下支撑锁紧装置工作可靠性敏感因素分析与验证

提亚峰，季宝锋，石玉红，杨 柳，张建国

（1. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2. 北京航空航天大学，北京，100191）

0 引 言

载人航天的最基本要求就是确保宇航员的绝对安全，因此总体可靠性、飞行安全性是载人火箭的主要设计参数，在完成载人航天飞行的上升段、轨道飞行段、返回段中，恶性事故发生概率最大区段之一是上升段[1]。逃逸系统是为解决载人运载火箭上升段飞行过程中航天员的安全问题而采取的主要措施之一，其主要任务是当运载火箭抛整流罩前发生重大危险，威胁到航天员的生命安全时，负责使航天员脱离危险区，并为航天员的返回着陆提供必要条件。

逃逸系统的结构由上半部整流罩、栅格翼及其释放机构、上下支撑机构等组成。上下支撑机构的主要功能是：一旦火箭出现应急故障需要逃逸救生时，上下支撑机构上的火工作动筒接到发火信号点火动作后，迅速将机构与飞船的可移动支点锁死，以实现逃逸系统外壳体与飞船返回舱及轨道舱间的刚性连接，这种刚性连接是实现逃逸救生的必要保证条件[2]。而火箭正常飞行期间，下支撑机构依靠弹性压力，使曲梁的前、后接头紧靠飞船船体，通过接头内锁紧装置的活动间隙实现对飞船的弹性支承，限制飞船在飞行中的横向位移和横向过载。

在下支撑机构设计中，锁紧装置的设计是技术关键。根据逃逸载荷工况可知，单个下支撑机构整质重量要求小于90 kg；在最大横向过载工况时，曲梁后接头锁紧装置必须承受450 kN的载荷，剩余强度系数大于1.1（安全系数1.5）；并且锁紧装置锁紧后，工作方向受载450 kN载荷时位移小于3 mm；锁紧可靠性指标不低于 0.9999。这要求锁紧装置有很高的强度、刚度和锁紧可靠性[2]。

由于锁紧装置结构复杂，影响锁紧性能的因素很多，为保证下支撑机构的工作可靠性，进行了大量的分析和验证工作。根据锁紧装置摩擦学理论建模、有限元分析及机构系统可靠性分析，得到了锁紧装置预位移变化的趋势和摩擦力与预位移之间的关系；得到了犁沟半角、犁沟深度等影响装置锁紧可靠性的重要参数[3]。然而，如何得到锁紧装置工作可靠性敏感因素、如何优化参数和如何应用成为工程实践的难题。

1 锁紧装置可靠性仿真分析

1.1 可靠度计算

根据文献[3]理论模型基础选取随机变量，确定屈服极限、凸峰数目、剪切强度、犁沟深度、犁沟半角以及承受载荷作为分析随机变量。参数平均值根据工程实际原材料、几何尺寸等确定，随机变量的选择和统计特性参数的选择见表1。功能函数属于显式函数，选用不同可靠度计算方法进行计算，结果如表2所示。

表1 随机变量选取Tab.1 Random Variable Selection

表2 可靠度计算结果Tab.2 Reliability Calculation Results

工程上常使用蒙特卡罗方法抽样1 000 000次的结果作为可靠度计算准确度的标准，锁紧力不足的可靠度的计算结果为0.87，可靠度无法达到产品使用要求，需要对于关键参数进行设计改进，提高装置的可靠度。

1.2 参数重要度分析

将功能函数带入可靠性分析优化软件ARES进行显式的功能函数可靠度分析计算，直观地输出参数的重要度水平。参数的重要度因子为参数变换后空间中设计验算点的方向余弦，因子表征了变量对于失效概率的贡献的相对重要度。

得到犁沟的深度h和犁沟半角θ是影响可靠度的两个重要因素，而屈服强度、表面峰点数对于锁紧装置可靠度的影响相对较小，验证了犁沟效应[4]产生的摩擦力是锁紧装置锁紧力的主要来源。

1.3 参数灵敏度分析

将功能函数带入ARES进行显式的功能函数可靠度分析计算，直观地输出参数的灵敏度水平。参数灵敏度反映对于输入参数变化对于失效概率的影响程度，参数灵敏度结果如图1所示。

图1 参数灵敏度结果Fig.1 Parameter Sensitivity Results

从图1中可以明显看出犁沟深度以及犁沟半角还是对可靠性影响最大的变量，表面的峰点数以及材料的屈服极限的增加对于可靠度的提高是正向的，而承受载荷能力的变化与可靠度的变化相反。

1.4 影响可靠性的参数优化

可靠性分析结果的准确性取决于3个方面：a）随机变量的选择及其统计参数；b）锁紧装置摩擦力数学模型的准确性；c）可靠度仿真算法的准确性。锁紧装置的数学模型是根据经典的犁沟模型和粘着磨损的机理建立，并且得到了仿真分析的验证（详见文献[3]），理论上讲比较精确，所以在可靠性增长优化过程中，主要考虑随机变量的统计参数值的设计改进和可靠度仿真算法的选择。

对于系统可靠度影响比较大的是犁沟半角和犁沟深度两个随机变量。犁沟半角主要同摩擦片加工方式的选取有关，因此，需要选择适当的加工方式，来控制粗糙峰半角，进而控制犁沟半角。犁沟半角减小，犁沟效应产生的摩擦力就会降低，粘着产生摩擦力的影响将占摩擦力的大部分；犁沟深度主要是和正压力有关，因此可以通过加大正压力，控制犁沟半角来提高锁紧装置可靠度。

上文锁紧装置的可靠度计算结果为 0.87，需要对关键参数进行设计改进，提高装置的可靠度。在失效功能函数不变的情况下，调整重要度和灵敏度较大的犁沟的深度h和犁沟半角θ两个参数的值。主要是考虑这两个参数的离散性，得到系统新的可靠度。

通过改进犁沟深度和犁沟半角，即增加表面正压力或控制摩擦片表面粗糙度，可以使系统的可靠度得到很大的提高，从0.87达到0.93左右。继续优化参数的离散性，调整参数的变异系数或者调整犁沟半角的角度，可得到可靠度的进一步提升最终达到0.999 98，优化后的随机变量参数如表3所示，可靠性计算结果见表4，参数敏感度如图2所示。

表3 随机变量选取Tab.3 Random Variable Selection

表4 参数优化后的可靠度计算结果Tab.4 Reliability Calculation Results of the Parameters Optimization

图2 优化后的参数的灵敏度Fig.2 Parameter Sensitivity Optimization Results

2 可靠性优化参数对应工程实践敏感因素

通过使用ARES软件进行的可靠度计算以及参数重要度、灵敏度分析，得到了犁沟半角、犁沟深度等影响装置锁紧的重要参数。通过以上分析，对于锁紧装置锁紧力不足以及预位移过大这一严重故障，影响其工作可靠性的参数有：犁沟深度、犁沟半角、材料屈服极限、承受载荷、凸峰数等，在基础参数已确定的条件下，对应工程实践中影响可靠性参数的敏感因素及分析如下：

a）材料表面质量。特别应注意材料表面处理情况，防止材料表面氧化，氧化膜的形成会大大削弱摩擦力。具有表面氧化膜的摩擦副摩擦滑动时，粘着点的剪切发生在膜内，其剪切强度较低。又由于表面膜很薄，实际接触面积则由材料受压屈服极限来决定，实际接触面积又不大，所以薄的表面膜会降低摩擦系数。

b）摩擦组件正压力。加大摩擦组件正压力会增大硬峰嵌入深度h以及增大犁沟宽度d，增大相互嵌入和塑性变形的程度，从而使静摩擦系数增大，摩擦力也相应增加。

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，并需控制接触表面的犁沟半角，犁沟半角对于模型的可靠性影响显著。当犁沟半角较大时，犁沟项对于整个摩擦的贡献是很小的，对于大多数切削加工的表面，粗糙峰的 θ角较大，犁沟项就可以忽略，然而当 θ角较小时，犁沟项将为不可忽视的因素。

d）承受外载荷大小和施加时间。摩擦力预位移与外载的加载时间存在一定的关系，而且预位移与摩擦系数之间也存在一定的关系。初始阶段，摩擦片预位移与摩擦系数同步增长，但当摩擦系数增长到一定程度时，就不再变化，而预位移发生突增。故为避免预位移的突增，应在摩擦系数达到一定时，外载荷的值应已达到稳定状态。

3 锁紧装置可靠性增长试验验证

可靠性试验一般分为可靠性增长试验和可靠性验证试验两类。可靠性增长试验的目的和过程是：通过试验，暴露产品的薄弱环节（问题）→分析问题→采取改进措施→通过试验验证改进措施的有效性→使产品固有可靠性增长[5]。根据下支撑机构锁紧装置可靠性仿真分析的结果及可靠性优化参数对应工程实践因素，进行可靠性增长试验的设计，明确试验项目、试验件状态、试验件数量及试验方法。特别是按照优化措施对试验件配套的摩擦结构材料、加工精度、表面质量等做了严格要求。

3.1 锁紧装置可靠性增长试验方案

根据下支撑机构锁紧装置可靠性仿真分析的结果及优化措施，可靠性增长试验主要研究的影响因素为摩擦结构材料状态和增加摩擦结构支撑刚度两方面。同时要求严格控制摩擦结构加工质量，确保摩擦结构的粗糙度、平面度、平行度满足要求，为保证摩擦结构平面度精度，特别对加工过程、产品测量过程、产品存放状态等做严格要求；对材料状态明确规定。试验验证项目确定为摩擦结构正位加载，如图3所示，试验件数量为19件。

图3 锁紧装置可靠性增长试验方案Fig.3 Test Plan for Reliability Growth of the Locking Apparatus

3.2 锁紧装置可靠性增长试验结果

从可靠性增长试验件各件产品的试验结果看，锁紧装置的性能稳定，均能满足设计要求。验证了可靠性仿真分析结果的正确性及参数优化的合理性，各次试验结果如图4所示。

图4 可靠性增长试验结果Fig.4 Reliability Growth Test Results

与以往锁紧装置的试验数据离散性较大相比，可靠性增长试验结果表明锁紧装置的性能明显趋于稳定。优化前的试验结果如图5所示。

图5 优化前锁紧装置试验结果Fig.5 Test Results of Pre-optimized Locking Apparatus

3.3 锁紧装置可靠性增长试验成果工程应用

根据对锁紧装置可靠性仿真分析及可靠性增长试验的成果，在配套产品及验收产品生产过程中采取了如下措施：a）明确材料订货状态；b）对摩擦片的粗糙度、平面度、平行度加严控制，测量应在摩擦片自由状态下进行；c）产品存放、装配过程中应防止阳极化膜被破坏；d）装配、试验过程中严格控制多余物进入锁紧装置内部。

按上述优化措施生产的产品验收试验均一次性通过，产品性能良好，产品验收试验结果如图6所示。

图6 锁紧装置验收试验结果Fig.6 Test Results for Locking Apparatus

4 结 论

采用可靠性仿真分析方法，对下支撑机构锁紧装置进行了全面的可靠性研究，提出了多项设计优化措施，成功应用到可靠性增长试验及飞行试验中，提高了产品可靠性，达到了预期的研究目的。主要结论如下：

a）利用ARES软件进行可靠度的计算以及参数灵敏度分析，得到了犁沟半角、犁沟深度等影响装置锁紧可靠性的重要参数，并通过优化犁沟半角和犁沟深度两个随机变量，使锁紧装置可靠度提高到设计要求。

b）通过仿真分析和优化，对锁紧装置锁紧力不足及预位移过大这一影响工作可靠性的最严重故障，得到其影响参数有犁沟深度、犁沟半角、材料屈服极限、承受载荷、凸峰数等，得到对应的工程实践影响可靠性参数的因素有材料表面质量、摩擦组件正压力、零件加工精度、承受外载荷大小和施加时间等，并提出了多项设计优化改进措施。

c）在锁紧装置影响可靠性因素严格控制基础上，通过可靠性增长试验，验证了锁紧装置优化改进措施的有效性，降低了锁紧性能的离散性，提高了产品的可靠性，指导工程实践。