運(yùn)載火箭擰緊力矩量化控制探索與實(shí)踐

陳 克 陳智勇

哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱，150001中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076

運(yùn)載火箭擰緊力矩量化控制探索與實(shí)踐

陳 克 陳智勇

哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱，150001中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076

面對(duì)航天運(yùn)載火箭高密度發(fā)射的形勢(shì)，研究探索了運(yùn)載火箭擰緊力矩量化控制的方法體系。本文重點(diǎn)對(duì)運(yùn)載火箭擰緊力矩量化控制的工作思路、工作方法、控制要求、控制流程、控制重點(diǎn)以及改進(jìn)方向進(jìn)行了介紹。

擰緊力矩；量化控制；方法體系

l 引言

航天運(yùn)載火箭發(fā)射伴隨著很高的固有風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生事故，將造成科研、經(jīng)濟(jì)、軍事甚至政治上不可挽回的損失。近年來(lái)，航天科技工業(yè)貫徹“零缺陷”管理和“第一次就把事情做好”的理念，遵循實(shí)現(xiàn)量化控制是推行“零缺陷”管理的前提和基礎(chǔ)的原則，在總結(jié)以往成功的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析和質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，明確了對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵、重要過(guò)程采取量化控制措施的要求，通過(guò)這些年來(lái)的探索和實(shí)踐，推進(jìn)運(yùn)載火箭擰緊力矩量化控制，為確保航天運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)順利完成發(fā)揮了重要的作用，同時(shí)也積累了一些經(jīng)驗(yàn)，取得了一些收獲，并逐步形成了航天運(yùn)載火箭擰緊力矩量化控制的方法體系。

2 擰緊力矩量化控制工作思路及方法

2.1 識(shí)別力矩基本概念，確保對(duì)力矩內(nèi)涵的理解和認(rèn)識(shí)一致

為保證力矩安裝及防松措施控制工作有效落實(shí)，在總結(jié)多年來(lái)運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)力矩量化控制工作的基本概念進(jìn)行了識(shí)別和明確，主要目的是統(tǒng)一對(duì)力矩量化控制工作有關(guān)名詞的內(nèi)涵理解和認(rèn)識(shí)，在各項(xiàng)科研生產(chǎn)任務(wù)實(shí)施過(guò)程中，做到設(shè)計(jì)、工藝、總裝、檢驗(yàn)以及質(zhì)量檢查確認(rèn)等方面理解一致，避免由于力矩內(nèi)涵理解和認(rèn)識(shí)方面的偏差，而帶來(lái)力矩量化工作實(shí)施結(jié)果的差異和不同。力矩量化控制相關(guān)主要名詞識(shí)別如下：

a.緊固件：是用于實(shí)現(xiàn)零、部件、單機(jī)、系統(tǒng)彼此之間相連的機(jī)械零件，緊固件具有連接和承載、傳力等作用。

b.擰緊力矩：是裝配時(shí)為了保證連接可靠而對(duì)連接件施加的力矩。

c.量化擰緊力矩：是通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)而確定的施加擰緊力矩的范圍。

d.防松：是工程上用來(lái)預(yù)防螺紋連接松動(dòng)的防松設(shè)計(jì)及防松裝置、方法。

2.2 規(guī)范力矩要素組成，明確力矩防松手段及方法

在識(shí)別和明確力矩量化控制基本概念的基礎(chǔ)上，對(duì)擰緊力矩的組成和防松方法進(jìn)行梳理，并進(jìn)行知識(shí)規(guī)范，主要目的是為設(shè)計(jì)、工藝以及總裝人員細(xì)化力矩控制工藝文件、量化力矩控制要求、采取有效防松措施并實(shí)施力矩量化精細(xì)化控制而奠定基礎(chǔ)。相關(guān)知識(shí)規(guī)范總結(jié)如下：

2.2.1 擰緊力矩的組成

緊固件的擰緊力矩是由螺紋副之間的摩擦力產(chǎn)生的力矩Mf、螺紋緊固件發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形產(chǎn)生的力矩Me和螺母與被連接件支承面之間的摩擦力產(chǎn)生的力矩Mr構(gòu)成的，擰緊力矩M=Mf+Me+Mr，其中Mf和Me是由螺紋緊固件自身結(jié)構(gòu)在擰緊過(guò)程中產(chǎn)生的，而Mr則是由螺母和被連接件支承面之間因摩擦產(chǎn)生的。為了準(zhǔn)確地描述由螺紋結(jié)構(gòu)決定的緊固件鎖緊能力，通常把螺紋副之間摩擦力產(chǎn)生的Mf和Me的合成力矩稱(chēng)為緊固件的鎖緊力矩Ml，即Ml=Mf+Me。

2.2.2 擰緊力矩防松手段

螺紋連接是利用螺紋零件構(gòu)成的可拆連接，由于螺紋的升角一般為1. 5°～3. 5°(小于當(dāng)量摩擦角)，連接具有自鎖性，再加上螺紋連接支承面上的摩擦力矩的存在，從理論上來(lái)說(shuō)，螺紋連接在緊固件旋緊后不會(huì)自動(dòng)松開(kāi)，但實(shí)際情況并非如此，只有在靜載荷下，螺紋連接件才很少自動(dòng)松脫。在動(dòng)載荷作用下，特別是在沖擊載荷與振動(dòng)情況下，螺紋連接件可能會(huì)失去自鎖作用而松動(dòng)。因此，在工程上應(yīng)采取實(shí)施其它防松手段及方法，來(lái)預(yù)防螺紋連接松動(dòng)發(fā)生。防松方法大致可分為摩擦力防松、機(jī)械防松和永久防松三類(lèi)。

a.摩擦力防松：采用彈簧墊圈、雙螺母、自鎖螺母進(jìn)行防松。

b.機(jī)械防松：采用開(kāi)口銷(xiāo)、止動(dòng)墊圈、串聯(lián)保險(xiǎn)、單耳止動(dòng)墊圈和雙聯(lián)止動(dòng)墊圈、外舌止動(dòng)墊圈、帶鍵螺母（非標(biāo)螺母）進(jìn)行防松。

c.永久性防松：采用焊死，或?qū)β菟ǖ穆菁y沖口、打豁，使螺母無(wú)法松動(dòng)，達(dá)到防松的目的，這種固定方法僅用在一次性使用不拆卸的連接部位上。

2.3 總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，固化確定緊固件擰緊量化方法

2.3.1 擰緊力矩控制法：在緊固件擰緊時(shí)，當(dāng)達(dá)到規(guī)定力矩值時(shí)擰緊過(guò)程即停止的方法，是根據(jù)擰緊力矩大小和軸向力之間存在的關(guān)系所制定的控制方法。

2.3.2 扭矩-轉(zhuǎn)角控制法：扭矩-轉(zhuǎn)角法就是在擰緊時(shí)達(dá)到規(guī)定的貼合扭矩后，再轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋件達(dá)到規(guī)定角度，扭矩-轉(zhuǎn)角法的優(yōu)點(diǎn)是擰緊一致性較好，螺紋件摩擦因素對(duì)擰緊質(zhì)量的影響較小。

2.4 形成規(guī)范，明確擰緊力矩量化控制要求和控制流程

2.4.1 擰緊力矩量化控制要求

2.4.1.1 單機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)明確單機(jī)內(nèi)部緊固件擰緊力矩量化控制和防松要求，結(jié)合單機(jī)產(chǎn)品驗(yàn)收對(duì)緊固件擰緊力矩量化控制和防松措施落實(shí)情況進(jìn)行檢查確認(rèn)，負(fù)責(zé)向分系統(tǒng)傳遞單機(jī)產(chǎn)品擰緊力矩量化控制數(shù)據(jù)。

2.4.1.2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)明確單機(jī)之間擰緊力矩量化控制和防松要求，結(jié)合分系統(tǒng)產(chǎn)品驗(yàn)收對(duì)緊固件擰緊力矩量化控制和防松措施落實(shí)情況進(jìn)行檢查確認(rèn)，負(fù)責(zé)向總體傳遞單機(jī)產(chǎn)品擰緊力矩量化控制數(shù)據(jù)。

2.4.1.3 總體設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)明確分系統(tǒng)之間擰緊力矩量化控制和防松要求，在科研生產(chǎn)任務(wù)主要控制節(jié)點(diǎn)階段對(duì)緊固件擰緊力矩量化控制和防松措施落實(shí)情況進(jìn)行檢查確認(rèn)，并明確結(jié)論。

2.4.1.4 生產(chǎn)單位負(fù)責(zé)按照設(shè)計(jì)明確的單機(jī)、分系統(tǒng)及總裝裝配過(guò)程中涉及的緊固件擰緊力矩量化和防松要求，進(jìn)行細(xì)化并分解落實(shí)到質(zhì)量控制文件中，實(shí)施緊固件量化力矩安裝和防松操作，并對(duì)過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及資料進(jìn)行整理和保管，納入產(chǎn)品數(shù)據(jù)包中，以便在進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)提供進(jìn)行質(zhì)量檢查確認(rèn)。

2.4.2 擰緊力矩量化控制流程

2.4.2.1 設(shè)計(jì)師系統(tǒng)明確單機(jī)、分系統(tǒng)及總裝緊固件擰緊力矩量化控制項(xiàng)目、防松措施及要求，詳細(xì)說(shuō)明緊固件用途、安裝位置、數(shù)量、緊固件標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)格/材料、擰緊力矩?cái)?shù)值以及防松措施等要素，經(jīng)相關(guān)實(shí)施操作的生產(chǎn)單位會(huì)簽后，以設(shè)計(jì)文件形式下發(fā)。

2.4.2.2 生產(chǎn)單位將有關(guān)項(xiàng)目和要求納入工藝和質(zhì)量控制文件，對(duì)安裝位置、數(shù)量、緊固件標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)格/材料、擰緊力矩?cái)?shù)值、防松措施、裝配方法等進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，指導(dǎo)操作。

2.4.2.3 生產(chǎn)單位按要求實(shí)施擰緊力矩量化控制及防松操作，操作完成后進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄，建立產(chǎn)品量化力矩專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)包，提交上級(jí)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行質(zhì)量檢查確認(rèn)。

2.4.2.4 總體負(fù)責(zé)對(duì)單機(jī)、分系統(tǒng)及總裝各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的擰緊力矩量化控制及防松操作記錄內(nèi)容進(jìn)行匯總和確認(rèn)，作為產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收的主要內(nèi)容，接受各級(jí)審查。

2.4.2.5 實(shí)施擰緊力矩量化控制及防松操作的單位對(duì)各過(guò)程形成的結(jié)果記錄，按相關(guān)管理規(guī)定進(jìn)行歸檔。

螺紋緊固件擰緊力矩量化控制流程圖如下：

3 摸索總結(jié)，明確擰緊力矩量化工作重點(diǎn)及后續(xù)改進(jìn)方向

3.1 要合理確定恰當(dāng)?shù)臄Q緊力矩范圍，以保證螺紋得以旋緊而不致使螺紋或螺母有所損害，旋緊扭矩要介于旋入扭矩及極限扭矩之間，因此需要通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)確定螺紋的強(qiáng)度以得到極限擰緊力矩。此外，在擰緊力矩量化實(shí)施過(guò)程中，既要考慮連接件的性能也要考慮被連接件的性能，在螺栓安裝過(guò)程中要防止力矩過(guò)大，造成被連接零件的破壞。

3.2 擰緊力矩值的量化和明確為緊固件的連接防松奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也有助于控制產(chǎn)品安裝質(zhì)量的一致性，而其它防松措施則根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際情況不同對(duì)于緊固件防松也具有重要作用，對(duì)重要環(huán)節(jié)涉及的螺紋緊固件產(chǎn)品，在實(shí)施緊固件擰緊力矩量化控制的同時(shí)，也要結(jié)合產(chǎn)品連接實(shí)際情況采取其它螺紋連接防松措施。

3.3 對(duì)重要環(huán)節(jié)緊固件要優(yōu)先實(shí)施量化控制，多年來(lái)運(yùn)載發(fā)射任務(wù)的成功經(jīng)驗(yàn)與失利教訓(xùn)表明，能夠?qū)Πl(fā)射任務(wù)成敗產(chǎn)生嚴(yán)重影響的螺紋連接主要集中于具有關(guān)鍵作用的環(huán)節(jié)，該類(lèi)環(huán)節(jié)具有兩方面的特點(diǎn)，緊固件數(shù)量少，失效后影響大。設(shè)計(jì)人員應(yīng)率先對(duì)篩選出的重要環(huán)節(jié)所涉及的緊固件產(chǎn)品，100%明確其安裝力矩量化控制和防松措施要求，不允許出現(xiàn)重要環(huán)節(jié)涉及的緊固件產(chǎn)品既無(wú)安裝力矩值要求又無(wú)防松措施的情況出現(xiàn)。

3.4 基于目前技術(shù)手段，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定力矩安裝的螺紋連接部位，必須明確防松措施要求，針對(duì)小直徑以下的螺紋緊固件的擰緊量化控制，由于其直徑過(guò)小，受力矩扳手等工具體積和精度的局限性，目前難以使用擰緊力矩控制法進(jìn)行操作，因此應(yīng)采用旋入圈數(shù)、轉(zhuǎn)角法等其它擰緊控制方法保障其安裝質(zhì)量，同時(shí)也要明確防松措施。

3.5 生產(chǎn)單位對(duì)實(shí)施螺紋緊固件定力矩安裝的工具、方式和方法要進(jìn)行充分驗(yàn)證，確保操作過(guò)程和結(jié)果符合國(guó)家及行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

3.6 針對(duì)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變化或完善設(shè)計(jì)，引起緊固件材料、規(guī)格和數(shù)量的變化，以及為了適應(yīng)緊固件狀態(tài)變化或?yàn)榱颂岣甙惭b可靠性引起的預(yù)緊力矩和防松措施變化等方面，要作為重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，對(duì)擰緊力矩量化的數(shù)據(jù)、操作的工具及方法、檢查確認(rèn)的手段等要進(jìn)行符合性調(diào)整，并佐以相關(guān)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，確保擰緊力矩量化工作的針對(duì)性和有效性。

3.7 開(kāi)展先進(jìn)適用力矩施加工具和方法的研究與應(yīng)用，可以采用電動(dòng)、氣動(dòng)等方式代替人工操作，采用數(shù)字和自動(dòng)化工具代替老式表盤(pán)和人工控制工具，提高力矩裝配效率和準(zhǔn)確性。

3.8 利用信息化手段，結(jié)合擰緊力矩自動(dòng)施加工具，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、自動(dòng)保存及傳輸歸檔等功能和軟、硬件產(chǎn)品，建立產(chǎn)品擰緊力矩量化控制數(shù)據(jù)包及數(shù)據(jù)庫(kù)，便于適時(shí)進(jìn)行檢查確認(rèn)和數(shù)據(jù)查詢(xún)，進(jìn)而構(gòu)建全面有效的產(chǎn)品緊固件安裝量化控制系統(tǒng)。

3.9 要加強(qiáng)擰緊力矩量化控制實(shí)施力度，加強(qiáng)對(duì)實(shí)施手段的研究和實(shí)施工具的配備工作，為實(shí)現(xiàn)緊固件100%量化控制奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，對(duì)于有量化但未經(jīng)充分試驗(yàn)驗(yàn)證的緊固件控制措施，要加強(qiáng)力矩控制理論分析，加強(qiáng)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，加強(qiáng)使用規(guī)范研究工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)載火箭擰緊力矩量化控制工作，是航天運(yùn)載火箭質(zhì)量與可靠性工作的核心之一，是確保航天運(yùn)載火箭發(fā)射圓滿(mǎn)完成的有效保證措施。后續(xù)改進(jìn)方向?qū)⒕劢乖跀Q緊力矩識(shí)別的全面性、擰緊力矩控制的有效性、擰緊力矩量化與航天工業(yè)科研生產(chǎn)結(jié)合的緊密性等方面，并深入研究，積極探索，充分總結(jié)，持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭擰緊力矩量化控制的跨越，最終實(shí)現(xiàn)100%的量化控制，為航天運(yùn)載火箭發(fā)射奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。