下支撐鎖緊裝置工作可靠性敏感因素分析與驗(yàn)證

提亞峰，季寶鋒，石玉紅，楊 柳，張建國

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 北京航空航天大學(xué)，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(duì)安全，因此總體可靠性、飛行安全性是載人火箭的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，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(fā)生概率最大區(qū)段之一是上升段[1]。逃逸系統(tǒng)是為解決載人運(yùn)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(wù)是當(dāng)運(yùn)載火箭拋整流罩前發(fā)生重大危險(xiǎn)，威脅到航天員的生命安全時(shí)，負(fù)責(zé)使航天員脫離危險(xiǎn)區(qū)，并為航天員的返回著陸提供必要條件。

逃逸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由上半部整流罩、柵格翼及其釋放機(jī)構(gòu)、上下支撐機(jī)構(gòu)等組成。上下支撐機(jī)構(gòu)的主要功能是：一旦火箭出現(xiàn)應(yīng)急故障需要逃逸救生時(shí)，上下支撐機(jī)構(gòu)上的火工作動(dòng)筒接到發(fā)火信號(hào)點(diǎn)火動(dòng)作后，迅速將機(jī)構(gòu)與飛船的可移動(dòng)支點(diǎn)鎖死，以實(shí)現(xiàn)逃逸系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(jī)構(gòu)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(nèi)鎖緊裝置的活動(dòng)間隙實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鎖緊裝置的設(shè)計(jì)是技術(shù)關(guān)鍵。根據(jù)逃逸載荷工況可知，單個(gè)下支撐機(jī)構(gòu)整質(zhì)重量要求小于90 kg；在最大橫向過載工況時(shí)，曲梁后接頭鎖緊裝置必須承受450 kN的載荷，剩余強(qiáng)度系數(shù)大于1.1（安全系數(shù)1.5）；并且鎖緊裝置鎖緊后，工作方向受載450 kN載荷時(shí)位移小于3 mm；鎖緊可靠性指標(biāo)不低于 0.9999。這要求鎖緊裝置有很高的強(qiáng)度、剛度和鎖緊可靠性[2]。

由于鎖緊裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響鎖緊性能的因素很多，為保證下支撐機(jī)構(gòu)的工作可靠性，進(jìn)行了大量的分析和驗(yàn)證工作。根據(jù)鎖緊裝置摩擦學(xué)理論建模、有限元分析及機(jī)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析，得到了鎖緊裝置預(yù)位移變化的趨勢和摩擦力與預(yù)位移之間的關(guān)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(shù)[3]。然而，如何得到鎖緊裝置工作可靠性敏感因素、如何優(yōu)化參數(shù)和如何應(yīng)用成為工程實(shí)踐的難題。

1 鎖緊裝置可靠性仿真分析

1.1 可靠度計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[3]理論模型基礎(chǔ)選取隨機(jī)變量，確定屈服極限、凸峰數(shù)目、剪切強(qiáng)度、犁溝深度、犁溝半角以及承受載荷作為分析隨機(jī)變量。參數(shù)平均值根據(jù)工程實(shí)際原材料、幾何尺寸等確定，隨機(jī)變量的選擇和統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)的選擇見表1。功能函數(shù)屬于顯式函數(shù)，選用不同可靠度計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表1 隨機(jī)變量選取Tab.1 Random Variable Selection

表2 可靠度計(jì)算結(jié)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(jié)果作為可靠度計(jì)算準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)，鎖緊力不足的可靠度的計(jì)算結(jié)果為0.87，可靠度無法達(dá)到產(chǎn)品使用要求，需要對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高裝置的可靠度。

1.2 參數(shù)重要度分析

將功能函數(shù)帶入可靠性分析優(yōu)化軟件ARES進(jìn)行顯式的功能函數(shù)可靠度分析計(jì)算，直觀地輸出參數(shù)的重要度水平。參數(shù)的重要度因子為參數(shù)變換后空間中設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)的方向余弦，因子表征了變量對(duì)于失效概率的貢獻(xiàn)的相對(duì)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(gè)重要因素，而屈服強(qiáng)度、表面峰點(diǎn)數(shù)對(duì)于鎖緊裝置可靠度的影響相對(duì)較小，驗(yàn)證了犁溝效應(yīng)[4]產(chǎn)生的摩擦力是鎖緊裝置鎖緊力的主要來源。

1.3 參數(shù)靈敏度分析

將功能函數(shù)帶入ARES進(jìn)行顯式的功能函數(shù)可靠度分析計(jì)算，直觀地輸出參數(shù)的靈敏度水平。參數(shù)靈敏度反映對(duì)于輸入?yún)?shù)變化對(duì)于失效概率的影響程度，參數(shù)靈敏度結(jié)果如圖1所示。

圖1 參數(shù)靈敏度結(jié)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(duì)可靠性影響最大的變量，表面的峰點(diǎn)數(shù)以及材料的屈服極限的增加對(duì)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(shù)優(yōu)化

可靠性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于3個(gè)方面：a）隨機(jī)變量的選擇及其統(tǒng)計(jì)參數(shù)；b）鎖緊裝置摩擦力數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性；c）可靠度仿真算法的準(zhǔn)確性。鎖緊裝置的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)經(jīng)典的犁溝模型和粘著磨損的機(jī)理建立，并且得到了仿真分析的驗(yàn)證（詳見文獻(xiàn)[3]），理論上講比較精確，所以在可靠性增長優(yōu)化過程中，主要考慮隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)值的設(shè)計(jì)改進(jìn)和可靠度仿真算法的選擇。

對(duì)于系統(tǒng)可靠度影響比較大的是犁溝半角和犁溝深度兩個(gè)隨機(jī)變量。犁溝半角主要同摩擦片加工方式的選取有關(guān)，因此，需要選擇適當(dāng)?shù)募庸し绞剑瑏砜刂拼植诜灏虢牵M(jìn)而控制犁溝半角。犁溝半角減小，犁溝效應(yīng)產(chǎn)生的摩擦力就會(huì)降低，粘著產(chǎn)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(guān)，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(jì)算結(jié)果為 0.87，需要對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高裝置的可靠度。在失效功能函數(shù)不變的情況下，調(diào)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(gè)參數(shù)的值。主要是考慮這兩個(gè)參數(shù)的離散性，得到系統(tǒng)新的可靠度。

通過改進(jìn)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(tǒng)的可靠度得到很大的提高，從0.87達(dá)到0.93左右。繼續(xù)優(yōu)化參數(shù)的離散性，調(diào)整參數(shù)的變異系數(shù)或者調(diào)整犁溝半角的角度，可得到可靠度的進(jìn)一步提升最終達(dá)到0.999 98，優(yōu)化后的隨機(jī)變量參數(shù)如表3所示，可靠性計(jì)算結(jié)果見表4，參數(shù)敏感度如圖2所示。

表3 隨機(jī)變量選取Tab.3 Random Variable Selection

表4 參數(shù)優(yōu)化后的可靠度計(jì)算結(jié)果Tab.4 Reliability Calculation Results of the Parameters Optimization

圖2 優(yōu)化后的參數(shù)的靈敏度Fig.2 Parameter Sensitivity Optimization Results

2 可靠性優(yōu)化參數(shù)對(duì)應(yīng)工程實(shí)踐敏感因素

通過使用ARES軟件進(jìn)行的可靠度計(jì)算以及參數(shù)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(shù)。通過以上分析，對(duì)于鎖緊裝置鎖緊力不足以及預(yù)位移過大這一嚴(yán)重故障，影響其工作可靠性的參數(shù)有：犁溝深度、犁溝半角、材料屈服極限、承受載荷、凸峰數(shù)等，在基礎(chǔ)參數(shù)已確定的條件下，對(duì)應(yīng)工程實(shí)踐中影響可靠性參數(shù)的敏感因素及分析如下：

a）材料表面質(zhì)量。特別應(yīng)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(huì)大大削弱摩擦力。具有表面氧化膜的摩擦副摩擦滑動(dòng)時(shí)，粘著點(diǎn)的剪切發(fā)生在膜內(nèi)，其剪切強(qiáng)度較低。又由于表面膜很薄，實(shí)際接觸面積則由材料受壓屈服極限來決定，實(shí)際接觸面積又不大，所以薄的表面膜會(huì)降低摩擦系數(shù)。

b）摩擦組件正壓力。加大摩擦組件正壓力會(huì)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(shù)增大，摩擦力也相應(yīng)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(duì)于模型的可靠性影響顯著。當(dāng)犁溝半角較大時(shí)，犁溝項(xiàng)對(duì)于整個(gè)摩擦的貢獻(xiàn)是很小的，對(duì)于大多數(shù)切削加工的表面，粗糙峰的 θ角較大，犁溝項(xiàng)就可以忽略，然而當(dāng) θ角較小時(shí)，犁溝項(xiàng)將為不可忽視的因素。

d）承受外載荷大小和施加時(shí)間。摩擦力預(yù)位移與外載的加載時(shí)間存在一定的關(guān)系，而且預(yù)位移與摩擦系數(shù)之間也存在一定的關(guān)系。初始階段，摩擦片預(yù)位移與摩擦系數(shù)同步增長，但當(dāng)摩擦系數(shù)增長到一定程度時(shí)，就不再變化，而預(yù)位移發(fā)生突增。故為避免預(yù)位移的突增，應(yīng)在摩擦系數(shù)達(dá)到一定時(shí)，外載荷的值應(yīng)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 鎖緊裝置可靠性增長試驗(yàn)驗(yàn)證

可靠性試驗(yàn)一般分為可靠性增長試驗(yàn)和可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)兩類。可靠性增長試驗(yàn)的目的和過程是：通過試驗(yàn)，暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)（問題）→分析問題→采取改進(jìn)措施→通過試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性→使產(chǎn)品固有可靠性增長[5]。根據(jù)下支撐機(jī)構(gòu)鎖緊裝置可靠性仿真分析的結(jié)果及可靠性優(yōu)化參數(shù)對(duì)應(yīng)工程實(shí)踐因素，進(jìn)行可靠性增長試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，明確試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)件狀態(tài)、試驗(yàn)件數(shù)量及試驗(yàn)方法。特別是按照優(yōu)化措施對(duì)試驗(yàn)件配套的摩擦結(jié)構(gòu)材料、加工精度、表面質(zhì)量等做了嚴(yán)格要求。

3.1 鎖緊裝置可靠性增長試驗(yàn)方案

根據(jù)下支撐機(jī)構(gòu)鎖緊裝置可靠性仿真分析的結(jié)果及優(yōu)化措施，可靠性增長試驗(yàn)主要研究的影響因素為摩擦結(jié)構(gòu)材料狀態(tài)和增加摩擦結(jié)構(gòu)支撐剛度兩方面。同時(shí)要求嚴(yán)格控制摩擦結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量，確保摩擦結(jié)構(gòu)的粗糙度、平面度、平行度滿足要求，為保證摩擦結(jié)構(gòu)平面度精度，特別對(duì)加工過程、產(chǎn)品測量過程、產(chǎn)品存放狀態(tài)等做嚴(yán)格要求；對(duì)材料狀態(tài)明確規(guī)定。試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目確定為摩擦結(jié)構(gòu)正位加載，如圖3所示，試驗(yàn)件數(shù)量為19件。

圖3 鎖緊裝置可靠性增長試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

從可靠性增長試驗(yàn)件各件產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果看，鎖緊裝置的性能穩(wěn)定，均能滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)證了可靠性仿真分析結(jié)果的正確性及參數(shù)優(yōu)化的合理性，各次試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 可靠性增長試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Reliability Growth Test Results

與以往鎖緊裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大相比，可靠性增長試驗(yàn)結(jié)果表明鎖緊裝置的性能明顯趨于穩(wěn)定。優(yōu)化前的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前鎖緊裝置試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test Results of Pre-optimized Locking Apparatus

3.3 鎖緊裝置可靠性增長試驗(yàn)成果工程應(yīng)用

根據(jù)對(duì)鎖緊裝置可靠性仿真分析及可靠性增長試驗(yàn)的成果，在配套產(chǎn)品及驗(yàn)收產(chǎn)品生產(chǎn)過程中采取了如下措施：a）明確材料訂貨狀態(tài)；b）對(duì)摩擦片的粗糙度、平面度、平行度加嚴(yán)控制，測量應(yīng)在摩擦片自由狀態(tài)下進(jìn)行；c）產(chǎn)品存放、裝配過程中應(yīng)防止陽極化膜被破壞；d）裝配、試驗(yàn)過程中嚴(yán)格控制多余物進(jìn)入鎖緊裝置內(nèi)部。

按上述優(yōu)化措施生產(chǎn)的產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)均一次性通過，產(chǎn)品性能良好，產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 鎖緊裝置驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test Results for Locking Apparatus

4 結(jié) 論

采用可靠性仿真分析方法，對(duì)下支撐機(jī)構(gòu)鎖緊裝置進(jìn)行了全面的可靠性研究，提出了多項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，成功應(yīng)用到可靠性增長試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)中，提高了產(chǎn)品可靠性，達(dá)到了預(yù)期的研究目的。主要結(jié)論如下：

a）利用ARES軟件進(jìn)行可靠度的計(jì)算以及參數(shù)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(shù)，并通過優(yōu)化犁溝半角和犁溝深度兩個(gè)隨機(jī)變量，使鎖緊裝置可靠度提高到設(shè)計(jì)要求。

b）通過仿真分析和優(yōu)化，對(duì)鎖緊裝置鎖緊力不足及預(yù)位移過大這一影響工作可靠性的最嚴(yán)重故障，得到其影響參數(shù)有犁溝深度、犁溝半角、材料屈服極限、承受載荷、凸峰數(shù)等，得到對(duì)應(yīng)的工程實(shí)踐影響可靠性參數(shù)的因素有材料表面質(zhì)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(shí)間等，并提出了多項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)措施。

c）在鎖緊裝置影響可靠性因素嚴(yán)格控制基礎(chǔ)上，通過可靠性增長試驗(yàn)，驗(yàn)證了鎖緊裝置優(yōu)化改進(jìn)措施的有效性，降低了鎖緊性能的離散性，提高了產(chǎn)品的可靠性，指導(dǎo)工程實(shí)踐。