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        某星載二次電源耳片損傷原因分析及改進(jìn)措施

        2022-10-15 15:54:12謝小龍王克成段立軍周斌魏東棟
        現(xiàn)代信息科技 2022年15期
        關(guān)鍵詞:耳片摩擦力工裝

        謝小龍,王克成,段立軍,周斌,魏東棟

        (蘭州空間技術(shù)物理研究所,甘肅 蘭州 730000)

        0 引 言

        在運(yùn)載火箭發(fā)射及升空的階段,受到火箭脈動推力和空氣紊流邊界層的影響,衛(wèi)星平臺受到?jīng)_擊及振動載荷作用。為了驗(yàn)證星載設(shè)備的抗力學(xué)性能,需對星載設(shè)備進(jìn)行抗力學(xué)試驗(yàn),保證設(shè)備在發(fā)射及升空階段的可靠性與安全性。

        星載二次電源主要通過耳片固定在衛(wèi)星艙板上,耳片設(shè)計(jì)對受到力學(xué)載荷作用時設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。某型號星載產(chǎn)品在地面進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)時,發(fā)生了耳片安裝孔損傷,本文通過損傷分析,確定了損傷發(fā)生的原因,提出了避免耳片損傷的措施,并進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證,確保產(chǎn)品耳片設(shè)計(jì)可靠。

        1 問題回顧

        力學(xué)試驗(yàn)前,設(shè)計(jì)加工了專門的力學(xué)試驗(yàn)工裝,并在工裝上設(shè)計(jì)了固定產(chǎn)品的4個M5螺紋孔。力學(xué)試驗(yàn)時先用M12六角螺釘將試驗(yàn)工裝固定在力學(xué)試驗(yàn)臺上,再用4個M5內(nèi)六角圓柱頭螺釘將產(chǎn)品固定在試驗(yàn)工裝上。試驗(yàn)過程中,通過調(diào)整試驗(yàn)工裝的安裝方向調(diào)整產(chǎn)品的試驗(yàn)方向。沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)條件如表1所示。

        表1 沖擊試驗(yàn)條件

        沖擊試驗(yàn)要求如下:(1)沖擊試驗(yàn)前后應(yīng)進(jìn)行性能測試;(2)沖擊控制點(diǎn)選在沖擊臺面上;(3)控制點(diǎn)及鑒定試驗(yàn)組件上均要進(jìn)行響應(yīng)測量,并需給出時間歷程曲線,并處理成沖擊響應(yīng)譜(=10);(4)試驗(yàn)持續(xù)時間不大于20 ms;(5)為使組件不至于在沖擊試驗(yàn)中超載,在振動臺上做時應(yīng)注意在逐級加量中使最終達(dá)到的沖擊譜值控制公差的范圍內(nèi);在機(jī)械擺式?jīng)_擊臺上做時應(yīng)先用與試驗(yàn)組件質(zhì)量相近的配重先進(jìn)行調(diào)臺,滿足試驗(yàn)條件要求后才正式進(jìn)行試驗(yàn);(6)控制譜值要求,沖擊響應(yīng)譜值應(yīng)在試驗(yàn)容差要求范圍內(nèi),并至少有50%響應(yīng)值大于試驗(yàn)規(guī)定值。

        試驗(yàn)人員在各項(xiàng)試驗(yàn)開始前及同方向三次沖擊試驗(yàn)間檢查了耳片安裝螺釘?shù)木o固力矩,所有力學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目完成后再次檢測了電源箱電性能參數(shù)。結(jié)果標(biāo)明,力學(xué)試驗(yàn)后所有電性能參數(shù)均正常。

        力學(xué)試驗(yàn)完成后,對產(chǎn)品的外形尺寸及安裝接口進(jìn)行了檢查,發(fā)現(xiàn)四個安裝耳片安裝孔均發(fā)生了損傷,安裝孔內(nèi)側(cè)壁有壓痕,安裝孔直徑外擴(kuò),安裝耳外側(cè)中間部分外凸。安裝面平面度及其他外形尺寸均與試驗(yàn)前保持一致。耳片損傷照片如圖1所示。

        圖1 耳片損傷情況

        2 損傷原因分析

        故障發(fā)生后,設(shè)計(jì)人員以沖擊試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)耳片損傷為頂事件進(jìn)行分析,梳理導(dǎo)致耳片損傷的可能事件,得出如圖2所示的故障樹。

        X1事件:結(jié)構(gòu)材料選擇不當(dāng)。二次電源箱結(jié)構(gòu)件選用2A12-H112鋁合金,該材料強(qiáng)度高、重量輕、易加工、不易變形,在航天器材料選用目錄內(nèi),并已在多種型號上使用。因此電源箱結(jié)構(gòu)材料選用滿足要求。X1事件可以排除;

        X2事件:耳片外形尺寸不合理。將產(chǎn)品安裝接口與衛(wèi)星設(shè)計(jì)與建造規(guī)范進(jìn)行了比對,耳片設(shè)計(jì)與規(guī)范一致,耳片外形尺寸設(shè)計(jì)是合理的。X2事件可以排除;

        X3事件:耳片數(shù)量偏少。產(chǎn)品受到?jīng)_擊時,受耳片上下端的摩擦力與螺釘對安裝孔內(nèi)側(cè)壁的擠壓力共同作用。設(shè)計(jì)階段的沖擊校核計(jì)算認(rèn)為4個螺釘緊固時產(chǎn)品受到的摩擦力大于沖擊力,4個安裝點(diǎn)足夠在1 000 g沖擊下緊固產(chǎn)品。沖擊試驗(yàn)表明4個螺釘緊固時,產(chǎn)品受到的摩擦力小于沖擊力,螺釘對安裝孔內(nèi)側(cè)壁產(chǎn)生了擠壓力,擠壓應(yīng)力超過鋁合金的抗拉強(qiáng)度,造成安裝孔壁損傷。X3事件不可以排除。

        X4事件:產(chǎn)品超差。對產(chǎn)品整機(jī)裝配后的質(zhì)量進(jìn)行了測量,為12 kg,滿足設(shè)計(jì)要求。X4事件可以排除。

        X5事件:結(jié)構(gòu)件材料不合格。復(fù)查了該批次結(jié)構(gòu)件加工材料的金屬材料復(fù)驗(yàn)資料,材料的理化性能均符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求,產(chǎn)品使用的材料合格,X5事件可以排除。

        X6事件:試驗(yàn)加載過量級。對加載圖譜進(jìn)行了檢查,輸入量級均在規(guī)定的容差范圍內(nèi),符合試驗(yàn)要求。對過程記錄進(jìn)行檢查,各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)的加載量級均符合試驗(yàn)大綱要求,不存在試驗(yàn)加載過量級的情況,X6事件可以排除。

        X7事件:試驗(yàn)設(shè)備故障。檢查了試驗(yàn)設(shè)備檢測(周檢)報(bào)告,產(chǎn)品進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)時,使用的試驗(yàn)臺狀態(tài)、傳感器精度均滿足要求,檢測有效性截止時間分別是2022年4月15日與2022年6月5日??梢耘懦囼?yàn)設(shè)備故障導(dǎo)致電源箱耳片變形的可能。X7事件可以排除。

        X8事件:緊固失效。試驗(yàn)時螺釘擰緊力矩如果達(dá)不到要求,會導(dǎo)致耳片和試驗(yàn)工裝之間的摩擦力不足,產(chǎn)品不能有效緊固,過載時產(chǎn)品與工裝連接面發(fā)生竄動,使安裝耳片和緊固螺釘發(fā)生碰撞,有可能導(dǎo)致耳片發(fā)生變形。對試驗(yàn)過程記錄進(jìn)行了檢查,在各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn)前均用規(guī)定的力矩對4個內(nèi)六角圓柱頭螺釘進(jìn)行了緊固,力矩扳手經(jīng)檢定合格,并在周檢期內(nèi)。不存在螺釘未按要求力矩?cái)Q緊的情況。X8事件可以排除;

        圖2 耳片損傷故障樹

        3 機(jī)理分析

        產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)過程中,產(chǎn)品首先依靠螺釘?shù)纳舷戮o固壓力產(chǎn)生的耳片上端與耳片下端的摩擦力起作用,當(dāng)沖擊瞬間的慣性力超出摩擦力后,產(chǎn)品依靠耳片上下端所受到的摩擦力與螺釘對安裝孔內(nèi)側(cè)壁的正向擠壓力共同起作用。校核計(jì)算采用以下公式:

        式中,F表示沖擊受到的慣性力;表示產(chǎn)品的質(zhì)量;表示根據(jù)沖擊量級確定的加速度,為1 000 g;表示將沖擊力轉(zhuǎn)換為靜力的系數(shù);表示安裝點(diǎn)數(shù)量,即安裝螺釘數(shù)量;表示所有螺釘提供的總摩擦力;表示螺釘平墊與耳片上端之間的摩擦系數(shù);表示試驗(yàn)夾具與耳片下端之間的摩擦系數(shù);F表示螺釘緊固后螺釘對耳片的預(yù)緊力;F表示單個安裝孔內(nèi)壁受到的緊壓力。

        螺釘平墊材料為鋼,結(jié)構(gòu)件材料為2A12,力學(xué)夾具材料為2A12,經(jīng)查,為0.3,為1.35,8.8級M5螺釘緊固后的預(yù)緊力F為6 257 N。

        產(chǎn)品質(zhì)量為12 kg,A值取值2,受到的總摩擦力為41 296 N,慣性力F為58 800 N,產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時慣性力大于總摩擦力,產(chǎn)品發(fā)生移動,緊固螺釘對耳片安裝孔側(cè)壁產(chǎn)生了擠壓力。

        對產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷作用時的受力情況進(jìn)行仿真分析,應(yīng)力云圖如圖3所示,從圖中可以看到耳片安裝孔處的應(yīng)力最大,達(dá)到了809.2 Mpa,超過了2A12的抗拉強(qiáng)度400 Mpa,耳片會發(fā)生過塑性損傷。

        圖3 更改前耳片位置應(yīng)力云圖

        4 改進(jìn)措施

        根據(jù)損傷機(jī)理分析、耳片損傷主要原因是沖擊載荷作用時,產(chǎn)品耳片安裝孔受到擠壓力作用,擠壓應(yīng)力超出了許用應(yīng)力,耳片安全裕度≤0導(dǎo)致的,增加耳片數(shù)量可有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)裕度,提高產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)中防止耳片損傷的能力。更改后,產(chǎn)品的本體尺寸及最大外形尺寸均不會發(fā)生變化。安裝耳片數(shù)量由4個改為6個。

        4.1 更改措施分析

        更改后產(chǎn)品受到的總摩擦力為61 944 N,慣性力F為58 800 N,產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時慣性力小于總摩擦力,產(chǎn)品不會發(fā)生移動。

        圖4 更改后耳片位置應(yīng)力云圖

        4.2 更改影響分析

        增加耳片數(shù)量可有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)裕度,提高產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)中防止耳片損傷的能力。更改后產(chǎn)品的電性能不受影響,重量增加約30 g,本體尺寸與最大外形尺寸均不發(fā)生更改,R腳位置不變,安裝尺寸有所改變。更改后增加了安裝孔數(shù)量,需增加安裝螺釘數(shù)量。更改后散熱面積增加,各熱耗器件的溫度比更改前降低,機(jī)箱內(nèi)部各模塊力學(xué)環(huán)境不會變壞,各器件力學(xué)環(huán)境不會惡化。

        5 試驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證分析仿真結(jié)果的正確性,加工了質(zhì)量模擬件進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證,質(zhì)量模擬件的組裝形式、結(jié)構(gòu)尺寸、重量、耳片位置、建造材料均與產(chǎn)品完全一致,由三個機(jī)架、前后側(cè)蓋板、內(nèi)部配重件以及上側(cè)蓋板組成,質(zhì)量模擬件重量為12 kg,安裝孔孔徑為φ5.5 mm。將質(zhì)量模擬件按照產(chǎn)品試驗(yàn)條件加載沖擊載荷,進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

        沖擊試驗(yàn)后各耳片及安裝孔未發(fā)生損傷,說明更改措施有效,增加耳片數(shù)量可以有效提高產(chǎn)品緊固力,提高產(chǎn)品力學(xué)試驗(yàn)時耳片部位的安全裕度,解決耳片安裝孔損傷的問題。

        6 結(jié) 論

        本文以某產(chǎn)品研制過程中,耳片安裝孔發(fā)生擠壓損傷為切入點(diǎn),探討了產(chǎn)品受到?jīng)_擊載荷時耳片數(shù)量的計(jì)算方法,并以此對耳片損傷機(jī)理進(jìn)行了全面分析,通過仿真計(jì)算確認(rèn)了耳片損傷的原因,在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)措施,并完成了驗(yàn)證計(jì)算與仿真計(jì)算。

        為確認(rèn)更改措施的可靠性,加工了質(zhì)量模擬件,完成了力學(xué)沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,增加耳片數(shù)量可以有效提高產(chǎn)品的抗力學(xué)性能,避免沖擊試驗(yàn)時產(chǎn)品耳片位置發(fā)生損傷。

        產(chǎn)品在沖擊試驗(yàn)后耳片受損質(zhì)量問題定位準(zhǔn)確,機(jī)理清楚,有效解決了產(chǎn)品研制過程中出現(xiàn)的耳片損傷問題,又為后續(xù)產(chǎn)品的研制提供了復(fù)核計(jì)算方法與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),具有較大的借鑒和參考價值。

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