下支撐鎖緊裝置工作可靠性敏感因素分析與驗證

提亞峰，季寶鋒，石玉紅，楊 柳，張建國

（1. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076；2. 北京航空航天大學，北京，100191）

0 引 言

載人航天的最基本要求就是確保宇航員的絕對安全，因此總體可靠性、飛行安全性是載人火箭的主要設計參數，在完成載人航天飛行的上升段、軌道飛行段、返回段中，惡性事故發生概率最大區段之一是上升段[1]。逃逸系統是為解決載人運載火箭上升段飛行過程中航天員的安全問題而采取的主要措施之一，其主要任務是當運載火箭拋整流罩前發生重大危險，威脅到航天員的生命安全時，負責使航天員脫離危險區，并為航天員的返回著陸提供必要條件。

逃逸系統的結構由上半部整流罩、柵格翼及其釋放機構、上下支撐機構等組成。上下支撐機構的主要功能是：一旦火箭出現應急故障需要逃逸救生時，上下支撐機構上的火工作動筒接到發火信號點火動作后，迅速將機構與飛船的可移動支點鎖死，以實現逃逸系統外殼體與飛船返回艙及軌道艙間的剛性連接，這種剛性連接是實現逃逸救生的必要保證條件[2]。而火箭正常飛行期間，下支撐機構依靠彈性壓力，使曲梁的前、后接頭緊靠飛船船體，通過接頭內鎖緊裝置的活動間隙實現對飛船的彈性支承，限制飛船在飛行中的橫向位移和橫向過載。

在下支撐機構設計中，鎖緊裝置的設計是技術關鍵。根據逃逸載荷工況可知，單個下支撐機構整質重量要求小于90 kg；在最大橫向過載工況時，曲梁后接頭鎖緊裝置必須承受450 kN的載荷，剩余強度系數大于1.1（安全系數1.5）；并且鎖緊裝置鎖緊后，工作方向受載450 kN載荷時位移小于3 mm；鎖緊可靠性指標不低于 0.9999。這要求鎖緊裝置有很高的強度、剛度和鎖緊可靠性[2]。

由于鎖緊裝置結構復雜，影響鎖緊性能的因素很多，為保證下支撐機構的工作可靠性，進行了大量的分析和驗證工作。根據鎖緊裝置摩擦學理論建模、有限元分析及機構系統可靠性分析，得到了鎖緊裝置預位移變化的趨勢和摩擦力與預位移之間的關系；得到了犁溝半角、犁溝深度等影響裝置鎖緊可靠性的重要參數[3]。然而，如何得到鎖緊裝置工作可靠性敏感因素、如何優化參數和如何應用成為工程實踐的難題。

1 鎖緊裝置可靠性仿真分析

1.1 可靠度計算

根據文獻[3]理論模型基礎選取隨機變量，確定屈服極限、凸峰數目、剪切強度、犁溝深度、犁溝半角以及承受載荷作為分析隨機變量。參數平均值根據工程實際原材料、幾何尺寸等確定，隨機變量的選擇和統計特性參數的選擇見表1。功能函數屬于顯式函數，選用不同可靠度計算方法進行計算，結果如表2所示。

表1 隨機變量選取Tab.1 Random Variable Selection

表2 可靠度計算結果Tab.2 Reliability Calculation Results

工程上常使用蒙特卡羅方法抽樣1 000 000次的結果作為可靠度計算準確度的標準，鎖緊力不足的可靠度的計算結果為0.87，可靠度無法達到產品使用要求，需要對于關鍵參數進行設計改進，提高裝置的可靠度。

1.2 參數重要度分析

將功能函數帶入可靠性分析優化軟件ARES進行顯式的功能函數可靠度分析計算，直觀地輸出參數的重要度水平。參數的重要度因子為參數變換后空間中設計驗算點的方向余弦，因子表征了變量對于失效概率的貢獻的相對重要度。

得到犁溝的深度h和犁溝半角θ是影響可靠度的兩個重要因素，而屈服強度、表面峰點數對于鎖緊裝置可靠度的影響相對較小，驗證了犁溝效應[4]產生的摩擦力是鎖緊裝置鎖緊力的主要來源。

1.3 參數靈敏度分析

將功能函數帶入ARES進行顯式的功能函數可靠度分析計算，直觀地輸出參數的靈敏度水平。參數靈敏度反映對于輸入參數變化對于失效概率的影響程度，參數靈敏度結果如圖1所示。

圖1 參數靈敏度結果Fig.1 Parameter Sensitivity Results

從圖1中可以明顯看出犁溝深度以及犁溝半角還是對可靠性影響最大的變量，表面的峰點數以及材料的屈服極限的增加對于可靠度的提高是正向的，而承受載荷能力的變化與可靠度的變化相反。

1.4 影響可靠性的參數優化

可靠性分析結果的準確性取決于3個方面：a）隨機變量的選擇及其統計參數；b）鎖緊裝置摩擦力數學模型的準確性；c）可靠度仿真算法的準確性。鎖緊裝置的數學模型是根據經典的犁溝模型和粘著磨損的機理建立，并且得到了仿真分析的驗證（詳見文獻[3]），理論上講比較精確，所以在可靠性增長優化過程中，主要考慮隨機變量的統計參數值的設計改進和可靠度仿真算法的選擇。

對于系統可靠度影響比較大的是犁溝半角和犁溝深度兩個隨機變量。犁溝半角主要同摩擦片加工方式的選取有關，因此，需要選擇適當的加工方式，來控制粗糙峰半角，進而控制犁溝半角。犁溝半角減小，犁溝效應產生的摩擦力就會降低，粘著產生摩擦力的影響將占摩擦力的大部分；犁溝深度主要是和正壓力有關，因此可以通過加大正壓力，控制犁溝半角來提高鎖緊裝置可靠度。

上文鎖緊裝置的可靠度計算結果為 0.87，需要對關鍵參數進行設計改進，提高裝置的可靠度。在失效功能函數不變的情況下，調整重要度和靈敏度較大的犁溝的深度h和犁溝半角θ兩個參數的值。主要是考慮這兩個參數的離散性，得到系統新的可靠度。

通過改進犁溝深度和犁溝半角，即增加表面正壓力或控制摩擦片表面粗糙度，可以使系統的可靠度得到很大的提高，從0.87達到0.93左右。繼續優化參數的離散性，調整參數的變異系數或者調整犁溝半角的角度，可得到可靠度的進一步提升最終達到0.999 98，優化后的隨機變量參數如表3所示，可靠性計算結果見表4，參數敏感度如圖2所示。

表3 隨機變量選取Tab.3 Random Variable Selection

表4 參數優化后的可靠度計算結果Tab.4 Reliability Calculation Results of the Parameters Optimization

圖2 優化后的參數的靈敏度Fig.2 Parameter Sensitivity Optimization Results

2 可靠性優化參數對應工程實踐敏感因素

通過使用ARES軟件進行的可靠度計算以及參數重要度、靈敏度分析，得到了犁溝半角、犁溝深度等影響裝置鎖緊的重要參數。通過以上分析，對于鎖緊裝置鎖緊力不足以及預位移過大這一嚴重故障，影響其工作可靠性的參數有：犁溝深度、犁溝半角、材料屈服極限、承受載荷、凸峰數等，在基礎參數已確定的條件下，對應工程實踐中影響可靠性參數的敏感因素及分析如下：

a）材料表面質量。特別應注意材料表面處理情況，防止材料表面氧化，氧化膜的形成會大大削弱摩擦力。具有表面氧化膜的摩擦副摩擦滑動時，粘著點的剪切發生在膜內，其剪切強度較低。又由于表面膜很薄，實際接觸面積則由材料受壓屈服極限來決定，實際接觸面積又不大，所以薄的表面膜會降低摩擦系數。

b）摩擦組件正壓力。加大摩擦組件正壓力會增大硬峰嵌入深度h以及增大犁溝寬度d，增大相互嵌入和塑性變形的程度，從而使靜摩擦系數增大，摩擦力也相應增加。

c）零件加工精度。包括提高零件的加工精度、零件表面粗糙度等，并需控制接觸表面的犁溝半角，犁溝半角對于模型的可靠性影響顯著。當犁溝半角較大時，犁溝項對于整個摩擦的貢獻是很小的，對于大多數切削加工的表面，粗糙峰的 θ角較大，犁溝項就可以忽略，然而當 θ角較小時，犁溝項將為不可忽視的因素。

d）承受外載荷大小和施加時間。摩擦力預位移與外載的加載時間存在一定的關系，而且預位移與摩擦系數之間也存在一定的關系。初始階段，摩擦片預位移與摩擦系數同步增長，但當摩擦系數增長到一定程度時，就不再變化，而預位移發生突增。故為避免預位移的突增，應在摩擦系數達到一定時，外載荷的值應已達到穩定狀態。

3 鎖緊裝置可靠性增長試驗驗證

可靠性試驗一般分為可靠性增長試驗和可靠性驗證試驗兩類。可靠性增長試驗的目的和過程是：通過試驗，暴露產品的薄弱環節（問題）→分析問題→采取改進措施→通過試驗驗證改進措施的有效性→使產品固有可靠性增長[5]。根據下支撐機構鎖緊裝置可靠性仿真分析的結果及可靠性優化參數對應工程實踐因素，進行可靠性增長試驗的設計，明確試驗項目、試驗件狀態、試驗件數量及試驗方法。特別是按照優化措施對試驗件配套的摩擦結構材料、加工精度、表面質量等做了嚴格要求。

3.1 鎖緊裝置可靠性增長試驗方案

根據下支撐機構鎖緊裝置可靠性仿真分析的結果及優化措施，可靠性增長試驗主要研究的影響因素為摩擦結構材料狀態和增加摩擦結構支撐剛度兩方面。同時要求嚴格控制摩擦結構加工質量，確保摩擦結構的粗糙度、平面度、平行度滿足要求，為保證摩擦結構平面度精度，特別對加工過程、產品測量過程、產品存放狀態等做嚴格要求；對材料狀態明確規定。試驗驗證項目確定為摩擦結構正位加載，如圖3所示，試驗件數量為19件。

圖3 鎖緊裝置可靠性增長試驗方案Fig.3 Test Plan for Reliability Growth of the Locking Apparatus

3.2 鎖緊裝置可靠性增長試驗結果

從可靠性增長試驗件各件產品的試驗結果看，鎖緊裝置的性能穩定，均能滿足設計要求。驗證了可靠性仿真分析結果的正確性及參數優化的合理性，各次試驗結果如圖4所示。

圖4 可靠性增長試驗結果Fig.4 Reliability Growth Test Results

與以往鎖緊裝置的試驗數據離散性較大相比，可靠性增長試驗結果表明鎖緊裝置的性能明顯趨于穩定。優化前的試驗結果如圖5所示。

圖5 優化前鎖緊裝置試驗結果Fig.5 Test Results of Pre-optimized Locking Apparatus

3.3 鎖緊裝置可靠性增長試驗成果工程應用

根據對鎖緊裝置可靠性仿真分析及可靠性增長試驗的成果，在配套產品及驗收產品生產過程中采取了如下措施：a）明確材料訂貨狀態；b）對摩擦片的粗糙度、平面度、平行度加嚴控制，測量應在摩擦片自由狀態下進行；c）產品存放、裝配過程中應防止陽極化膜被破壞；d）裝配、試驗過程中嚴格控制多余物進入鎖緊裝置內部。

按上述優化措施生產的產品驗收試驗均一次性通過，產品性能良好，產品驗收試驗結果如圖6所示。

圖6 鎖緊裝置驗收試驗結果Fig.6 Test Results for Locking Apparatus

4 結 論

采用可靠性仿真分析方法，對下支撐機構鎖緊裝置進行了全面的可靠性研究，提出了多項設計優化措施，成功應用到可靠性增長試驗及飛行試驗中，提高了產品可靠性，達到了預期的研究目的。主要結論如下：

a）利用ARES軟件進行可靠度的計算以及參數靈敏度分析，得到了犁溝半角、犁溝深度等影響裝置鎖緊可靠性的重要參數，并通過優化犁溝半角和犁溝深度兩個隨機變量，使鎖緊裝置可靠度提高到設計要求。

b）通過仿真分析和優化，對鎖緊裝置鎖緊力不足及預位移過大這一影響工作可靠性的最嚴重故障，得到其影響參數有犁溝深度、犁溝半角、材料屈服極限、承受載荷、凸峰數等，得到對應的工程實踐影響可靠性參數的因素有材料表面質量、摩擦組件正壓力、零件加工精度、承受外載荷大小和施加時間等，并提出了多項設計優化改進措施。

c）在鎖緊裝置影響可靠性因素嚴格控制基礎上，通過可靠性增長試驗，驗證了鎖緊裝置優化改進措施的有效性，降低了鎖緊性能的離散性，提高了產品的可靠性，指導工程實踐。