p a c i a ld i a p h r a g m c ( ) n l p r e s s o t 空间隔膜压缩机各个零部件失效模式相互独 立组成可靠性串联系统可靠性框图如图2 所示。 图l 中。曲柄、活塞、膜腔等强度裕度在2 以上为简 化计算上述零部件不体现在图2 中。根据图2 建 立空间隔膜压缩机串联系统可靠性数学模型为 1 R 。一1 I R ，( 1 ) f 式中：R ，为空间隔膜压缩机各个零部件的可靠度。 矿卜匹石1 1 丽i 卜二可匹h 岍面冲丁磊_ L 一_ 磊计厣丽卜眄司 图2空间隔膜压缩机可靠性框图 F i g 2R e l i a b i l i t yf r a m eo fs p a c i a ld i a p h r a g mc o m p r e s s o r 分析空间隔膜压缩机各个零部件主要失效模 式并根据文献 7 1 0 1 确定了各个零部件寿命分布 函数见表1 。 表l空间隔膜压缩机零部件寿命分布函数 F a b l e1L i f ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o nf o rc o m p o n e n t s o fs p a c i a ld i a p h r a g mc o m p r e s s o r 零部件类型寿命末期主要失效模式寿命分布函数 机身 疲劳开裂密封失效对数正态分布? 膜片疲劳开裂结构破坏对数正态分布? 齿轮疲劳失效效率降低、 减速器对数正态分布7 振动增大或功能丧失 老化失效输出性能 电机指数分布“ 下降或功能丧失 轴承滚珠、滚道表面疲劳 轴承威布尔分布一虬 剥落阻力增大或卡死 调压阀、进气阀、 排气阀、配油阀 输出压力不稳定、内漏威布尔分布“ 3 空间隔膜压缩机可靠性评估方法 空间隔膜压缩机可靠性评估方法的主要步骤如 图3 所示。 傺擎H 鬻叫等繇瓣H 黼引 I 定时截睫试r 叫! J ! 叶斯可靠性i H 竺曩等罂4 叶r 叫和整机可靠l 验数据 | 洋估模型J 罪仟眇l| 性【平估汁算l 图3空I 司隔膜压缩机刈靠性评估主要步骤 F i g 3 P r o c e s so fr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to f s p a c i a ld i a p h r a g mc o m p r e s s o r 3 1 获取无失效定时截尾试验数据 从同一批次空间隔膜压缩机中随机选取，t 台产 品并分成是组进行试验各组样品数量分别为， 啦川* 。试验过程中记录定时截尾试验时间f 。， f ! ，女，且f 。 ，： ，。每一试验时间t ，参试 产品无一失效。 由，和N ，构成一组无失效数据，表示为：( f ， N ，) 且N ，一巩+ ，7 。+ + ，N ，表示在定时截尾时 刻，前未失效样品总数。 3 2 建立无失效贝叶斯可靠性评估模型 空问隔膜压缩机可靠性评估的关键是试验子 万方数据 航天器工程 2 5 卷 样无失效情况的处理。首先建立试验子样存在 失效情况的似然函数，对应每个截尾时刻t 。， t z ，t t 的累积失效率记为户，p ：，P 。在已知 t ，时刻的累积失效率p ，的条件下，由二项式分布 定理可知，只件样本中有r l 件产品失效，户，的似 然函数为1 1 L ( r ：1P 。) 一C j P i t ( 1 p ，) s i r i ( 2 ) 式中：C ；z 表示s ：件样本中有r ，件失效的组合。 针对本文提出的无失效子样问题，当第i 组产 品定时截尾试验时间为t ，时，发现试验产品无失效， 则r ，= 0 ，式( 2 ) 转变为 L ( 0I 声，) 一( 1 一声。) 5 t ( 3 ) 利用贝叶斯定理，取7 r ( P 。) 作为户，的先验分 布，可得p 。和S 。的联合分布为 h ( 5 。，p 。) = p ( s ，l 户，) z r ( 户，) 一 r h ( 夕，ls 。) I L ( 0p ：) z r ( p ，) d p ， ( 4 ) J 可得参数户。在样本S ，条件下的后验分布密度 函数为 ( p ，1 ，。) 一垫坐业( 5 ) I L ( 0l 户。) 7 r ( 户。) d p 。 J 式( 5 ) 中集合了总体、样本和先验等三种关于 户，的全部信息，因此对