CN104062585B - 一种半球轴承动压马达的可靠性验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球轴承动压马达的可靠性验证方法，该方法通过利用已投入应用的、与半球轴承动压马达属于同类的动压马达的可靠性信息，同时借鉴其可靠性评估的结果，能够充分缩短半球轴承动压马达可靠性验证所需的试验时间。本发明为寿命长又无法进行加速试验的产品提供了一种快速、有效的可靠性验证途径，解决了长寿命产品无法及时投入星上使用的难题。

Description

一种半球轴承动压马达的可靠性验证方法

技术领域

本发明涉及一种可靠性验证方法，尤其涉及一种基于置信推断的可靠性验证方法，适用于获得同类产品先验信息条件下的产品的可靠性验证。

背景技术

以动压气浮轴承代替滚珠轴承的二浮陀螺产品突破了制约液浮陀螺长期可靠运行的瓶颈，实现了在轨连续运行的长寿命、高可靠应用需求。为了获得二浮陀螺产品的星上使用，需要对其可靠性进行试验验证。陀螺是复杂的机电系统，由不同部分构成，因此其失效模式也不唯一。但在诸多的失效模式中，由陀螺马达失效造成的系统失效机会最大，因此对于陀螺的可靠性分析通常都是针对陀螺马达展开的。传统的验证方法缺乏同类产品的先验信息的指导，未能将产品的失效模式以及先验信息进行有机的结合，作为试验方案的依据，从而使得试验数据的可信度有所降低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种半球轴承动压马达的可靠性验证方法，实现对半球轴承动压马达的可靠性验证，能够充分缩短半球轴承动压马达可靠性验证所需的试验时间。

本发明的技术解决方案是：一种半球轴承动压马达的可靠性验证方法，包括以下步骤：

(1)选取与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达，根据该相同类型的轴承动压马达的地面寿命试验和在轨运行的数据对该轴承动压马达进行可靠性分析，得出与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔，该平均无故障时间间隔即为待测半球轴承动压马达预期的平均无故障时间间隔MTTF；

(2)确定待测半球轴承动压马达的样本量n，以及每个样本的试验时间t，使得样本量n与每个样本的试验时间t的乘积大于等于r，其中r＝0.212×MTTF；

(3)将待测半球轴承动压马达装于洁净的动压马达试验罐中并密封，然后将动压马达试验罐置于试验箱中加温至50±3℃，设置电源输出电压为32V、启动频率400Hz，启动3s后电源频率自动切换到800Hz；

如果当n个样本的总试验时间大于r时，n个样本均没有失效，则半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔大于等于预期的平均无故障时间间隔MTTF；

当n个样本的总试验时间不超过2r时，如果有一个子样失效，剔除失效子样并加入一个新的样本，且加入一个新的样本后n个未失效子样的总试验时间大于r，则半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔大于等于预期的平均无故障时间间隔MTTF；

如果在总试验时间2r内，有2个子样失效，则半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔小于预期的平均无故障时间间隔MTTF；从而完成半球轴承动压马达的可靠性验证。

所述步骤(1)中选取与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达，根据该相同类型的轴承动压马达的地面寿命试验和在轨运行的数据对该轴承动压马达进行可靠性分析，得出与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔的实现方式如下：

(2.1)对与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达进行可靠性分析，得到投入应用的同类轴承动压马达的寿命服从形状参数为1的指数分布或形状参数为1附近的弱威布尔分布；

(2.2)将试验时间T划分为m个时间段，在t_i时间段采集已投入应用的同类轴承动压马达的寿命试验陀螺数据、动压气浮轴承陀螺马达数据、陀螺产品生产交付的数据和在轨飞行数据；

(2.3)基于步骤(2.1)的失效模式分析结果和步骤(2.2)收集到的数据，采用在形状参数已知和零失效条件下、基于置信推断的威布尔寿命数据分析方法对与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达进行可靠性评估，依据MTTF'＝η·Γ(1+1/β)，得到与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔；其中，公式中η为依据评估数据获得的特征寿命，β为根据失效模式确定的形状参数，Γ为伽马函数，MTTF'为与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过借鉴已投入应用的、与半球轴承动压马达同类的轴承动压马达的可靠性评估结果，实现对半球轴承动压马达的可靠性验证，能够充分缩短半球轴承动压马达可靠性验证所需的试验时间。该方法适用于获得同类产品先验信息条件下的产品的可靠性验证试验的设计，方法具有一定的一般性。当同类产品更换了不同的厂家、相同生产厂家生产厂址或生产人员发生变化时，均可采用此法对产品状态进行验证。同时类似的产品也可以依据此流程进行验证试验的设计，对于缩短产品的可靠性验证试验时间，减少产品开发周期具有很好的作用。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

可靠性验证试验的设计采取理论研究与工程分析并行的方式。一方面，针对威布尔分布时的可靠性验证试验样本量设计这一统计问题进行研究，研究形状参数选取对验证试验设计的影响，采用置信推断的方法，在完全数据、定时截尾数据、可靠性增长数据情形下给出形状参数及相应的投入试验的最小样本量的置信分布。在此基础上获得生产方和使用方的风险从而给出形状参数的选取及其相应的最小样本量的一个评判标准；另一方面，明确产品平均无故障时间间隔这一指标所对应的主要失效模式，并对该失效模式下可能的失效机理进行定性分析，确定所对应的寿命分布模型；针对所确定的产品主要失效模式，从当前产品的试验、历史产品的试验、在轨运行这三个渠道获取产品的可靠性数据，对产品可靠性进行评估，获得产品在当前状态下的先验置信分布；研究先验分布己知条件下可靠性验证试验方法。

一个可靠性验证试验最关心的两个问题:试验时间和试验需要的样本量。我们需要验证的可靠性目标为:任务时间t₀时置信水平为γ₀的可靠度置信下限达到R_OL，简记为(t₀,R_OL，γ₀)，指定试验允许出现的最大失效数F时，为达到验证试验目标，试验样本量有一个最低要求。这个最低要求就是验证试验需要的样本量。从风险的角度而言，验证试验目标实际上就是控制生产方风险时尽可能的减少样本量，在实际问题中还需要考虑使用方风险。对使用方而言，生产方投入验证试验的样品越多，越能暴露出产品的缺陷，承受的风险就越小。因此，从双方风险的角度而言，可靠性验证试验就是需要寻找一个平衡双方风险要求的最优试验方案。在这一研究框架下，研究了生产方风险约束下的样本量设计、使用方风险约束下的样本量设计、满足双方风险的样本量设计方法，以及在定时截尾数据和可靠性增长数据下的统计推断方法。

基于上述研究，本发明提出一种半球轴承动压马达的可靠性验证方法，如图1所示。以半球轴承动压马达为例对发明所提出的方法进行详细介绍。

(1)收集H型轴承动压马达(该H型轴承动压马达与待测半球轴承动压马达属于相同类型)地面寿命试验的数据、在轨运行的数据以及地面测试和试验的数据，根据收集到的数据对H型轴承动压马达进行失效模式及可靠性分析，得出H型轴承动压马达的平均无故障时间间隔，该平均无故障时间间隔即为半球轴承动压马达预期的平均无故障时间间隔MTTF；可靠性分析的数据来源于地面寿命试验的子样、在轨运行的产品以及地面测试、试验用的产品。具体数据包括以上各子样的启停次数、滑行时间等内容；

(1.1)对H型轴承动压马达进行失效模式分析，得到H型轴承动压马达的寿命服从形状参数为1的指数分布或1附近的弱威布尔分布。

产品可靠性评估和试验方案设计的前提是分析产品的失效模式。由该陀螺的工作原理，根据动压气浮陀螺的工作原理及其润滑方式可知，在连续工作状态下，转子与定子之间靠气体支撑的气浮轴承工作，完全没有机械摩擦，理论上也不存在可测噪音。基于产品的工程原理，H型轴承动压马达在工作状态下不存在累计损伤或疲劳故障模式。认为H型轴承动压马达的故障模式为偶然故障，其寿命服从指数分布，这意味着假设在陀螺寿命周期内失效率是恒定的，这可以为可靠性提供比较保守的评估结果，因此我们假设H型轴承动压马达寿命分布服从形状参数为1或1附近(小数点后一位，如1.1)的弱Weibull(威布尔)分布。

(1.2)将试验时间T划分为m个时间段，在t_i时间段采集H型轴承动压马达的寿命试验陀螺数据、动压气浮轴承陀螺马达数据、陀螺产品生产交付的数据和在轨飞行数据；

卫星的关键设备具有高可靠、高成本的特点，这为可靠性评估带来了两方面的困难，首先不可能投入充分数量的试验样本进行可靠性试验，其次不可能在有限的试验时间内获得充分的产品失效信息。因此，在设备的寿命试验样本量和试验时间都受限的情况下，充分地利用与设备可靠性相关的信息是进行可靠性评估的有效途径，这就需要在可靠性数据采集阶段对可靠性相关信息做充分的调研。一般说来，产品的可靠性信息可以从三个途径获得:当前产品的试验信息；当前产品的现场运行信息；历史相似产品的试验信息和现场运行信息。针对采用H型轴承动压马达的陀螺，其可靠性数据具体来自于:寿命试验陀螺数据、动压气浮轴承陀螺马达数据、陀螺产品生产交付的数据和在轨飞行数据。

(1.3)基于步骤(1.1)的失效模式分析结果和步骤(1.2)收集到的数据，采用在形状参数已知和零失效条件下、基于置信推断的威布尔寿命数据分析方法对H型轴承动压马达进行可靠性评估，得到H型轴承动压马达的平均无故障时间间隔。

通过对于收集数据的研究，采用一种在形状参数和失效条件己知、基于置信推断的Weibull寿命数据分析方法获得产品的可靠性评估。即依据MTTF'＝η·Γ(1+1/β)，得到与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔。假设依据评估数据获得特征寿命η为521000h，β为根据失效模式确定的形状参数为1.1，Γ为伽马函数，则MTTF'为503000。对于Weibull寿命分布模型，在形状参数已知的情况下，可靠性分析可以通过时间变换t′＝t^β转换为θ＝η^β的指数分布的可靠性分析问题，然后使用指数分布情形下的验证试验方法获得达到验证要求的试验设计方案。

由于产品具有高可靠、长寿命的特点，通常情况下步骤(1.2)所采集的试验数据会是无失效的数据，即失效数为p＝0，总试验时间为T，这种情况下采用一种在形状参数已知和零失效条件下、基于置信推断的Weibull寿命数据分析方法。进而可得给定置信度α下，H型轴承动压马达的平均无故障时间间隔的置信下限MTTF_L＝θ_L ^1/β*Γ(1+1/β)，其中β为形状参数，Γ为伽马函数， ${\mathrm{\θ}}_L=-\frac{T}{\ln (1-\mathrm{\α})}.$

(2)采用在使用方风险可接受的前提下经典的0.212方案对半球轴承动压马达进行可靠性试验，确定进行半球轴承动压马达可靠性验证试验的待测半球轴承动压马达的样本量n，以及每个样本的运行时间t，使得样本量n与每个样本的运行时间t的乘积至少为r，其中r＝0.212×MTTF；各试验子样应为验收合格的产品，且通过验收级条件的振动试验，之后进行跑和试验。

(3)将n个待测半球轴承动压马达分别装于洁净的动压马达试验罐中并密封。将其置于试验箱中加温至(50±3)℃进行运行试验，设置电源输出电压为32V，启动频率400Hz，3s后，电源频率自动切换到800Hz；试验前检测每台被测半球轴承动压马达的启动功率、启动电流、同步时间、工作功率、工作电流和滑行时间，试验期间记录工作功率、工作电流，完成试验后检测半球轴承动压马达滑行时间。半球轴承动压马达功能性失效的主要表现为不启动或运行过程中停转。其性能失效主要表现为马达的同步时间、工作功率、工作电流和滑行时间的变化，试验前给出相应指标的具体范围，实验过程中根据其范围值判定马达的性能失效。

如果当n个样本的总试验时间大于r时，n个样本均没有失效，则该批次半球轴承动压马达产品通过验收试验，该批次半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔大于等于预期的平均无故障时间间隔MTTF；当n个样本的总试验时间不超过2r时，如果有一个字样失效，剔除失效子样并加入一个新的子样，且加入一个新的字样后n个未失效子样的总试验时间大于r，则该批次半球轴承动压马达产品通过验收试验，该批次半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔大于等于预期的平均无故障时间间隔MTTF；如果在总试验时间2r内，有2个子样失效，则该批次半球轴承动压马达产品没有通过验收试验，该批次半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔小于预期的平均无故障时间间隔MTTF；从而完成半球轴承动压马达的可靠性验证。

平均失效时间保证试验通常在环境应力筛选(ESS)后开始，在产品任务剖面规定的环境条件下进行，但该方法也可用于已经通过鉴定试验的设备。由于针对该产品和相似产品的现有试验信息已经获得了产品的可靠性评估，满足寿命要求，即可认为该产品通过了鉴定试验，在此基础上利用平均无故障时间间隔保证试验进行验证试验的设计是符合工程要求的。

本发明方法利用同类产品先验信息条件进行产品可靠性验证试验的设计，为寿命长又无法进行加速试验的产品提供了一种快速、有效的可靠性验证途径，解决了长寿命产品无法及时投入星上使用的难题。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种半球轴承动压马达的可靠性验证方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选取与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达，根据该相同类型的轴承动压马达的地面寿命试验和在轨运行的数据对该轴承动压马达进行可靠性分析，得出与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔，该平均无故障时间间隔即为待测半球轴承动压马达预期的平均无故障时间间隔MTTF；

得出与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔的实现方式如下：

(2.1)对与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达进行可靠性分析，得到投入应用的同类轴承动压马达的寿命服从形状参数为1的指数分布或形状参数为1附近的弱威布尔分布；

(2.2)将试验时间T划分为m个时间段，在t_i时间段采集已投入应用的同类轴承动压马达的寿命试验陀螺数据、动压气浮轴承陀螺马达数据、陀螺产品生产交付的数据和在轨飞行数据；

(2.3)基于步骤(2.1)的失效模式分析结果和步骤(2.2)收集到的数据，采用在形状参数已知和零失效条件下、基于置信推断的威布尔寿命数据分析方法对与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达进行可靠性评估，依据MTTF'＝η·Γ(1+1/β)，得到与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔；其中，公式中η为依据评估数据获得的特征寿命，β为根据失效模式确定的形状参数，Γ为伽马函数，MTTF'为与待测半球轴承动压马达相同类型的轴承动压马达的平均无故障时间间隔；

(2)确定待测半球轴承动压马达的样本量n，以及每个样本的试验时间t，使得样本量n与每个样本的试验时间t的乘积大于等于r，其中r＝0.212×MTTF；

(3)将待测半球轴承动压马达装于洁净的动压马达试验罐中并密封，然后将动压马达试验罐置于试验箱中加温至50±3℃，设置电源输出电压为32V以及启动频率400Hz，启动3s后电源频率自动切换到800Hz；

如果当n个样本的总试验时间大于r时，n个样本均没有失效，则半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔大于等于预期的平均无故障时间间隔MTTF；

当n个样本的总试验时间不超过2r时，如果有一个子样失效，剔除失效子样并加入一个新的样本，且加入一个新的样本后n个未失效子样的总试验时间大于r，则半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔大于等于预期的平均无故障时间间隔MTTF；

如果在总试验时间2r内，有2个子样失效，则半球轴承动压马达的平均无故障时间间隔小于预期的平均无故障时间间隔MTTF；从而完成半球轴承动压马达的可靠性验证。