一种基于指数-逆幂律的航空液压泵加速寿命试验建模方法技术

本发明专利技术提出一种基于指数‑逆幂律的航空液压泵加速寿命试验模型，应用于航空液压泵可靠性领域。该模型通过定量计算揭示出转子配流盘单位时间内的磨损量与压力、转速不是简单的幂函数关系，在此基础上，提出了一种基于失效物理的指数‑逆幂律加速寿命模型。模型采用累积威布尔分布描述压液泵的寿命分布，采用指数‑逆幂律模型描述寿命与载荷的折算关系。仿真和实验结果表明：与传统基于统计经验的逆幂律加速寿命模型相比，本发明专利技术提出的指数‑逆幂律加速寿命模型能更深入地反应航空液压泵的失效物理特性，具有更高的估计精度。

Modeling method of accelerated life test for aviation hydraulic pump based on exponential inverse power law

The invention provides an accelerated life test model of aviation hydraulic pump based on exponential inverse power law, which is applied to the reliability field of aviation hydraulic pump. The model reveals that the wear amount per unit time of the rotor valve plate is not a simple power function with respect to pressure and rotational speed. On this basis, an exponential inverse power law accelerated life model based on failure physics is proposed. The cumulative Weibull distribution is used to describe the life distribution of the pump, and the exponential inverse power law model is used to describe the conversion relationship between the life and the load. The simulation and experimental results show that the proposed exponential-inverse power-law accelerated life model can reflect the failure physical characteristics of hydraulic pump more deeply and has higher estimation accuracy than the traditional inverse power-law accelerated life model based on statistical experience.

【技术实现步骤摘要】
一种基于指数-逆幂律的航空液压泵加速寿命试验建模方法
本专利技术属于航空液压泵可靠性领域，具体涉及一种基于指数-逆幂律的航空液压泵加速寿命试验建模方法。
技术介绍
轴向柱塞泵为飞机液压系统提供高压油液以驱动飞控舵面和起落架等系统。柱塞泵故障会导致飞行任务无法正常完成，甚至造成机毁人亡的严重事故，因此，对于飞机液压泵寿命和可靠性的要求越来越高。随着液压泵设计寿命的不断提高，对其进行寿命评估的难度和成本也越来越大。因此在工程上往往采用加速寿命试验的方法以压缩试验时间。在加速寿命试验中，通过对液压泵施加比正常工作条件更严酷的载荷，使液压泵更快发生故障，再通过统计方法估计出正常载荷下液压泵的寿命。加速寿命试验是在不改变产品失效机理的前提下，通过加强应力的办法，加快产品故障、缩短试验时间，在较短的时间内预测出产品在正常应力作用下寿命特征的方法。不改变失效机理是加速寿命试验的前提，加强产品所承受的环境应力或工作应力是进行加速寿命试验的必要手段。加速寿命试验是通过加强应力来缩短试验时间，但如果应力过大，改变了产品的失效机理，则加速寿命试验就失去了意义。如果应力偏小，则会导致试验时间缩短并不明显，加速寿命试验无法得到最佳的效果。如何结合产品的实际工况，确定不改变产品失效机理、且能起到较好的加速作用的加速寿命试验剖面一直是困扰设计人员的难题。飞机轴向柱塞泵的主要故障模式包括内部元部件的磨损、吸油口压力不足、转子轴承故障等。据统计，内部元部件的磨损是飞机轴向柱塞泵最主要的故障模式。液压泵的工作压力和转速是影响内部元部件磨损的重要因素，较高的转速会直接加快内部元部件的磨损，而较高的工作压力会使内部元部件的润滑效果变差，从而加剧其磨损。因此泵的转速和压力可以作为液压泵加速寿命试验的加速载荷。理想情况下，液压泵的加速寿命试验应该基于液压泵的失效物理模型。然而，由于轴向柱塞泵失效机理过于复杂，目前还缺乏一种基于失效物理的加速寿命模型。液压泵的失效过程主要由内部元部件的润滑磨损状态决定，加速寿命模型不仅要考虑直接造成液压泵性能退化的因素，还要考虑多种耦合因素的影响。目前可以检索到国外产品加速寿命试验的参考资料，但大多集中在统计方法的研究，关于加速模型的内容非常少。鉴于国外对我国相关技术采取封闭政策，我们对国外航空液压泵加速寿命试验模型如何建立无从得知，我国对航空液压泵加速寿命试验的研究也刚刚起步，到目前为止我国尚未有适合于工程应用的航空液压泵加速寿命试验模型。
技术实现思路
本专利技术基于对液压泵磨损失效过程的分析，提出了一种将失效物理和工程经验相结合的加速寿命模型。在所提出的加速寿命模型中，认为液压泵的基本寿命分布服从累积威布尔分布，而其寿命-载荷折算关系是一种指数-幂律关系。本专利技术提出的一种基于指数-逆幂律的航空液压泵加速寿命试验建模方法，具体步骤为：步骤一、液压泵故障机理及磨损过程分析；步骤二、转子配流盘间距与泵的工作压力、转速的关系推导；步骤三、基于指数-逆幂律的加速寿命模型；步骤四、加速寿命模型误差分析。本专利技术的优点和积极效果在于：(1)在详细分析航空液压泵摩擦磨损失效机理的基础上，通过定量计算揭示出转子配流盘单位时间内的磨损量与压力、转速不是简单的幂函数关系，在此基础上，提出了一种基于失效物理的指数-逆幂律加速寿命模型。(2)模型采用累积威布尔分布描述压液泵的寿命分布，采用指数-逆幂律模型描述寿命与载荷的折算关系。与传统基于统计经验的逆幂律加速寿命模型相比，本专利技术提出的指数-逆幂律加速寿命模型能更深入地反应航空液压泵的失效物理特性，具有更高的估计精度。附图说明图1是二维菱形磨粒模型；图2是配流盘上一点处的磨损情况；图3是磨粒嵌入转子和配流盘的深度；图4是配流盘几何尺寸；图5是加速寿命试验装置；图6是加速寿命试验原理；图7是额定工况下可靠性曲线和故障概率密度曲线；图8是本专利技术的方法流程图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种基于指数-逆幂律的航空液压泵加速寿命试验建模方法，流程如图8所示，包括以下几个步骤：步骤一、液压泵故障机理及磨损过程分析。柱塞泵的内部有三对主要的摩擦副：转子和配流盘、柱塞和柱塞孔以及斜盘和滑靴。上述三对摩擦副的磨损会造成泄漏量的增加，导致泵的输出流量无法满足要求。理论计算和实验均表明，转子-配流盘磨损造成的泄漏在航空液压泵的泄漏中占主要地位。因此在工程上，通常用泄漏量来监测航空液压泵转子配流盘的磨损状况。液压泵工作过程中，转子和配流盘的表面并不是直接接触，而是被一层很薄的润滑油膜隔开。然而，液压油并不是纯净的，其中悬浮着一定浓度的硬质颗粒，这些颗粒物会对转子和配流盘的表面造成磨损。将发生故障的配流盘放到电子显微镜下观察，可以在配流盘表面观察到一圈一圈的划痕，这说明配流盘的磨损主要是油液中的硬质颗粒物造成的。研究表明，颗粒造成的磨损程度主要受颗粒物尺寸和两表面的距离影响。根据Williams和Hyncica的二维菱形磨粒模型，如图1所示，当D/h≤1/cosβd时，磨粒在油液中自由转动，对转子和配流盘表面都不造成磨损；当D/h＞1/cosβd时，磨粒在转子和配流盘两表面之间旋转，达到一个平衡位置，同时磨损两个表面。其中，D为磨粒最大直径，h为两表面间距，βd为磨粒形状角。如图2所示，考虑配流盘上一点(x，y)，油膜厚度为h(x，y)，面积为dxdy，讨论(x，y)处油液中所含磨粒对配流盘的磨损情况。如图3所示，根据几何关系以及转子和配流盘的相对硬度，单个磨粒嵌入转子和配流盘的深度分别为：其中，ΔA为磨粒嵌入转子表面深度，ΔB为磨粒嵌入配流盘表面深度，H为配流盘和转子表面硬度比。相应单个磨粒在转子和配流盘上造成的切槽横截面积为：一定时间内单个磨粒对转子和配流盘造成的磨损体积分别为：其中，f为磨损系数，ω为液压泵转速，r为点(x，y)对应的半径。一定时间内(x，y)区域内所有磨粒对转子和配流盘造成的磨损体积分别为：其中，k(D)为尺寸为D的磨粒对应的浓度。所以一定时间内转子和配流盘磨损总体积为其中，Ω表示转子和配流盘上所有需要考虑的区域。对公式(5)进行整理可得，单位时间内磨粒造成的转子-配流盘接触面体积损失v，满足如下关系式：这说明单位时间内磨粒造成的转子-配流盘接触面体积损失v与泵的转速ω成正比，与转子配流盘间距h的三次方成正比。对于加速寿命模型来讲，最关心的是单位时间体积损失与泵的工作压力、转速的关系，所以下一步根据简化的雷诺方程，推导转子-配流盘间距h与泵的转速ω以及泵的工作压力Pd的解析表达式。步骤二、转子配流盘间距与泵的工作压力、转速的关系推导。转子配流盘的间距h可以通过柱坐标下简化的雷诺方程求得。在柱坐标下，雷诺方程可以被简化为：其中，p为油膜动态压力分布，μ为油液动力黏度，ω为液压泵转速，r为径向坐标，θ为方位角坐标。配流盘的几何尺寸如图4所示，在配流盘上半径为rr的圆周上间隔120°取三个参考点，则配流盘上任意一点(x，y)处的油膜厚度可以表示为这三个固定参考点的函数：其中，h1h2h3分别三个参考点坐标。转子配流盘的平均距离可以表示为：柱坐标下，配流盘上任意一点(x，y)可以表示为将公式(10)代入公式(8)，可得对公式(11)求关于θ的偏导数，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于指数‑逆幂律的航空液压泵加速寿命试验建模方法，包括以下几个步骤：步骤一、液压泵故障机理及磨损过程分析；当D/h≤1/cos βd时，磨粒在油液中自由转动，对转子和配流盘表面都不造成磨损；当D/h＞1/cos βd时，磨粒在转子和配流盘两表面之间旋转，达到一个平衡位置，同时磨损两个表面；其中，D为磨粒最大直径，h为两表面间距，βd为磨粒形状角；设配流盘上一点(x，y)，油膜厚度为h(x，y)，面积为dxdy，单个磨粒嵌入转子和配流盘的深度分别为：

【技术特征摘要】
1.一种基于指数-逆幂律的航空液压泵加速寿命试验建模方法，包括以下几个步骤：步骤一、液压泵故障机理及磨损过程分析；当D/h≤1/cosβd时，磨粒在油液中自由转动，对转子和配流盘表面都不造成磨损；当D/h＞1/cosβd时，磨粒在转子和配流盘两表面之间旋转，达到一个平衡位置，同时磨损两个表面；其中，D为磨粒最大直径，h为两表面间距，βd为磨粒形状角；设配流盘上一点(x，y)，油膜厚度为h(x，y)，面积为dxdy，单个磨粒嵌入转子和配流盘的深度分别为：其中，ΔA为磨粒嵌入转子表面深度，ΔB为磨粒嵌入配流盘表面深度，H为配流盘和转子表面硬度比；相应单个磨粒在转子和配流盘上造成的切槽横截面积为：一定时间内单个磨粒对转子和配流盘造成的磨损体积分别为：其中，f为磨损系数，ω为液压泵转速，r为点(x，y)对应的半径；一定时间内(x，y)区域内所有磨粒对转子和配流盘造成的磨损体积分别为：其中，k(D)为尺寸为D的磨粒对应的浓度；所以一定时间内转子和配流盘磨损总体积为其中，Ω表示转子和配流盘上所有需要考虑的区域；对公式(5)进行整理可得，单位时间内磨粒造成的转子-配流盘接触面体积损失v，满足如下关系式：步骤二、转子配流盘间距与泵的工作压力、转速的关系推导；转子配流盘的间距h通过柱坐标下简化的雷诺方程求得，在柱坐标下，雷诺方程简化为：其中，p为油膜动态压力分布，μ为油液动力黏度，ω为液压泵转速，r为径向坐标，θ为方位角坐标；在配流盘上半径为rr的圆周上间隔120°取三个参考点，则配流盘上任意一点(x，y)处的油膜厚度表示为这三个固定参考点的函数：其中，h1h2h3分别三个参考点坐标；转子配流盘的平均距离表示为：柱坐标下，配流盘上任意一点(x，y)表示为将公式(10)代入公式(8)，可得对公式(11)求关于θ的偏导数，可得将公式(12)代入公式(7)，并且等号两边对r进行积分，r为转化的柱坐标，可得：其中，C1为待定常数；令整理后得对公式(15)等号两边对r进行积分，可得：其中，C2为待定常数；根据排油腔内封油带的边界条件，有其中，PS为吸油腔压力，Pd为排油腔压力，r1为内密封带外半径，r2为内密封带外半径；将公式(16)代入边界条件(17)，则有解出待定系数C1和C2：其中，对内封油带上的压力分布进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，王少萍，孙旭，马仲海，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11