QC案例：新型電氣液路浮動斷接器的研制

◆湯樹人 唐 平 雷亞彤 黃莉蘋 / 文

QC案例：新型電氣液路浮動斷接器的研制

◆湯樹人 唐 平 雷亞彤 黃莉蘋 / 文

上海宇航系統(tǒng)工程研究所益堅優(yōu)化設(shè)計QC小組成立于2006年，以“窮且益堅，不墜青云之志”為勉，堅定不移地優(yōu)化設(shè)計。創(chuàng)建之初，開展了神舟8號空間對接機(jī)構(gòu)研制相關(guān)的系列QC活動，并獲得上海市及全國優(yōu)秀QC小組稱號，有力地支撐了對接機(jī)構(gòu)研制工作，為2011年圓滿完成我國首次空間交會對接、2013年上海宇航工程所榮獲國家科技進(jìn)步特等獎做出了貢獻(xiàn)。隨著工作項(xiàng)目的拓展，針對當(dāng)前航天界所關(guān)注的在軌服務(wù)領(lǐng)域，運(yùn)用QC活動方式繼續(xù)組織高素質(zhì)、年輕化的團(tuán)隊，開展了包括本課題在內(nèi)的系列自主研發(fā)工作。

一、課題選擇及目標(biāo)設(shè)定

課題選擇。根據(jù)民用航天在軌服務(wù)預(yù)研項(xiàng)目研制要求，需要開展標(biāo)準(zhǔn)化、一體化補(bǔ)加裝置研究，以便于兩飛行器完成空間交會對接后，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣液管路連接。經(jīng)調(diào)研國內(nèi)外航天界現(xiàn)有的類似技術(shù)和產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)它們存在著功能較單一、性能不全面和成本較高昂的弊端。因此，提出分布式和集成式電氣液路浮動斷接器兩個備選課題，并通過對比分析，決定開展質(zhì)量（編者注：指物體中所含物質(zhì)的量）小、成本低，但研制風(fēng)險大的集成式電氣液路浮動斷接器的研制工作。

目標(biāo)設(shè)定。按照總體要求，決定自主研發(fā)的產(chǎn)品兼具1路電路、1路氣路和2路液路浮動斷接功能；性能方面的目標(biāo)為：軸向伸縮行程≥40mm，全套產(chǎn)品質(zhì)量＜10kg。與現(xiàn)有型號產(chǎn)品相比，課題設(shè)定目標(biāo)軸向伸縮行程增加81.8%、減重44.4%，實(shí)現(xiàn)起來雖有難度，但通過各方面合理設(shè)計，目標(biāo)還是具有可行性。

二、提出方案并確定最佳方案

小組成員運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法，將新型電氣液路浮動斷接器研制工作，分解為總體布局結(jié)構(gòu)、氣液連接機(jī)構(gòu)、電連接機(jī)構(gòu)和軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu)四大關(guān)鍵項(xiàng)目，并逐一開展方案細(xì)化設(shè)計和優(yōu)選工作。最終經(jīng)過小組評估，確定各項(xiàng)目最佳方案，如圖1所示。

圖1.佳方案確定

三、制定對策并實(shí)施

根據(jù)所選定的最佳方案制定對策表，如表1所示。

表1.策表

在對策實(shí)施過程中，通過綜合運(yùn)用設(shè)計軟件、正交試驗(yàn)等統(tǒng)計方法，科學(xué)高效地實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)預(yù)期目標(biāo)。如，運(yùn)用Pro/E軟件開展結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。結(jié)合減重目標(biāo)，完成氣液連接機(jī)構(gòu)拉簧懸掛支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。

再如，利用正交試驗(yàn)法開展拉簧的設(shè)計選型。結(jié)合地面重力場情況下的總體試驗(yàn)要求，開展浮動支撐裝置中的拉簧設(shè)計選型工作。首先設(shè)計后整理浮動支撐裝置所需拉簧要求如下：

（1）拉簧直徑不超過10mm ；

（2）拉簧原長15mm-18mm ，彈性變形拉伸長≥28mm；

（3）拉簧在22mm預(yù)緊長度時，折算拉力100±10g。

為降低研制成本、縮短研制周期，決定選購市場上已有的拉簧貨架產(chǎn)品裝機(jī)使用。經(jīng)過調(diào)研，市場上不銹鋼拉簧產(chǎn)品規(guī)格標(biāo)識為：（A鋼絲直徑）×（B拉簧直徑）×（C拉簧原長）。在對拉簧初步計算分析后，設(shè)計三因素兩水平表如表2所示。

隨后按照L4（23）正交表對應(yīng)因素和水平，購買四種規(guī)格的拉簧，并進(jìn)行試驗(yàn)，測試?yán)衫斓?2mm預(yù)緊長度時的吊掛重物質(zhì)量，并填表計算。如表3所示。

從表3正交試驗(yàn)計算分析可知，影響拉簧吊掛重物質(zhì)量的各主要和次要因素，因素變化與吊掛重物質(zhì)量的變化關(guān)系等。并按照正交試驗(yàn)分析結(jié)果，嘗試通過減小實(shí)驗(yàn)號2對應(yīng)拉簧直徑的方式，以提高其吊掛重物質(zhì)量。同時將5mm拉簧直徑減至4.5mm，對0.4×4.5×18規(guī)格拉簧測試預(yù)緊長度下的吊掛重物質(zhì)量為105.5g，滿足總體試驗(yàn)設(shè)計要求值100±10g指標(biāo)，且將之拉伸到30mm后依然能夠彈性恢復(fù)，滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求。

在完成每項(xiàng)對策實(shí)施后，實(shí)測效果均滿足目標(biāo)要求，從而完成對策表中所有對策的實(shí)施工作。

四、效果檢查

表2.因素兩水平表

表3.交試驗(yàn)計算分析

1.目標(biāo)完成情況

利用各組配件，完成電氣液路浮動斷接器及配套試驗(yàn)工裝的總裝裝配，確認(rèn)各接口匹配，隨后進(jìn)行電氣液路連接分離驗(yàn)收試驗(yàn)，確認(rèn)滿足研制功能要求。然后，對前后各9次連接和分離試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。

從匯總中發(fā)現(xiàn)，連接和分離最大時間差為2.53s。為此，對浮動斷接器軸向伸出和收回48mm，完成連接和分離工作時間的差異顯著性進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)。

將伸出和收回48mm工作時間看成母體X1和X2，且服從正態(tài)分布和 ；用t檢驗(yàn)法進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，比較伸出和收回工作時間有無顯著差異；首先假設(shè)H0：u1=u2 。按照匯總表數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析，確認(rèn)完成連接和分離的工作時間沒有顯著差異，產(chǎn)品工作性能穩(wěn)定。

通過“伸出和收回工作時間差異顯著性假設(shè)檢驗(yàn)”，確認(rèn)所研制的產(chǎn)品功能具備、性能穩(wěn)定后，進(jìn)行活動效果檢查。與型號產(chǎn)品對比可知，軸向伸縮行程由22mm增至48mm，增幅達(dá)118.2%；且在增加到位檢測組件情況下，重量由18kg降至8.1kg，降幅達(dá)55.0%，圓滿實(shí)現(xiàn)課題目標(biāo)。

2.經(jīng)濟(jì)和社會效益

經(jīng)過經(jīng)費(fèi)管理部門鑒定，自主研發(fā)新型電氣液路浮動斷接器與采購現(xiàn)有產(chǎn)品配套使用方式相比，減少了53萬元成本支出。與此同時，為實(shí)現(xiàn)技術(shù)儲備、豐富產(chǎn)品類型，推動國內(nèi)完成首次在軌服務(wù)全流程地面試驗(yàn)，及后續(xù)“十三五”期間在軌服務(wù)項(xiàng)目科研任務(wù)的爭取和開展，最終提升民族自豪感，做出了貢獻(xiàn)。

五、標(biāo)準(zhǔn)化

為使效果得以鞏固，小組成員開展了活動成果文檔和設(shè)計圖紙歸檔，自主創(chuàng)新設(shè)計申請《一種電氣液路浮動斷接器》發(fā)明專利，撰寫《在軌服務(wù)集成浮動斷接器的研制》論文等一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。

（作者單位：上海宇航系統(tǒng)工程研究所）