低溫供氣連接器脫落性能試驗(yàn)分析

楊澤濤，王建秋，梁秋立，高彥峰，田青亞

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著中國(guó)航天運(yùn)載火箭推進(jìn)劑向燃燒效率高、無毒、無污染的方向發(fā)展，新興的低溫推進(jìn)劑正在逐步取代傳統(tǒng)的常規(guī)推進(jìn)劑偏二甲肼-四氧化二氮組合，現(xiàn)役的多個(gè)運(yùn)載火箭型號(hào)均采用了液氫-液氧、液氧-煤油兩種組合的低溫推進(jìn)劑[1～3]。作為運(yùn)載火箭箭地接口的關(guān)鍵設(shè)備，低溫供氣連接器主要用于氫箱、氧箱射前增壓及低溫氣瓶充氣等功能[4,5]。通過梳理各運(yùn)載火箭型號(hào)歷次發(fā)射任務(wù)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，針對(duì)連接器脫落異常鎖脫鉤勾掛箭上活門故障，本文以廣泛使用的低溫供氣連接器為研究對(duì)象，分析其脫落分離過程，查找故障發(fā)生的原因，提出優(yōu)化改進(jìn)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，提升產(chǎn)品本質(zhì)可靠性。

1 低溫供氣連接器結(jié)構(gòu)組成及原理

低溫供氣連接器主要由連接體、套筒活塞、活動(dòng)氣缸、支撐吊架、拉桿端蓋、鎖脫鉤、調(diào)節(jié)螺釘、鎖緊螺母、按斷開關(guān)組件、手柄、吊柄、鎖緊腔接管嘴、脫落腔接管嘴、地面管路接管嘴等部分組成，見圖1。

圖1 低溫供氣連接器結(jié)構(gòu)示意 Fig.1 Structure of Connector

低溫供氣連接器具有手動(dòng)對(duì)接、氣動(dòng)鎖緊，手動(dòng)和氣動(dòng)脫落的功能。向連接器鎖緊腔供氣時(shí)，連接器活動(dòng)氣缸向后運(yùn)動(dòng)，連接器與箭上插座處于鎖緊狀態(tài)；當(dāng)向連接器脫落腔供氣時(shí)，氣體活動(dòng)氣缸前移，連接器上的3個(gè)鎖脫鉤張開，在復(fù)位彈簧的拉動(dòng)下遠(yuǎn)離火箭，實(shí)現(xiàn)與插座的解鎖分離。

2 連接器脫落過程分析及結(jié)果優(yōu)化改進(jìn)

2.1 脫落過程分析

由低溫供氣連接器工作原理可知，連接器脫落過程可分為 3個(gè)階段，分別為鎖脫鉤張開過程、導(dǎo)向銷拔出過程、連接器分離過程，如圖2所示。

圖2 連接器脫落過程 Fig.2 Separating Process of Connector

2.2 脫落分離過程分析

由低溫供氣連接器結(jié)構(gòu)可知，連接器對(duì)接面上設(shè)有2個(gè)導(dǎo)向銷、3路供氣插頭。在連接器與箭上插座對(duì)接時(shí)，導(dǎo)向銷、供氣插頭均插入箭上活門對(duì)應(yīng)導(dǎo)向孔和氣路通道內(nèi)。因此，連接器脫落過程中，為確保連接器可靠脫落，供氣插頭需拔出供氣通道，而且導(dǎo)向銷需完全拔出導(dǎo)向孔。

圖3 連接器脫落分離過程 Fig.3 Shedding Separating Process of Connector

由圖3連接器分離過程可知，脫落狀態(tài)下，導(dǎo)向銷圓柱端高出連接本體端面7 mm，拉桿端蓋頂桿端面比連接器本體端面高2.5 mm，導(dǎo)向銷拔出過程中，在拉桿端蓋頂桿推動(dòng)的 2.5 mm 行程內(nèi)依靠連接器氣缸4.8 MPa脫落氣產(chǎn)生的推力將導(dǎo)向銷拔出，隨后的行程由于拉桿端蓋頂桿已遠(yuǎn)離箭上接口使得氣缸無法繼續(xù)提供分離力，此時(shí)由連接器支架吊鏈、緩沖筒及復(fù)位彈簧等輔助將其拔出，使得連接器與箭上插座分離。連接器脫落前狀態(tài)如圖4所示。在發(fā)射場(chǎng)，低溫供氣連接器脫落前，連接器支架吊鏈、緩沖筒及上、下復(fù)位彈簧按操作要求調(diào)整至適當(dāng)拉緊狀態(tài)。

圖4 連接器脫落前狀態(tài) Fig.4 Status of Connector before Shedding

在連接器分離階段，當(dāng)導(dǎo)向銷完全拔出箭上活門時(shí)，連接器鎖脫鉤的調(diào)節(jié)螺釘位于箭上活門法蘭盤上側(cè)，而最低點(diǎn)的鎖緊螺母尚位于法蘭盤后側(cè)（如圖5所示），此時(shí)若連接器下落速度快于分離速度，則將使得鎖脫鉤內(nèi)側(cè)螺母勾掛在箭上活門法蘭盤上，導(dǎo)致連接器與箭上活門法蘭盤無法分離。

圖5 連接器導(dǎo)向銷完全拔出時(shí)鎖脫鉤分離狀態(tài) Fig.5 Disconnect of Hock and Valve when the Guide Pin is Fully Pulled Out

2.3 脫落原因

綜合上述分析可知，連接器脫落時(shí)，鎖脫鉤勾掛箭上活門法蘭盤故障的主因即為連接器導(dǎo)向銷完全拔出時(shí)，連接器鎖脫鉤最低點(diǎn)仍位于法蘭盤后側(cè)。影響連接器鎖脫鉤勾掛箭上活門的故障主因?qū)驁D見圖6。

圖6 連接器鎖脫鉤勾掛活門故障主因 Fig.6 Main Cause of Failure

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)

2.4.1 鎖脫鉤內(nèi)側(cè)螺母優(yōu)化

鎖脫鉤為連接器解鎖時(shí)，與箭上接口分離的運(yùn)動(dòng)部件。由于鎖脫鉤調(diào)節(jié)螺釘與鎖脫鉤內(nèi)側(cè)螺母之間存在臺(tái)階面如圖7所示，且鎖緊螺母最低點(diǎn)低于調(diào)節(jié)螺釘最低點(diǎn)，導(dǎo)致連接器分離時(shí)鎖脫鉤內(nèi)側(cè)螺母勾掛在箭上活門法蘭盤上沿內(nèi)側(cè)棱邊處無法分離。

圖7 鎖脫鉤結(jié)構(gòu)示意 Fig.7 Structure Diagram of Hock

基于此，為了消除連接器脫落未完全分離勾掛活門的故障模式。經(jīng)分析，可以取消鎖脫鉤內(nèi)側(cè)螺母，消除臺(tái)階面，從本質(zhì)上提升連接器分離可靠性，改進(jìn)后方案如圖8所示。

圖8 鎖脫鉤結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比 Fig.8 Comparison before and after Hook Structure Optimization

改進(jìn)后連接器分離時(shí)調(diào)節(jié)螺釘始終為最低點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)上消除了可能造成勾掛故障的臺(tái)階面。更改前后鎖脫鉤與箭上活門法蘭盤接觸狀態(tài)如圖9所示。

圖9 鎖脫鉤與箭上活門法蘭盤接觸狀態(tài) Fig.9 Contact State of Hook and Valve

2.4.2 鎖脫鉤外側(cè)面優(yōu)化

為便于連接器調(diào)節(jié)螺釘滑出箭上接口法蘭盤，經(jīng)分析，可以增大調(diào)節(jié)螺釘與箭上接口法蘭盤接觸側(cè)的圓弧面，使得調(diào)節(jié)螺釘更容易滑出箭上接口法蘭盤，從而消除勾掛箭上法蘭盤故障模式。鎖脫鉤外側(cè)面倒角更改前后對(duì)比如圖10所示。

圖10 鎖脫鉤外側(cè)面倒角更改前后狀態(tài)對(duì)比 Fig.10 Comparison before and after Changing the Outside of Hook

通過對(duì)連接器鎖脫鉤整個(gè)部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)可知，更改后調(diào)節(jié)螺釘移出活門法蘭盤內(nèi)側(cè)棱邊后，便無可勾掛臺(tái)階或結(jié)構(gòu)，因此可有效地提升連接器脫落分離的可靠性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及可靠性評(píng)估[6,7]

3.1 可靠性指標(biāo)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

按威布爾分布策劃可靠性試驗(yàn)，參試產(chǎn)品每臺(tái)試驗(yàn)總時(shí)間的計(jì)算公式為

式中R為可靠性指標(biāo)，R=0.99996；t0為任務(wù)中動(dòng)作次數(shù)，t0=4；m為威布爾分布的形狀參數(shù)；n為參試產(chǎn)品數(shù)量；γ為置信度，一般取0.7。

按投試數(shù)n為2臺(tái)，在形狀參數(shù)m取2的情況下，每臺(tái)產(chǎn)品應(yīng)完成的脫落試驗(yàn)次數(shù)T，依據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算，可以得到單臺(tái)產(chǎn)品的試驗(yàn)時(shí)間/次數(shù)為

即：每臺(tái)產(chǎn)品應(yīng)完成491次脫落試驗(yàn)。

3.2 可靠性試驗(yàn)情況

低溫供氣連接器經(jīng)上述鎖脫鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后，挑選2套檢修合格的連接器產(chǎn)品，針對(duì)各種使用工況分別開展了570次、495次脫落可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，連接器均能順暢、可靠分離。優(yōu)化后的連接器鎖脫鉤結(jié)構(gòu)如圖11所示，連接器可靠性脫落試驗(yàn)狀態(tài)見圖12。

圖11 鎖脫鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化后實(shí)物示意 Fig.11 Physical Picture after Hook Structure Optimization

圖12 連接器脫落試驗(yàn) Fig.12 Separating Test of Connector

3.3 脫落可靠性評(píng)估

對(duì)于可靠性特征量服從威布爾分布的產(chǎn)品，由產(chǎn)品在任務(wù)中的動(dòng)作次數(shù)t0、每套產(chǎn)品的試驗(yàn)次數(shù)ti、試驗(yàn)過程中的故障數(shù)f、試驗(yàn)投試產(chǎn)品數(shù)n，可得產(chǎn)品發(fā)射任務(wù)可靠度的單側(cè)置信下限評(píng)估公式為

在本次可靠性試驗(yàn)過程中，參試產(chǎn)品出現(xiàn)責(zé)任故障 0個(gè)，根據(jù)式（2）和式（1）的試驗(yàn)參數(shù)，f=0，t1=570，t2=495，計(jì)算得到產(chǎn)品發(fā)射任務(wù)可靠度的單側(cè)置信下限值為

該可靠性可靠指標(biāo)較以前有大幅提高。

3.4 拉偏試驗(yàn)

為進(jìn)一步考察連接器鎖脫鉤結(jié)構(gòu)優(yōu)化后效果，結(jié)合連接器實(shí)際使用工況，對(duì)檢修合格的連接器產(chǎn)品進(jìn)行了2種極限工況下共47次拉偏試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證，在連接器吊鏈松弛的狀態(tài)下，僅設(shè)置斜向下的復(fù)位彈簧和不設(shè)置復(fù)位彈簧 2種極限使用工況，鎖脫鉤改進(jìn)后的連接器仍能順暢、可靠分離。連接器鎖脫鉤優(yōu)化后拉偏試驗(yàn)狀態(tài)如圖13所示。

圖13 連接器拉偏試驗(yàn) Fig.13 Limit Test of Connector

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)低溫供氣連接器供氣脫落分離過程軌跡分析，查找到連接器脫落時(shí)存在鎖脫鉤勾掛箭上活門故障模式，并對(duì)該故障模式提出連接器結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施；同時(shí)進(jìn)行改進(jìn)后的可靠性試驗(yàn)及拉偏試驗(yàn)驗(yàn)證，使連接器產(chǎn)品從本質(zhì)安全上提升脫落分離的可靠性，消除了對(duì)復(fù)位彈簧、緩沖筒等在發(fā)射場(chǎng)使用的高精度質(zhì)量要求，降低復(fù)位彈簧、緩沖筒的更換頻次，為后續(xù)多個(gè)運(yùn)載火箭型號(hào)的高密度發(fā)射任務(wù)提供了高質(zhì)量、強(qiáng)有力的保障。