某型控制力矩陀螺壽命與可靠性評估方法研究

欒家輝 代永德 朱興高 石士進 韓慧超

某型控制力矩陀螺壽命與可靠性評估方法研究

欒家輝 代永德 朱興高 石士進 韓慧超

（中國航天標準化研究所，北京 100071）

分析某衛(wèi)星平臺的主要姿態(tài)控制執(zhí)行機構控制力矩陀螺，梳理其主要故障模式，提出相應的壽命與可靠性評估模型和方法，采集了產品在軌飛行和地面試驗數(shù)據(jù)，對控制力矩陀螺開展壽命與可靠性評估，從而有效提高其可靠性、使用壽命以及保障質量水平。

控制力矩陀螺；壽命與可靠性評估；威布爾分布模型

1 引言

目前，我國武器裝備的研制多以開發(fā)新型性能裝備為主，而質量與可靠性工程的相關研究較少，導致快速發(fā)展背后武器裝備高可靠、長壽命的特點沒有得以完整體現(xiàn)。控制力矩陀螺是某衛(wèi)星平臺的主要姿態(tài)控制執(zhí)行機構，具有高輸出力矩、低消耗功率、高可靠、長壽命等特點。準確的壽命與可靠性評估可有效地提高可靠性、延長使用壽命以及保障質量水平。

2 產品功能結構

控制力矩陀螺由轉子-框架部分和框架驅動-機座部分構成。轉子-框架部分是一個獨立、封閉的高速轉子系統(tǒng)，組件包括：旋轉質量本體、支承及潤滑系統(tǒng)、轉子電機組件、框架組件，其作用為支撐高速轉子和提供接口?？蚣茯寗?機座部分的組件包括：框架驅動組件（由框架支承組件、框架電機及測角裝置組成）、框架支承導電環(huán)組件（包括供電端軸承組件和導電環(huán)組成）、機座組件，其作用是提供實現(xiàn)轉子-框架系統(tǒng)在框架上方的支撐、驅動以及框架軸的角度測量，同時實現(xiàn)機構對外的機械及電氣連接。

3 產品工作條件分析

按照控制力矩陀螺框架軸旋轉一圈計算，在軌框架驅動組件和框架支承組件（包括導電環(huán)）的總圈數(shù)為約87.6萬轉；地面狀態(tài)下，從產品裝配完畢到整星發(fā)射，累計轉動一般不超過1500轉。因此，產品實際全壽命周期的總轉動圈數(shù)一般不超過100萬轉。

4 產品壽命與可靠性評估方案

4.1 主要故障模式及壽命評估特征量

控制力矩陀螺為典型的空間活動部件，由高速組件、低速組件、導電環(huán)組成。

控制力矩陀螺高速組件為油潤滑，壽命期內標稱轉速為9500r/min，其壽命主要取決于高速軸承的運轉壽命。一方面，由于長期高速轉動，其失效模式表現(xiàn)為潤滑油消耗或失效導致高速組件卡滯、停轉，潤滑不良導致磨損引起軸承組件振動等；另一方面，控制力矩陀螺由于側擺，高速組件軸承額外承受力矩，導致高速組件會發(fā)生側擺失效。高速組件的潤滑方式與動量輪基本一致，而動量輪的組件潤滑失效模式已經通過地面試驗及在軌飛行經歷得到了很好的驗證。因此，該部分的失效模式主要表現(xiàn)為側擺導致的失效。低速組件為脂潤滑，一方面，長期工作帶來的轉數(shù)增加導致的耗損失效，另一方面，磨損導致轉速的控制精度降低，產生精度失效。導電環(huán)轉速較低，主要用來傳輸電功率與電信號，長期在軌工作會導致到電噪聲增大。此外，側擺也會增加導電環(huán)的轉數(shù)和耗損。

通過對產品全壽命周期各階段的應用環(huán)境、工況和任務分析，控制力矩陀螺可能發(fā)生隨機失效或耗損性失效的事件。

4.2 故障判據(jù)

a. 電流不能超過門限值，高速組件穩(wěn)態(tài)電流不能超過門限值，低速組件最大電流不能超過門限值；

b. 軸承溫升不能超過門限值；

c. 電機電流波動不能大于50%。

4.3 壽命與可靠性評估模型

根據(jù)控制力矩陀螺的組成及主要故障模式分析，其可靠性評估采用系統(tǒng)綜合的方法，在高速組件和低速組件可靠性評估的基礎之上，應用串聯(lián)模型估計得到控制力矩陀螺的可靠性。控制力矩陀螺可靠性數(shù)學模型如式（1）所示：

=高速組件低速組件導電環(huán)（1）

其中，高速組件——高速組件可靠性；低速組件——低速組件可靠性；導電環(huán)——導電環(huán)可靠性。

4.4 壽命與可靠性評估方法

4.4.1 評估模型

本次評估采用威布爾模型如公式所示：

評估數(shù)據(jù)：開展評估所需的數(shù)據(jù)包括高速組件、低速組件、導電環(huán)各子樣試驗時間t及對應的失效情況，失效數(shù)r。

可靠度計算：

a. 形狀參數(shù)確定

控制力矩陀螺高速組件與飛輪產品結構組成相似，高速組件采用與飛輪產品的軸承組件相同，且潤滑方式相同，工作轉速9500r/min左右，主要的故障模式為潤滑失效。高速組件為成熟產品，本次評估中形狀參數(shù)取1.5。低速組件軸承采用固體潤滑，形狀參數(shù)本次評估中取1.5。導電環(huán)與高速、低速組件一樣，形狀參數(shù)取1.5。

b. 計算公式

具體的可靠性計算可按照下列公式評估計算得到：

壽命評估計算：高速組件、低速組件、導電環(huán)壽命服從威布爾分布，威布爾分布的平均壽命可按式（7）計算得到：

上式中Γ(·)為伽馬函數(shù)。

4.4.2 整機可靠性評估方法

4.4.3 整機壽命評估方法

控制力矩陀螺整機由高速組件、低速組件、導電環(huán)串聯(lián)而成，任意一個部分失效均會導致其整機失效，則整機的壽命應為各部分壽命的最小值。

=min(高速組件，低速組件，導電環(huán)) （12）

圖1 整機壽命評估流程

根據(jù)4.4.1節(jié)的分析，可以確定各組成部分的壽命分布模型和參數(shù)，根據(jù)各組成部分的分布模型隨機抽樣，可以得到各組成部分的壽命，每次抽樣，取各組成部分壽命的最小值為整機的壽命，經多次重復抽樣，可得到控制力矩陀螺壽命均值和方差，具體流程如圖1所示。

4.5 某衛(wèi)星平臺試驗數(shù)據(jù)

在某衛(wèi)星平臺安排了相應的壽命試驗，驗證控制力矩陀螺壽命是否滿足8a需求，同時掌握產品性能隨時間的變化趨勢。

針對控制力矩陀螺1個整機子樣開展了側擺試驗。通過試驗驗證控制力矩陀螺本體是否滿足某衛(wèi)星平臺對控制力矩陀螺的大機動使用壽命要求。

側擺試驗完成141萬次擺動，從測試過程數(shù)據(jù)和整機性能測試結果分析，試驗前后的電機高速轉子升速曲線如圖2a、圖2b所示。該產品各項指標遙測數(shù)據(jù)及性能在側擺試驗過程中未發(fā)生明顯變化。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 控制力矩陀螺地面壽命試驗情況

圖2 試驗前后升速曲線

5 壽命與可靠性評估計算

5.1 高速組件可靠性評估計算

根據(jù)整機試驗及相似產品在軌飛行情況，共8臺高速組件開展了試驗和在軌飛行，無失效。高速組件評估數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 高速組件評估數(shù)據(jù)

根據(jù)4.4.1節(jié)可靠性評估方法，計算得到高速組件可靠度點估計和置信度0.7下的可靠度置信下限：

高速組件=0.8024，高速組件=0.6822。

5.2 低速組件可靠性評估計算

根據(jù)低速組件試驗情況，共1套低速組件開展了試驗和在軌飛行，無失效。低速組件評估數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 低速組件評估數(shù)據(jù)

根據(jù)可靠性評估方法，計算得到低速組件可靠度點估計和置信度0.7下的可靠度置信下限：低速組件=0.548368，低速組件=0.352190。

5.3 導電環(huán)可靠性評估計算

根據(jù)導電環(huán)件試驗情況，共1套導電環(huán)組件開展了試驗和在軌飛行，無失效。導電環(huán)組件評估數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 導電環(huán)組件可靠性評估數(shù)據(jù)

根據(jù)4.4.1節(jié)可靠性評估方法，計算得到導電環(huán)可靠度點估計和置信度0.7下的可靠度置信下限：導電環(huán)=0.820335，導電環(huán)=0.708934。

5.4 壽命評估計算

控制力矩陀螺共投入3個子樣開展加速壽命試驗，試驗共進行了141萬轉，能夠滿足平臺的壽命要求。

表5 控制力矩陀螺壽命與可靠性評估結果

應用壽命計算公式，分別計算得到高速組件、低速組件、導電環(huán)的壽命值，其中，高速組件為15.1858a，低速組件為6.6118a，45.0616a。根據(jù)圖1的評估流程及控制力矩陀螺的壽命評估程序，得到控制力矩陀螺的壽命均值與方差分別為Miu=5.7473°；Thita=3.9161a。最終得到的控制力矩陀螺產品壽命與可靠性評估結果如表5所示。

6 結束語

控制力矩陀螺工作時間要求為8a，該產品在某衛(wèi)星平臺中開展了等效8a的加速壽命試驗。

通過可靠性評估計算得到置信下限為0.161101，小于0.9651，不滿足可靠性要求；基于已有地面數(shù)據(jù)、在軌數(shù)據(jù)估算得到置信下限為0.108830，數(shù)據(jù)并不充分，建議在后續(xù)型號進一步積累數(shù)據(jù)，為驗證可靠性水平提供支持。

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Research on Method of Life and Reliability Assessment of Control Moment Gyroscopes

Luan Jiahui Dai Yongde Zhu Xinggao Shi Shijin Han Huichao

(China Astronautics Standards Institute,Beijing 100071)

The paper analyzed a certain type of control moment gyroscopes. Firstly it sorted out main failure modes, then proposed corresponding life and reliability assessment models and methods. Finally, it collected the in-orbit flight and ground test data, and evaluated the life and reliability of the control moment gyroscopes. The research improved the control moment gyroscopes’ reliability, service life and quality assurance effectively.

control moment gyroscopes；life and reliability；exponential distribution model

基于MBD 方法的典型空間機電產品可靠性定量設計分析技術研究（JSZL2015

203B030）。

欒家輝（1977），博士，可靠性專業(yè)；研究方向：航天產品壽命與可靠性評估。

2019-05-13