(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810075634.1
(22)申请日 2018.01.26
(71)申请人 北京航空航天大学
地址 100191 北京市海淀区学院路37号
(72)发明人 王少萍 马仲海 张超 孙旭
(74)专利代理机构 北京永创新实专利事务所
11121
代理人 赵文颖
黑帮中的女人(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
the world浏览器G06K 9/62(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种基于马尔可夫信息矩阵
载设备可靠性领域。该方法在利用马尔可夫信息
矩阵方法，对处于交变应力的机械产品的载荷进
行了统计，同时考虑到了载荷的累积效果和切换
冲击的影响。利用隐马尔可夫模型解决了对于航
求解出了液压泵流量载荷。依据累积损伤理论进
行了加速寿命试验载荷谱的设计。本发明方法在
不改变航空机载设备失效机理的前提下，实现了
对航空机载设备的加速寿命试验，并得到好的加
速效果。权利要求书2页 说明书7页 附图6页CN 108345727 A 2018.07.31
C N 108345727
A
1.一种基于马尔可夫信息矩阵的加速寿命试验载荷谱设计方法，包括以下几个步骤：
步骤一、利用隐马尔可夫模型获取航空液压泵工作载荷剖面，并统计液压泵载荷的马尔可夫信息矩阵；
基于时间的马尔可夫矩阵为：农夫山泉与京华时报
其中：M表示马尔可夫信息矩阵，i，j分别为不同的应力等级，n表示载荷周期内的各个应力等级，t i为各级应力持续的时间，m i,j表示马尔可夫信息矩阵从应力等级i转移到应力等级j的统计值，表示集合中元素个数的运算符，k表示载荷切换点，X k为在切换点k时的状态，通过遍历载荷谱历史信息，得到马尔可夫信息矩阵；
通过马尔可夫信息矩阵统计载荷谱，在原有马尔可夫矩阵的基础上增加应力累积施加信息，构成一种新型的基于时间的马尔可夫矩阵，同时包含载荷谱切换频次信息和各等级载荷的持续时长信息；
步骤二、根据马尔可夫信息矩阵计算载荷转移矩阵和等级持续时长矩阵；
通过由步骤一对历史载荷信息的统计所得到马尔可夫信息矩阵M进行进一步的计算，得到状态的载荷转移矩阵Q T和等级持续时长矩阵D T：
其中，P(X k＝x k|X k-1＝x k-1)则表示在切换点k状态为x k的概率，且该概率仅仅与切换点k-1的概率有关，q ij为从应力等级i转移到应力等级j的概率大小，d i为应力等级为i时载荷持续时长所占的比例；
步骤三、分析关键失效模式，根据累积损伤一致原则，设计加速载荷谱；
缸体柱塞副的磨粒磨损计算采用Archard磨损模型：
V＝KP load L/(3H)
式中，P load是载荷，L是磨损行程，H是维氏硬度，K是磨损系数；
通过对柱塞副受力分析，其每个循环所造成的磨损表示为：
其中，m，l分别为柱塞在柱塞腔外和柱塞腔内的长度，m和l的大小随着柱塞的运动变化而变化，Q为柱塞的输出流量，p s为出口压力，d为柱塞的直径，ω为柱塞泵的转速，r为柱塞
中心到液压泵旋转轴心的距离，Z为液压泵柱塞的总个数，为等效的常数系数；
对于转子配流盘副磨损的计算采用逆幂率模型计算
v＝ap s bωc
其中，a,b,c根据实验数据进行参数估计；
假设压力和流量两个加速应力分别为S1和S2，先选取恒定的应力S1并提升应力等级，计算出在该恒
定加速应力下，对应的其他应力等级S2下的加速时长，假设加速系数为K1，K1＞1；则根据累积损伤相等，以及各等级累积时间所占总时间比例的不同，进行相应的时间折算，即t i'＝t i/K；i＝8；根据各个应力等级S2上的加速时长，计算每个等级下的加速应力S′2，保证在两种加速应力下，对部件成的损伤一致；
首先选取加速时压力P’，计算等效加速时长T2，计算各等级应力持续时长，然后根据流量加速因子计算加速流量，最后，根据转移矩阵Q T，加速应力P’和Q’，持续时间D T，生成加速载荷谱，利用该加速载荷谱生成新的加速载荷谱并指导加速寿命试验。
一种基于马尔可夫信息矩阵的加速寿命试验载荷谱设计方法
晋州市实验中学技术领域
[0001]本发明属于航空机载设备可靠性领域，具体涉及一种基于马尔可夫信息矩阵的加速寿命试验载荷谱设计方法。
背景技术
[0002]现代飞机要求具备超高可靠度和超长寿命。航空液压泵作为飞机液压系统的核心部件，与普通液压系统液压泵相比，要求更加严格。液压泵为飞机液压系统提供高达21～35MPa的高压油液，用以
驱动飞控舵面或是收放起落架等，其结构复杂、功能强大、寿命和可靠性要求越来越高。飞机液压泵一旦出现故障，轻则引起飞机液压系统工作异常，重则造成机毁人亡，带来巨大的经济损失和不良的社会影响，因此，现代飞机对于液压泵的寿命和可靠性要求越来越高。迫切需要研制高可靠长寿命的飞机液压泵。通常产品的寿命特征是通过在正常条件下做寿命试验的方法来获得的。然而，由于飞机液压泵属于高可靠性长寿命产品，其设计精密、织造工艺复杂、生产成本高、专用性强，一般不会进行大批量的生产，进行其全生命周期寿命试验和相关的破坏性寿命试验的情况就更少。常规寿命试验会造成常规寿命试验周期过长，不仅寿命试验成本巨大，还会导致研制周期过长，无法与飞机的快速研制需求相匹配，而使产品的市场竞争力下降。因此，工程上一般采用加速寿命试验的方法进行液压泵的寿命评估。
[0003]目前，在工业界，电子产品恒定应力加速寿命试验方法比较成熟，有完善的试验规范和统计方法可循，但需要的试验样本量大，且试验时间长。机械产品因为故障机理相比电子产品更为复杂，目前尚未形成标准化的加速寿命试验规范。液压泵作为一种复杂的机械部件，其工况的复杂性和周期性应力剖面决定了其故障模式繁多、应力耦合严重且承受变应力载荷等特性，导致传统的恒定应力加速寿命试验载荷谱和现有的加速模型难以给出准确的寿命评估结果。因此，如何基于液压泵特有的故障机理和工作应力剖面设计加速寿命试验载荷谱是突破液压泵加速寿命试验理论和统计方法的关键。
[0004]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。[0005]目前可以检索到国外航空机载产品加速寿命试验的参考资料关于载荷谱设计的内容非常少。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如何设计加速寿命试验剖面无从得知，我国对航空液压泵的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载荷谱设计方法。
发明内容
[0006]本发明为了解决在不改变航空液压泵失效机理的前提下，实现航空液压泵的加速寿命试验具有较好的加速效果的目的，提出一种基于马尔可夫信息矩阵的加速寿命试验载荷谱设计方法，为航空液压泵提供了一种实用、可操作、不改变失效机理且加速效果较为明显的加速寿命试验剖面设计方法，为固航空液压泵寿命评估提供行之有效的加速方法。[0007]本发明提出的一种航空液压泵综合应力加速寿命试验剖面设计方法，具体为：[0008]步骤一、利用隐马尔可夫模型获取航空液压泵在常规工况下的工作载荷剖面，并统计液压泵载荷的马尔可夫信息矩阵。
[0009]步骤二、利用常规载荷剖面生成的马尔可夫信息矩阵，计算载荷转移矩阵和等级持续时长矩阵。
[0010]步骤三、根据航空液压泵的故障机理和磨损规律，利用马尔可夫信息矩阵对常规载荷谱进行加速，生成加速载荷谱。信宜话
[0011]本发明的优点在于：
[0012](1)在常规工况载荷谱确定的情况下，通过模型推断出隐含载荷状态，真实反映液压泵的运行载荷剖面；
[0013](2)提供了基于马尔可夫信息矩阵的载荷谱设计方法，能够同时反映液压泵载荷动态切换带来的载荷冲击影响和各等级载荷的持续时长带来的影响；
[0014](3)提供了基于等效累积损伤原则和马尔可夫信息矩阵，在保证失效机理不变的前提下，提升载荷等级，设计加速谱，大幅缩短试验时间。
附图说明
[0015]图1是马尔可夫信息矩阵统计示意图；
[0016]图2是马尔可夫信息矩阵载荷分布示意图；
[0017]图3是航空液压泵隐状态载荷谱描述模型；
[0018]图4是液压泵柱塞受力分析；
[0019]图5是加速载荷谱设计流程；
[0020]图6是加速载荷谱马尔可夫信息矩阵描述；
[0021]图7是SAE-AS19692B航空通用液压泵通用试验标准；
[0022]图8是某型号飞机各个飞行阶段时长统计分析；
[0023]图9是某型液压泵常规载荷谱；
党外知识分子[0024]图10是某型液压泵加速载荷谱；
[0025]图11是本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0026]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0027]本发明是一种基于马尔可夫信息矩阵的加速寿命试验载荷谱设计方法，流程如图11所示，包括以下几个步骤：
[0028]步骤一、利用隐马尔可夫模型获取航空液压泵在常规工况下的工作载荷剖面，并
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