發(fā)射平臺(tái)擺桿機(jī)構(gòu)可靠性分析

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(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076)

0 引言

隨著新一代運(yùn)載火箭的發(fā)展，發(fā)射流程應(yīng)具備垂直組裝、垂直測(cè)試、垂直轉(zhuǎn)運(yùn)(三垂模式)的能力。發(fā)射平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)三垂發(fā)射模式的重要一環(huán)，而擺桿機(jī)構(gòu)又是發(fā)射平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于鋪設(shè)各種加注、供氣、電纜、空調(diào)等管線路，在運(yùn)輸過程中擺桿保持各種管路、連接器、電纜的狀態(tài)不變，起飛前帶動(dòng)脫落的連接器、管路、接頭等擺開到安全范圍之內(nèi)[1-2]。因此擺桿機(jī)構(gòu)功能的可靠性水平高低對(duì)保證發(fā)射平臺(tái)是否具有三垂模式能力具有重要意義。由此可知對(duì)擺桿機(jī)構(gòu)可靠性進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)和迫切的工程意義，擺桿機(jī)構(gòu)如圖1。

圖1 發(fā)射平臺(tái)擺桿機(jī)構(gòu)

由于擺桿機(jī)構(gòu)屬于發(fā)射平臺(tái)新研設(shè)備，尚未有文獻(xiàn)對(duì)此類擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行可靠性建模及計(jì)算，僅可以從文獻(xiàn)[3-4]借鑒，分析類似機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性的方法和思路。

本文從擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)全過程出發(fā)，分析其運(yùn)動(dòng)機(jī)理，考慮擺桿機(jī)構(gòu)實(shí)際受力情況，建立了擺桿機(jī)構(gòu)啟動(dòng)失效、連續(xù)運(yùn)動(dòng)失效、運(yùn)動(dòng)不到位可靠性模型，并根據(jù)實(shí)際工程算例，計(jì)算出可靠性結(jié)果。

1 擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)故障原因分析

圖2 擺桿機(jī)構(gòu)原理圖

擺桿機(jī)構(gòu)由液壓油缸、齒條、齒輪、擺桿桁架等組成[5]，如圖2。其工作原理是：液壓油缸在液壓油的作用下，向右伸出油桿，帶動(dòng)齒條向右運(yùn)動(dòng)，齒條與齒輪嚙合，齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)與齒輪固接的擺桿桁架從初始擺回狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到最終擺開狀態(tài)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，角位移90°。通過分析其功能和組成特點(diǎn)，可看出擺桿機(jī)構(gòu)是否工作正常與液壓油壓力、擺桿桁架鋪設(shè)管路及連接器重力、擺桿桁架自重及風(fēng)載等相互匹配有關(guān)。

在擺桿擺開的運(yùn)動(dòng)階段，由于發(fā)射場(chǎng)的特殊環(huán)境以及擺桿桁架自身長(zhǎng)、細(xì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，氣動(dòng)載荷在擺開運(yùn)動(dòng)中變化較大，此外受桁架長(zhǎng)、細(xì)特點(diǎn)，風(fēng)載力矩在過程中同樣也存在變化。這樣可能存在液壓油缸中的油桿無法克服阻力，而發(fā)生卡滯。同時(shí)，機(jī)構(gòu)制造的誤差、裝配誤差可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)定位失效，使得擺桿無法擺開90°。擺桿擺開功能的正常實(shí)現(xiàn)，需要保證擺桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作的各階段，即啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到位三階段的工作可靠，分析三階段事件的故障表現(xiàn)及故障原因。

2 擺桿機(jī)構(gòu)擺開過程可靠性建模

結(jié)合擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)故障原因分析，建立了擺桿機(jī)構(gòu)各階段事件可靠性模型及求解方式。如表1所示。

表1典型可靠性模型說明

2.1 擺桿油缸啟動(dòng)阻力過大

擺桿油缸為單向油缸，擺桿擺開運(yùn)動(dòng)方向如圖3，正腔油壓作用在活塞上，力為Fd，風(fēng)載、摩擦力、反腔壓力油壓等阻力最終等效于作用在反腔活塞這一側(cè)力Fr。在啟動(dòng)階段，擺桿要實(shí)現(xiàn)擺開運(yùn)動(dòng)，必須保證Fd大于Fr，即擺桿在啟動(dòng)階段可靠性系數(shù)為β1：

(1)

擺桿油缸啟動(dòng)阻力過大失效概率：

Pf1=1-Φ(β1)

(2)

式中：Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

圖3 擺桿油缸示意圖

2.2 擺桿連續(xù)運(yùn)動(dòng)阻力過大

在擺桿運(yùn)動(dòng)過程中，要使運(yùn)動(dòng)過程無卡滯、停頓，必須油桿速度大于0，保證齒條驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)。在擺開過程中，驅(qū)動(dòng)力Fd做功為Wp，阻力Fr做功Wm，Wp必須大于Wm，才能保證油桿速度大于0。如圖4。

圖4 擺桿油缸運(yùn)動(dòng)示意圖

驅(qū)動(dòng)功Wp與阻力功Wm分別為：

(3)

(4)

擺桿在連續(xù)運(yùn)動(dòng)階段可靠性系數(shù)β2：

(5)

擺桿油缸連續(xù)運(yùn)動(dòng)阻力過大失效概率：

Pf2=1-Φ(β2)

(6)

式中：Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

2.3 擺桿運(yùn)動(dòng)不到位

擺桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，考慮其存在尺寸、磨損等偏差，使得其運(yùn)動(dòng)偏差具有一定的不確定性，其運(yùn)動(dòng)精度具有隨機(jī)性，所以為保證擺桿桁架的運(yùn)動(dòng)精度，對(duì)其進(jìn)行偏差分析和可靠性定量計(jì)算是非常必要的。擺桿機(jī)構(gòu)齒條齒輪運(yùn)動(dòng)如圖5所示，齒條運(yùn)動(dòng)到位實(shí)際行程為L(zhǎng)，帶動(dòng)齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ，幾何關(guān)系式為：

θ=L/R

(7)

式中：R為齒輪半徑。

圖5 擺桿機(jī)構(gòu)齒條齒輪運(yùn)動(dòng)圖

圖6 擺桿桁架運(yùn)動(dòng)圖

擺桿桁架轉(zhuǎn)動(dòng)角度即為齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ，擺桿桁架運(yùn)動(dòng)圖如圖6所示：擺桿桁架長(zhǎng)為l，擺桿擺回狀態(tài)為OA，理論擺開狀態(tài)為OA1，對(duì)應(yīng)角度為θ*；OA2狀態(tài)為擺開到位，對(duì)應(yīng)角度為θ；OA3狀態(tài)為擺開不到位，由幾何關(guān)系可知，OA2狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)的擺桿擺開位置間距ΔS大于0，考慮桁架為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，有：

ΔS=(θ-θ*)·l

(8)

綜合式(7)、(8)，有：

ΔS=(L/R-θ*)·l

(9)

擺桿運(yùn)動(dòng)不到位概率為：

Pf2=P{ΔS<0}

(10)

ΔS服從正態(tài)分布，有擺桿在運(yùn)動(dòng)到位階段可靠性系數(shù)β3：

(11)

即擺桿運(yùn)動(dòng)不到位失效概率：

Pf3=1-Φ(β3)

(12)

式中：Φ(·)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

3 工程算例

3.1 擺桿油缸啟動(dòng)阻力過大失效可靠性分析

圖7 驅(qū)動(dòng)力、阻力與 油桿行程關(guān)系圖

擺桿油缸力大小腔傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖7。

將啟動(dòng)時(shí)刻(油桿行程為0 mm)數(shù)據(jù)代入(1)。取CFd=0.12，CFr=0.08，則擺桿在啟動(dòng)階段可靠性系數(shù)為：

即擺桿油桿啟動(dòng)阻力過大失效概率為：

Pf1=1-Φ(β1)≈5.297×10-5

3.2 擺桿連續(xù)運(yùn)動(dòng)阻力過大失效可靠性分析

在擺桿運(yùn)動(dòng)過程中，當(dāng)油桿運(yùn)動(dòng)到某一位移Lx時(shí)，活塞驅(qū)動(dòng)功和阻力功分別為驅(qū)動(dòng)力、阻力關(guān)于位移積分。

圖8 驅(qū)動(dòng)功、阻力功、總功與 油桿位移關(guān)系圖

由圖8可知，驅(qū)動(dòng)功持續(xù)大于阻力功，將驅(qū)動(dòng)功、阻力功數(shù)據(jù)代入式(5)(6)。取CWp=0.05，CWm=0.05，經(jīng)計(jì)算可知擺桿油缸連續(xù)運(yùn)動(dòng)阻力過大失效概率為：Pf2≈0。

3.3 擺桿運(yùn)動(dòng)不到位

表2擺桿參數(shù)

擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)失效概率：Pf=Pf1+Pf2+Pf3≈8.743×10-5，Pf<10-5，符合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

1)結(jié)合擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)功能分階段特點(diǎn)，總結(jié)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)失效可能出現(xiàn)的3類模式：擺桿油缸啟動(dòng)阻力失效、擺桿連續(xù)運(yùn)動(dòng)失效以及擺桿運(yùn)動(dòng)不到位失效，并分別建立相應(yīng)可靠性模型，進(jìn)行了可靠性計(jì)算；

2)對(duì)可靠性求解分析，擺桿在連續(xù)運(yùn)動(dòng)中發(fā)生卡滯失效可能性很小；存在擺桿油缸啟動(dòng)阻力過大失效和擺桿運(yùn)動(dòng)不到位失效的可能；

3)設(shè)計(jì)擺桿機(jī)構(gòu)時(shí)，在不影響擺桿油缸腔體強(qiáng)度正常使用的前提下，可以通過提高油缸正腔壓力來確保擺桿油缸啟動(dòng)功能正常；此外，須控制擺桿行程、齒輪半徑及擺桿長(zhǎng)度的加工精度，避免出現(xiàn)擺桿運(yùn)動(dòng)不到位失效。通過上述舉措提高擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性。