0.   引言

中国空间站已正式转入应用与发展阶段。维持空间站长期在轨稳定运行，并在保障支持下延长运行寿命，是空间站运营效益最大化的现实需求；其中，在轨维修维护技术及定寿延寿工作是空间站实际工作寿命的重要保障^[1-2]。根据空间站在轨寿命评估与延寿专项要求，多类空间站产品正在开展地面定寿延寿试验研究。其中，空间站舱外电动工具作为航天员出舱活动的常备工具，在保证其输出力矩稳定的同时，可实现快速拆装，提高工作效率，缩短出舱作业时间^[3]。开关按钮作为直接控制舱外电动工具启停的关键组件，经历长期服役后可能出现卡滞、卡死或松动导致误触等现象，影响工具的正常作业。为准确获取舱外电动工具的可靠工作时间，结合舱外电动工具可靠性模型及故障模式、影响及危害性分析（FMECA）结果，需要对舱外电动工具的薄弱环节之一——开关按钮开展可靠性评估研究。

对于按压型开关的可靠性评估，国内外相关机构均有研究。Gill等^[4]使用螺栓螺母加载法，分别对3种镍基超合金螺旋弹簧的应力松弛行为进行测试，结果表明，在恒定位移载荷及600～700 ℃高温条件下弹簧应力的衰减速度比等效拉伸载荷条件下压缩蠕变数据预测的要快1～3个数量级。国内针对舱外电动工具开展的一系列寿命验证研究中也包括开关按钮按压频次模拟试验^[5-6]。王勇等^[7]采用温度应力4量级水平恒定应力加速试验方法研究了某型加速度开关的贮存退化过程，并采用极大似然估计和最小二乘法对试验数据进行了拟合分析，结果显示该加速度开关等效贮存寿命达33年。赵薇等^[8]以T9A螺旋压缩弹簧为研究对象，在不同温度条件下进行高温压缩加速试验，并建立贮存寿命预测方程，对弹簧的常温寿命进行预测。张新兰等^[9]通过不同温度下的加速老化试验获得某轴承用有机硅润滑脂的性能衰退数据，根据阿伦尼乌斯定律对常温下的润滑脂性能衰退进行了评估。

综上，对于开关按钮，目前国内外相关研究多集中于其工作寿命验证以及弹簧类结构、润滑油脂的长期贮存特性分析，而忽略了其内部弹簧与润滑脂等在在轨长期贮存与短期作业交替影响下的性能退化特性。考虑开关按钮在轨将经历舱内贮存与舱外作业两种不同环境交替作用，其内部又同时存在弹簧类结构与润滑油脂等薄弱环节，长期贮存可能会导致其内部弹簧类结构因蠕变而出现应力松弛现象，而舱外作业时的高频次按压也可能导致其内部润滑脂的理化性能发生变化^[10]，因此需要开展试验测试，重点研究在轨服役综合环境对开关按钮性能退化的影响，通过收集性能退化数据对开关按钮的可靠性做出评估。

本文以中国空间站舱外电动工具开关按钮为研究对象，在深入分析开关按钮结构及其失效机理的基础上，设计综合考虑长期在轨贮存与短期作业交替影响的加速寿命试验；结合开关按钮性能退化数据，采用基于伪寿命分布的可靠性评估方法，开展开关按钮可靠性评估工作：旨在验证开关按钮10年寿命末期的可靠度是否满足0.995 4的设计指标要求，并为空间站内其他长期贮存单机的可靠性评估提供思路。

1.   开关按钮结构及其失效机理分析

中国空间站舱外电动工具目前已投入在轨使用，主要用于完成M5不脱出紧固装置的装拆工作，可以适应舱外复杂的真空和高低温环境。舱外电动工具每年供出舱作业不少于2次，要求满足单次出舱可工作时间不短于8 h，拧钉不少于140颗；其余时间为舱内常温（25 ℃）常压环境长期贮存。舱外电动工具实物如图1所示。

图  1  中国空间站舱外电动工具实物

Figure  1.  Photo of extravehicular power tool used for China’s Space Station

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开关按钮位于舱外电动工具外壳的握柄处，操作力要求7～30 N，按压总位移量为14 mm。图2所示为空间站舱外电动工具开关按钮的实物外观与内部结构。

图  2  开关按钮外观及内部结构示意

Figure  2.  Schematic of appearance and internal structure of switch buttons

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结合舱外电动工具在轨服役状态与开关按钮内部结构，分析开关按钮的薄弱环节。当舱外电动工具处于在轨贮存状态时，开关按钮内部弹簧类结构因长期受到低于其屈服强度的恒定应力作用，会发生蠕变，导致应力松弛；而在舱外作业状态下，高频次的按压会加速开关按钮摩擦副间润滑脂的消耗，同时弹簧类结构的弹性系数也会逐渐降低：这两种状态将统一表现为开关按钮的按压力发生退化。根据以上分析，并结合国内外相关研究^[4-12]，本文认为导致开关按钮性能退化的关键环节在于其内部弹簧类结构及润滑油脂，其中：导致弹簧类结构应力松弛的主要影响因素为温度及长期负载；而润滑油脂理化性能的变化则主要受温度及动作频次的影响。

2.   开关按钮加速寿命试验设计

开关按钮在轨分为长期舱内贮存与短期舱外作业两种状态，因此加速寿命试验按照这两种状态交替的原则进行设计。其中长期贮存过程加速进行，以温度作为加速应力，每2次测试间隔内贮存1周（试验后期间隔2周），计算加速系数，模拟长期贮存阶段；短期作业过程不作加速处理，且负载条件与实际作业工况保持一致。

加速寿命试验设计具体包括5个方面——加速应力、应力水平、样本量、截尾方式和测试时间^[13]。

1）加速应力：根据第1章的开关按钮结构及失效机理分析，本试验选取温度作为加速应力，保持负载条件及动作频次与实际状态一致，加速模型为阿伦尼乌斯模型。

2）应力水平：根据中华人民共和国国家标准GB/T 2689.1—1981《恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则》^[14]，在进行恒定应力寿命试验时，应力水平之一应接近或等于该产品技术标准中规定的额定值（开关按钮贮存温度额定值为25 ℃），最高应力水平不得大于该产品的结构材料、制作工艺所能承受的极限应力（弹簧类结构许用温度高温至130 ℃，润滑脂耐长期高温至121 ℃）。在施加应力时，应遵循分级步进、逐步提高的原则。因此，本试验共设定了4组温度水平，分别为50 ℃、80 ℃、110 ℃、140 ℃，其中140 ℃温度水平用于验证高温是否导致失效模式发生变化。

3）样本量：4组温度水平下每组试验样本量为5个，共20个开关按钮样本。

4）截尾方式：本试验采用定数截尾方式，每组温度水平下待5个样本均失效或有明显失效趋势后停止试验，失效判据为下压14 mm时测试按压力小于7 N或大于30 N。

5）测试时间：由于开关按钮早期退化较快且退化波动较大，测试时间间隔采取“先密后疏”的原则，试验前期每周测试1次，试验后期每2周测试1次。

本试验流程如图3所示。加速贮存过程在高温温箱（见图4）中进行；按压力测试在常温环境下的按压力测试仪上进行（见图5），每次按压力测试前对开关按钮按压20次以上（等效在轨1年内按压280次以上），模拟开关按钮实际工作状态。

图  3  开关按钮加速寿命试验流程

Figure  3.  Block diagram of accelerated life test procedure for switch buttons

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图  4  开关按钮加速寿命试验用温箱

Figure  4.  Oven for accelerated life test of switch buttons

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图  5  开关按钮典型位置按压力测试状态

Figure  5.  Typical positions of the switch buttons in pressing force test

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3.   开关按钮失效模式及退化特性分析

3.1   按压力变化及分析

图6(a)～(d)为各温度下开关按钮典型样本的按压力退化曲线，试验时按钮下压14 mm。

图  6  各温度下开关按钮典型样本按压力−时间曲线

Figure  6.  Curves of pressing force vs. time for typical witch button samples at various temperatures

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由图6可见，开关按钮加速寿命试验进行350天后，50 ℃和80 ℃温度下开关按钮出现按压力松弛现象，且退化趋势稳定；110 ℃和140 ℃温度下的开关按钮样本在试验开始157天后均明显失效，因此这2组温度下的试验提前停止。对图中的数据点进行拟合分析可知，开关按钮按压力退化与时间呈线性关系，其中50 ℃、80 ℃温度下拟合曲线斜率为负，即随着贮存过程的推进，开关按钮按压力逐渐下降，且80 ℃温度下按压力下降速率加快；110 ℃和140 ℃温度下拟合曲线斜率为正，即随着贮存过程的推进，开关按钮按压力逐渐上升，且140 ℃温度下按压力上升速率加快。出现此现象的原因可能为，开关按钮按压力变化受两方面因素影响：一方面，内部弹簧随时间推移出现应力松弛现象，直接导致按压力下降；另一方面，随时间推移，润滑脂的润滑效果降低，开关按钮运动副摩擦力随之增大，进而使得按压力上升。在温度较低时，前者为开关按钮性能退化的主导因素；随着温度的升高，后者逐渐演变为主导因素。

3.2   按压力迟滞量变化及分析

开关按钮按压力迟滞量是指按钮下压至某一位移与回弹至相同位移量时所需的按压力差值。图7为开关按钮按压力迟滞量典型曲线，可以看到，对应不同按压位移的按压力迟滞量有所不同。

图  7  开关按钮按压力迟滞量典型曲线

Figure  7.  Typical curves of delayed pressing force for switch buttons

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图8为各温度下开关按钮典型样本的按压力迟滞量曲线。可以看出，随着温度的升高，开关按钮按压力迟滞量有增大趋势：在50 ℃和80 ℃温度下，按压力迟滞量基本保持稳定；在110 ℃和140 ℃温度下，随着按压位移的增大，按压力迟滞量逐渐增大。110 ℃温度下，4段位移的按压力迟滞量均值由0.885 N·m增加至1.900 N·m，涨幅为114.7%；140 ℃温度下，4段位移的按压力迟滞量均值由0.930 N·m增至10.748 N·m，涨幅达10倍多。

图  8  各温度下按钮典型样本按压力迟滞量−时间曲线

Figure  8.  Curves of delayed pressing force vs. time for typical switch button samples at various temperatures

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按压力迟滞量的变化与按压过程中活动部位的摩擦力有关^[15]。舱外电动工具开关按钮的内部润滑材料选用7253航空用低温润滑脂，其可耐受低温达-73 ℃，耐长期高温至121 ℃。随着温度的升高，润滑脂流失现象加剧，并逐渐从涂油处溢出；当贮存温度为140 ℃时，已超出润滑脂耐受温度上限，润滑脂流失现象最为明显。在图8中表现为，在贮存阶段后期，多个样本出现迟滞量异常增长趋势，说明开关按钮的性能退化失效模式改变为润滑脂润滑效果降低导致开关按钮运动副摩擦力增大。开关按钮内部涂油处以及开关按钮润滑脂高温下溢出现象如图9所示。

图  9  开关按钮润滑脂溢出现象

Figure  9.  Lubricating grease overflows in switch buttons

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4.   基于加速退化数据的可靠性评估方法

由于开关按钮的在轨实际贮存温度为25 ℃，根据3.1节分析，弹簧的应力松弛现象为开关按钮性能退化的主导因素，故本文根据50 ℃、80 ℃温度下的加速退化数据对开关按钮开展可靠性评估工作。

传统的加速寿命试验可靠性评估方法要求至少有3组应力，每组应力不少于3个产品发生失效。然而，这对于航天单机产品而言很难实现，甚至在很多情况下，即便对有些产品开展加速寿命试验也无法获得失效数据，但会加速产品性能退化。因此，可以基于产品性能退化数据，结合产品性能退化模型、寿命分布模型及加速模型等，对航天单机产品开展可靠性评估工作^[16]。

基于加速退化数据的可靠性评估方法的一般步骤为：对每个样本应用性能退化建模，根据加速退化数据进行外推，获得产品的预计失效时间，即“伪寿命值”；对伪寿命值进行假设检验，确定伪寿命分布类型及待定参数；再根据伪寿命结果，应用其分布模型对应的加速寿命试验可靠性评估方法获得产品的可靠性评估结果。

4.1   伪寿命值预测

对于给定的性能参数阈值或者失效判据，可以根据性能退化模型进行外推，获取产品伪寿命值。性能退化模型拟合常用的方法为最小二乘法。

以线性退化模型为例介绍最小二乘法的一般形式。对线性退化模型y=ax+b，以及样本数据x_i、y_i (i=1, 2, ···, n)，最小二乘法拟合的目的是确定待定参数$ \hat a $、$\hat b$，使得估计值$ {\hat y_i} = \hat a{x_i} + \hat b $与实际值y_i之间的残差的平方和最小，即$ \min \sum {{{({{\hat y}_i} - \hat a{x_i} - \hat b)}^2}} $。这样，就把退化模型的拟合问题转化为求极值的问题。

令$Q = \sum {{{({{\hat y}_i} - \hat a{x_i} - \hat b)}^2}} $，其中$ \hat a $、$\hat b$应满足方程组

求解方程组(1)，可得到$ \hat a $、$\hat b$的最小二乘估计值为

式中：$\overline x =( 1/n )\cdot\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^n {{x_i}} $；$\overline y = (1/n) \cdot \displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {{y_i}} $。

对n个样本进行测试，每个样本测试m_i次（i=1, 2, ···, n），测试时间与测试数据为(x_ij, y_ij)（j指单个样本的第j次测量，j=1,2,···, m_i），任务时间为t₀，失效阈值为ρ₀。根据最小二乘法对每个样本的线性退化模型进行估计，拟合结果为

对应失效阈值ρ₀，确定各样本的伪寿命值${L_i} = \inf \left\{ {\left. {t\left| {{\rho _0} = {{\hat a}_i}t + {{\hat b}_i}} \right.} \right\}} \right.$。

4.2   假设检验与可靠性评估

以威布尔分布为例介绍假设检验及参数估计的一般方法。试验样本数为n，失效数为r，相应的失效时间为t₁, t₂, ···, t_r，且t₁≤t₂≤···≤t_r，无失效产品的试验时间为t _r+1, t _r+2, ···, t_n，检验的原假设为

计算统计量为

式中：l_i=$ \dfrac{{({X_{i + 1}} - {X_i})}}{{\ln \left[ {\ln \left( {\dfrac{{4(n - i - 1) + 3}}{{4n + 1}}} \right)/\ln \left( {\dfrac{{4(n - i) + 3}}{{4n + 1}}} \right)} \right]}} $, i= $1, \cdots , r - 1 $，其中X_i=ln t_i；r₁=[r/2]。统计量W渐进服从自由度为[2(r−r₁−1, 2r₁)]的F分布，显著性水平α下，

接受原假设后，可利用伪寿命值确定威布尔分布参数取值，威布尔分布的可靠度函数为

式中：m为形状参数；η为尺度参数。

参数估计采用极大似然估计方法，对应的似然函数为

对似然函数取对数后求导，根据

确定待定参数m和η。

以基于威布尔分布的阿伦尼乌斯模型可靠性评估为例，介绍基于加速模型的可靠性评估的一般方法^[17-18]。阿伦尼乌斯模型的一般形式为

式中：L为产品退化速率；A为模型常数；E_a为激活能；k为玻耳兹曼常数（8.617 385×10^-5 eV/K）；T为热力学温度。

试验温度为${T_i}$(i=1, 2, ···, k)，工作温度为T₀，特征寿命值为η_i(i=1, 2, ···, k)时，根据阿伦尼乌斯模型，样本寿命数据可表示为

根据各温度水平下的伪寿命数据可确定阿伦尼乌斯模型参数。

加速系数是指加速应力下产品特征寿命与正常应力下特征寿命的比值，其计算公式为

可由加速系数确定工作温度T₀下的特征寿命η₀。当失效机理不发生改变时，各应力水平下模型的形状参数m应保持不变^[19]，因此对各应力水平下估计出的形状参数进行加权平均，得到一致的形状参数估计值m₀，从而得到工作温度T₀下的可靠度估计值为

5.   基于加速退化数据的开关按钮可靠性评估

根据第4章所述可靠性评估方法，结合加速退化数据与失效判据，可获取各样本的伪寿命值。开关按钮样本在50 ℃和80 ℃温度下的伪寿命值数据如表1所示。

表  1  开关按钮样本在50 ℃和80 ℃温度下的伪寿命值

Table  1.  Pseudo-life values at temperatures of 50 ℃ and 80 ℃ for the switch button samples

温度/℃	伪寿命值/d
	样本1	样本2	样本3	样本4	样本5
50	5 475.0*	5 475.0*	3 159.0	5 475.0*	3 757.5
80	3 367.0	2 902.5	2 217.2	2 982.1	2 039.2
*注：伪寿命值大于5475天（15年）的样本数据取截尾数据5475天。

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计算得到：50 ℃温度下开关按钮伪寿命值服从m=6、η=5067的威布尔分布，80 ℃温度下开关按钮伪寿命值服从m=6.4、η=2908的威布尔分布，其概率密度函数曲线如图10所示。

图  10  开关按钮伪寿命值概率密度函数曲线

Figure  10.  Probability density function plot of pseudo-life values for switch buttons

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结合阿伦尼乌斯模型加速系数计算方法，可得出25 ℃温度下开关按钮可靠度服从m=6.2、η=8766的威布尔分布（可靠度曲线如图11所示），其3650天时的可靠度估计值为0.995 6，可靠度0.995 4对应的寿命天数为3681天。

图  11  25 ℃温度下开关按钮可靠度曲线

Figure  11.  Reliability curve of switch buttons at temperature of 25 ℃

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由于表1中的部分伪寿命值采用截尾数据，因此加速系数计算的结果略小于真实值，导致外推25 ℃温度下开关按钮可靠度威布尔分布的η值略小于真实值，即可靠度评估结果偏保守，但该评估结果仍满足10年寿命末期可靠度0.995 4的指标要求。

6.   结论

本文以中国空间站舱外电动工具开关按钮样本为对象，开展综合考虑在轨长期贮存与短期作业交替影响的加速寿命试验，深入分析电动工具开关按钮的性能退化特性，采用基于伪寿命分布的可靠性评估方法对开关按钮开展可靠性评估，得出以下结论：

1）舱外电动工具开关按钮加速寿命试验进行350天后所有样本均已出现明显退化趋势，其中110 ℃和140 ℃温度下样本于试验开始157天后已出现卡滞或卡死现象；50 ℃和80 ℃温度下开关按钮的按压力退化与时间呈线性关系，随着贮存时间的推进，开关按钮按压力逐渐下降，且80 ℃温度下按压力下降的速率比50 ℃温度下的更快。

2）在贮存温度较低时（50 ℃、80 ℃），开关按钮内部弹簧类结构的应力松弛现象为按钮性能退化的主导因素；随着贮存温度的升高（110 ℃、140 ℃），润滑脂从涂油处溢出，开关按钮运动副摩擦力增大逐渐成为按钮性能退化的主导因素。

3）开关按钮按压力迟滞量变化主要由于按钮润滑脂溢出，即运动副摩擦力变化导致，且该现象与温度相关，其中50 ℃和80 ℃温度下，未出现润滑脂溢出现象，按压力迟滞量基本保持稳定；110 ℃和140 ℃温度下，出现润滑脂溢出现象，且随着按压位移的增大按压力迟滞量也逐渐增大，按压力迟滞量均值涨幅分别达114.7%和1 055.7%。建议将开关按钮内部润滑脂改用固体润滑脂，以避免高温条件下润滑脂溢出。

4）开关按钮在3650天时的可靠度估计值为0.995 6，可靠度0.995 4对应的寿命天数为3681天，满足10年寿命末期可靠度0.995 4的指标要求；且该评估结果偏保守，开关按钮的实际可靠度应优于该评估结果。

后续将对开关按钮进行破坏性失效分析，进一步研究其失效机理。本文所采用的试验设计思路与基于伪寿命分布的可靠性评估方法后续还可应用于空间站舱外电动工具锂电池组与电机等的加速寿命试验设计和可靠性评估，以支撑空间站在轨寿命评估与延寿专项。