淺談航天用步進電動機關鍵特性識別和控制

秦倩倩，張 瑗，劉明鑫，田延榮

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

隨著“探月工程”任務的圓滿完成，航天工程愈加舉世矚目。航天工程具有大系統、大協作、技術復雜等特點，且可靠性要求高，耗資巨大，而航天用步進電動機作為航天器的動作執行機構，無疑是型號配套任務的重點關注對象。在航天配套產品研制過程中，有效地識別產品關鍵特性，掌握系統和產品裕度，將主要精力集中于滿足產品關鍵特性的要求是充分可行、且十分必要的，同時也是快速提高產品成熟度的重要途徑之一[1]。

本文主要講述為某型衛星配套的步進電動機，在設計時通過采用失效模式與效應分析(以下簡稱FMEA)來識別產品關鍵特性和重要特性，從而確定關鍵件和重要件，并通過對關鍵件和重要件的采購、工藝、生產、檢驗試驗等過程實施質量控制，來降低產品失效的風險，從而提高產品的可靠性。文中形成幾點初步的認識，供讀者參考。

1 步進電動機產品特點

步進電動機是一種將電脈沖信號轉換為相應角位移的電動機，輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度，是實現電量與機械量之間轉換的重要功能單機產品。其特點是輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比。

為提高步進電動機在航天器上的可靠性，需采用相對簡單的結構形式。步進電機一般由轉子、軸承、定子、引出線和軸承蓋等幾部分組成，其中轉子由轉軸、磁鋼等組成，定子由定子鐵心和繞組等組成，典型結構如圖1所示，該結構的特點是定轉子氣隙較小，結構緊湊，質量輕。

圖1 航天用步進電動機結構圖

2 關鍵重要特性識別和控制

2.1 關鍵重要特性分析和識別

結合航天用步進電動機在某型衛星配套機構的應用環境特點和任務剖面圖，并根據產品的結構特點進行FMEA分析[2]，詳見表1。經分析，如出現故障，將導致整機或系統功能失效的特性應設定為關鍵特性，定轉子氣隙、定子繞組阻值、軸承游隙三項為產品關鍵特性；將導致整機或系統使命任務無法完成的非關鍵特性應設定為重要特性，定轉子齒槽分度為重要特性，詳見表2。

依據上述分析得出的關鍵特性、重要特性，確定關鍵件為軸承，重要件為運動部件的轉子。

表1 航天用步進電動機FMEA

表2 航天用步進電動機關鍵特性

2.2 關鍵件、重要件控制

關鍵件和重要件的質量控制應結合產品特點來制定，形成相應的管理規定，確保管理的一致性，同時還應量化控制，確保質量記錄的可追溯性。

2.2.1 關鍵件控制

軸承作為航天用步進電動機的關鍵件，應該重點控制。首先明確軸承的使用條件和要求，如負載、轉速、安裝及精度、潤滑情況、壽命或可靠度要求、使用環境等，同時需充分考慮軸承的材料；其次與外協單位簽訂技術協議及產品質量保證協議，將航天產品保證要求傳遞給外協單位，設計及工藝人員參加外協供方的設計評審，制定關鍵和強制檢驗點，并要求外協供方提供產品數據包；最后根據要求下廠監造，進行強制檢驗點現場監測，參加交付驗收試驗、審查產品數據包，組織產品質量評審工作。

2.2.2 重要件控制

步進電動機的運動部件轉子作為重要件控制，需從以下幾方面進行：在設計圖紙上明確標明轉子為重要件，并作出重要件標識；形成經過工藝和質量部門共同會簽重要特性(件)明細表，詳如表3所示；重要件所使用的原材料必須選擇合格供方名單內的供方定點采購，并進行相應的驗證，如需要材料代用必須進行嚴格的審批；對于重要件需依據產品的成熟程度，列入產品的首件鑒定目錄，以確保產品的質量和可靠性；涉及重要件轉子的外圓尺寸不合格的讓步接收審理，需經用戶方同意。

2.3 關鍵工序設定和控制

根據QJ 2664-94《關鍵工序質量控制》[3]中的規定，在重要件上形成重要特性的工序應設置為關鍵工序，故設置航天用步進電動機的轉子外圓鐵心尺寸的精磨為關鍵工序。

表3 航天用步進電動機重要特性(件)明細表

關鍵工序工藝設置“工序控制點明細表”，并且編制“工序控制點操作指導卡”和“工序控制點檢驗指導卡”，按定人員崗位、定加工設備和定工藝方法的“三定管理”原則進行控制；轉子外圓鐵心尺寸進行全數測量并記錄實測值，當數據累計到一定數量時設置關鍵工序合格率指標，采用成功包絡線的方式進行控制，確保關鍵工序參數控制的一致性。

2.4 其他控制要求

2.4.1 技術狀態控制

航天用步進電動機的關鍵件和重要件應實施全壽命周期的技術狀態管理，并根據各階段的特點和要求，開展技術狀態管理工作，并建立技術狀態紀實。當產品的關鍵特性、重要特性需要更改時，必須進行系統性分析、充分論證和驗證，并提高審批等級，同時提交用戶方同意。

2.4.2 多余物控制[4]

多余物控制是航天配套產品的關鍵，航天用步進電動機關鍵件軸承必須在技術要求和質量保證協議中，明確軸承的研制生產過程必須嚴格執行多余物的防控措施，在驗收時需進行轉動靈活性和異常聲音的確認；裝配前各零部件需進行有效清洗和清理，并在凈化間的凈化操作臺進行，記錄軸承拆裝次數。重要件轉子使用的磁鋼具有較強的吸附性，易吸附金屬細屑，故在加工、試驗、轉運過程中必須加強防護，進行單獨或隔離存放。

2.4.3 周轉防護控制

關鍵件和重要件在周轉、儲存的過程中，必須采取有效的防護措施，防止磕碰、劃傷、擠壓變形、淋雨銹蝕等，運輸器具上應做出明確的關鍵件、重要件標識；存放場所應滿足其技術條件及溫濕度、潔凈度等的要求。

2.4.4 質量記錄控制

航天用步進電動機關鍵件和重要件的相關質量記錄需納入航天產品數據包交付用戶，質量記錄包括關鍵件和重要件的原材料采購和驗證、生產加工、檢驗試驗、加工及貯存場所環境條件、不合格品審理情況等，確保其具有可追溯性。

3 結 語

隨著我國逐步邁入航天強國的行列，航天器的發射數量將會越來越多，步進電動機在航天領域的應用必將越來越廣泛。在產品設計時通過FMEA來識別產品關鍵特性和重要特性，確定關鍵件和重要件，并在生產全流程中實施質量控制，將有效降低電機因關重特性識別、控制不到位造成的失效風險，提高產品可靠性，為航天型號配套任務提供有力保障。