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，威脅到航天員的生命安全時，負(fù)責(zé)使航天員脫離危險區(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，上下支撐機(jī)構(gòu)上的火工作動筒接到發(fā)火信號點(diǎn)火動作后，迅速將機(jī)構(gòu)與飛船的可移動支點(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)鎖緊裝置的活動間隙實(shí)現(xiàn)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(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，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，因子表征了變量對于失效概率的貢獻(xiàn)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(qiáng)度、表面峰點(diǎn)數(shù)對于鎖緊裝置可靠度的影響相對較小，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)靈敏度反映對于輸入?yún)?shù)變化對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?，來控制粗糙峰半角，進(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兩個參數(shù)的值。主要是考慮這兩個參數(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(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，犁溝半角對于模型的可靠性影響顯著。當(dāng)犁溝半角較大時，犁溝項(xiàng)對于整個摩擦的貢獻(xiàn)是很小的，對于大多數(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，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間。摩擦力預(yù)位移與外載的加載時間存在一定的關(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，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，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?？煽啃栽鲩L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。