水下航行体动密封结构可靠性分析论文_张 帆

摘 要： 以水下航行体动密封结构在转动状态下的密封可靠性为研究对象，在分析失效模式及机理的基础上，根据该结构任务剖面及所受到的综合应力，确定试验剖面、应力参数、试验条件、试验样本。并提出了一种科学合理的推进系统动密封可靠性试验与评定方法，用于验证动密封结构的使用寿命和评定。

关键词： 动密封；可靠性试验；数据处理

0 引言

动密封可靠性是水下航行体推进系统的重要特性，动密封结构主要包括橡胶密封圈、内轴、外轴、密封套、止退环等及机械零部件，由于失效机理复杂，失效分布多样，载荷、材料性能等因素的分散性和随机性，在动密封可靠性分析方面具有一定的难度，因此如何科学合理、经济、快速评估产品的可靠性水平，发现设计中可能存在的潜在缺陷及薄弱环节，对提高产品的可靠性水平至关重要。

试验剖面是否合理，能否恰当的模拟实航工作状态，直接影响着可靠性试验数据的准确性。传统的统计可靠性试验方法不能满足在有限的时间、经费等条件下评估可靠性水平以及发现设计和生产缺陷的要求，因此需要研究适用的可靠性试验与评定方法解决当前可靠性试验的困境。

1 动密封可靠性试验设计依据

推进系统主要为航行载体提供推进动力，其动密封特性是推进系统的重要特性。○型密封圈是动密封结构的重要零件，其由于磨损变形不能实现轴面转动密封，将直接使产品动密封性能失效，产品漏水，使载体内电子组件失效，从而导致任务失败。因此，应用机械可靠性工程技术，结合材料力学、摩擦磨损、结构运动等理论知识，分析动密封失效模式及失效机理，确定薄弱环节，开展可靠性试验用于评定推进系统动密封可靠性，对提高动密封件的使用寿命和可靠性具有一定的意义。

航行器动密封可靠性试验面临时间、经费的双重压力，传统的可靠性试验方法不能满足在有限的时间、经费等约束条件下评估可靠性水平以及发现设计和生产缺陷的要求。因此，某航行器动密封可靠性试验与评定方法，在分析失效模式及失效机理的基础上，根据推进系统动密封结构的任务剖面及所受到的综合应力，确定试验剖面、应力参数、试验条件、试验样本、故障判据等，研究并制定出了一种有效可行的推进系统动密封可靠性试验方案，数据处理方法用于评定动密封结构使用寿命。

2 动密封结构概述

推进系统动密封特性主要指密封圈与推进系统壳体在内、外轴高速转动情况下仍能保持密封性能。由电机控制单元控制电机内外轴转动，通过连接件将力矩传递给内外轴组件，动密封结构主要由○型密封圈实现轴与壳体转动之间的密封。动密封功能框图如图1所示。

图1 动密封功能框图

3 确定动密封影响因素

通过对○型密封圈进行失效分析，发现潜在的薄弱环节，确定动密封影响因素，为制定合理的试验剖面应力提供理论依据，以期达到验证效果。推进系统动密封结构包括机械结构件与橡胶密封件两部分。机械结构件的主要失效模式为与橡胶密封圈长时间摩擦形成的累积磨损、疲劳应力，当磨损积累到一定程度时，机械结构件失效。除设计因素外，在环境、装配、使用、维护等方面均对密封结构有一定的影响。而橡胶密封件是决定系统使用寿命和可靠性的关键件，动密封结构中的○型密封圈因其材料的差异，直接影响到推进系统的可靠性和使用寿命。

3.1 ○型密封圈失效分析

○型密封圈失效分析采用故障模式及影响分析（failure mode effects analysis,缩写FMEA）方法，以自下而上、由因到果的逻辑归纳法，约定分析层次，确定影响动密封的失效模式，分析每一种故障（失效）模式对动密封性能的影响，并对每种故障模式的严重程度及其发生概率所产生的综合影响进行分类，○型密封圈的失效模式主要包括永久变形、间隙咬伤、扭曲现象、颗粒磨损、摩擦磨损、焦耳热等，失效分析结果如表1所示。

表1 ○型密封圈失效分析表

3.2 推进系统动密封失效分析

以推进系统动密封失效为顶事件，采用故障树分析方法（fault tree analysis，缩写FTA），自上而下图形演绎法，综合全面分析影响密封失效的温度、机械应力、转动速度、外压、装配等方面因素。动密封性能失效的FTA分析如图2所示。

图2 动密封性能失效分析

4 动密封可靠性试验方案

4.1 试验剖面

通过对推进系统动密封结构开展故障模式及影响分析（FMEA）、故障树（FTA）分析可知，影响动密封性能的因素包括水压、转速、装配等，动密封性能的关键零部件主要包括易损件○型密封圈和密封结构件艉轴组件，○型密封圈用于内外轴之间、外轴与壳体之间转动密封。

可靠性试验包括实航试验与陆上模拟试验2部分：1）实航试验。该试验是产品在湖海按实际工作状态航行，实航试验数据为右删失数据用于使用寿命的评定；2）陆上模拟试验。该试验主要模拟实航应力，连续工作直至动密封性能失效（漏水），陆上试验数据为完全寿命数据用于使用寿命的评定。

4.2 应力参数

实航试验应力依据产品工作要求。陆上模拟试验剖面重点针对动密封结构施加一定的机械应力和水压力，使推进系统动密封结构在模拟实际工作状态下连续工作，水压力模拟水深200 m，设为2 Mpa（采用压力釜模拟水压力），电机转速值设为400 r/min，各应力均大于工作环境应力。试验剖面如图3。

图3 试验剖面应力

陆上模拟试验连续工作周期较长，须耗费大量的人力、物力和财力。依据GB2689.1《寿命试验和加速寿命方法》中“每一应力水平下样品数不小于5”及《型号可靠性工程手册》中“如用分析法对寿命进行评估，受试产品失效数至少等于5”，综合标准资料相关要求及试验实施的可行性，确定陆上模拟试验样本数为6，试验样机数量为6套。实航试验试验样本数为2。

4.3 试验方法

为真实模拟实际工作环境，陆上模拟试验采用专用高压动密封测试系统，由轴传动机构、调速系统、产品密封试验系统和电控系统等组成。电控系统包括控制系统、变频节能控制系统、操作台等。可综合模拟推进系统工作状态，满足动密封可靠性试验中试验剖面要求。

按产品技术状态要求完成装配后，安装到动密封试验密封装置上，依据试验方案实施试验，在试验过程中采用视频监控设备实时监测产品内腔是否有漏液情况、采用数据检测设备测量转速、温度等相关参数，试验结束后进行产品漏液检查和动密封性能检查。在试验过程中，详细记录试验条次、样机编号、实测压力、艉轴运行状态、转速、密封件状态、试验时间、试验监测数据等相关试验数据。

5 动密封可靠性评定方法

动密封可靠性试验数据分析方法采用生存分析方法，对一个或多个非负随机变量X(如寿命)进行统计分析，即根据观测到的数据对X进行统计推断，从而得到分布函数F(t)=P(X≤t)或生存函数S(t)=P(X>t)，在可靠性工程中，用R(t)代替S(t)。生存分析中陆上模拟试验数据为寿终数据,实航试验数据为右删失数据。

5.1 确定失效概率分布模型

可靠性研究已经表明，产品寿命分布类型取决于施加应力的类型，失效模式和失效机理等因素。失效机理相同的不同产品，可以是同一类型的分布。

目前，失效分布类型的判断方法有2类，一类是失效物理分析方法，即通过失效模式与失效机理研究来判断失效分布；另一类是利用寿命数据，采用数理统计的各种判断方法进行判断。概率分布函数是一定物理模型的数字抽象，因而能够描述与物理模型一致或相近的失效现象。将概率分布的物理模型，与产品的可靠性结构相比较，即进行失效物理分析，便能选择寿命分布类型。

失效发生在产品最薄弱环节，且最弱环节一旦失效，系统也就失效，这种失效模型就称为最弱环模型。威布尔分布的密度函数是由最弱环模型推出的，威布尔的物理模型是最弱环模型，串联系统的失效与最弱环模型相符，因此，串联系统的失效分布可用威布尔分布来描述。

概率分布函数用于可靠性研究时，最重要的就是观察失效率函数随时间的变化趋势，也就是失效率模型不同，所描述的失效时期或失效事件的失效特征不同。如威布尔分布的失效率，当m=1时，

在工作可靠性研究中，通过失效物理分析，选择失效分布类型的准则为：

1）产品失效特性与概率分布的失效率模型相符合；

2）产品的可靠性结构与概率分布的物理模型相符合。

由上述分析可知，动密封结构的可靠性模型是串联系统，耗损型失效是密封失效的主要形式。因此，应按最弱环模型和递增型失效率模型来选择分布类型。满足这两条要求的是威布尔和极小值分布，威布尔具有广泛的适用性。

5.2 概率分布函数选择

根据动密封工作寿命试验数据的特点，可以采用图分析的统计处理方法对这类数据进行拟合分析。该方法的主要原理是选择几种常用的概率分布作为可能的分布函数，应用现场统计数据用线性回归进行拟合，从可靠的分布函数中，选择拟合较优的一种概率分布。

根据对动密封结构失效模式和机理的分析，借鉴其它产品的研究成果，选择几种常用分布函数作为拟合优度检验的原始假设分布。这几种概率分布函数为：

5.3 线性回归、拟合优度分析及分布函数中未知参数的估计

对同一类型的密封结构，若将密封条件相同的不同密封时间的样品看作一个整体，则可得到密封结构的工作寿命

1）将工作寿命数据按从小到大的数据排列，如

　

4）配置分布直线，该直线就是各数据分布直线，配置直线的原则如下：

配置直线时要注意在F（t）为50%～60%附近的数据点，不能距直线过远；配置直线时，将数据点分列在直线的上下两侧，而两侧的数据点的数目不要相差悬殊；直线两侧的数据点应交错地分列两侧。

选择指数分布、威布尔分布、正态分布、对数正态分布等常用的概率分布作为可能的分布函数，应用现场统计数据用线性回归进行拟合，Anderson-Darling统计量是概率图中点离拟合直线距离大小的加权平方和，越靠近分布的尾部，权重越大。其具体表达式为：

　

A的值越小说明分布拟合的越好。

采用极大似然估计法对分布函数中的未知参数进行估计，获得参数的估计值。设寿命X的分布函数是F(T，θ)，分布密度是f (t，θ)，对n个样品进行观测，得到寿终、右删失、左删失或区间型4种类型的数据，在相当广泛的条件下，试验数据对应的似然函数：

R(t)为动密封结构可靠度，可靠寿命

6 结束语

本文针对航行器动密封结构，通过开展可靠性失效分析，确定了结构的薄弱环节及影响因素，研究确定了航行器动密封可靠性寿命试验剖面、应力参数、试验方法与数据评定方法，实现了在有限的试验时间和费用条件下开展航行器动密封可靠性试验，有效评定航行器动密封结构使用寿命及可靠寿命，为制定科学合理的维护、维修周期提供理论依据。

参考文献

[1]龚庆祥．装备可靠性工程手册[M]．北京：国防工业出版社，2007.

[2]徐光华．○形密封圈的失效原因及防止措施[J]．工业技术，2007（17），22 .

[3]王建军，高新陵．○形橡胶密封圈尺寸公差对密封性能的影响[J]．机电产品开发与创新，2008（9），80.

论文作者:张 帆

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第21期

论文发表时间:2020/5/8