解鎖裝置振動失效分析及改進(jìn)

張威 景莉 劉群 楊昭 周傳霞 張麗梅 岳澤鵬

解鎖裝置振動失效分析及改進(jìn)

張威 景莉 劉群 楊昭 周傳霞 張麗梅 岳澤鵬

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

解鎖裝置是廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的火工裝置，可用于星體與其相機(jī)主載荷的約束與釋放。在衛(wèi)星到達(dá)指定軌道時，解除相機(jī)與衛(wèi)星平臺的約束，釋放相機(jī)自由度以調(diào)整拍攝姿態(tài)，同時還需要在發(fā)射主動段提供相機(jī)足夠的剛性支撐，保證結(jié)構(gòu)不失效。但在試驗過程中，解鎖裝置聯(lián)合相機(jī)振動時會發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，剛性支撐提前解除。為解決該問題，文章以解鎖裝置為主要分析對象，通過承載機(jī)理分析、有限元仿真及對故障件的拆解檢查，確定了解鎖裝置振動失效的機(jī)理。此外，通過分析預(yù)緊力矩對解鎖裝置彎曲剛度的影響，提出了增加預(yù)緊力矩的改進(jìn)方法，解鎖裝置彎曲變形降低15%，局部模態(tài)產(chǎn)生的位移降低40%，最終順利通過了聯(lián)合振動試驗，解決了解鎖裝置振動失效問題,為同類產(chǎn)品的失效分析及改進(jìn)提供了重要的參考依據(jù)。

火工裝置 解鎖裝置 結(jié)構(gòu)失效 改進(jìn)方法

0 引言

近年來，隨著我國國防工業(yè)的發(fā)展，火工技術(shù)也取得了長足發(fā)展，其中解鎖類火工裝置已成為航空、航天領(lǐng)域的一個重要組成部分，在諸多星箭分離、載荷解約等工況下起著不可替代的作用[1-3]。解鎖裝置作為衛(wèi)星載荷的“腿”，在發(fā)射主動段為載荷提供可靠的剛性支撐，待衛(wèi)星到達(dá)指定軌道時，需要可靠地解除載荷與衛(wèi)星平臺的約束，釋放相機(jī)自由度。因此，若解鎖裝置在發(fā)射主動段出現(xiàn)連接失效問題，會導(dǎo)致衛(wèi)星載荷提前失去約束，產(chǎn)生碰撞、沖擊等嚴(yán)重?fù)p傷，甚至造成主任務(wù)失敗。

為了避免解鎖裝置發(fā)生失效，近些年廣大學(xué)者的研究主要集中在兩個方面：一方面是解鎖裝置的承載工作原理分析，另一方面是失效分析。在承載工作原理方面，文獻(xiàn)[4]介紹了一種分離解鎖裝置的設(shè)計方法，該裝置采用軸向連接、徑向解鎖的方式，在分離前，使用螺紋連接方式將螺栓與分瓣螺母可靠地連接在一起。解鎖時在燃?xì)鈮簭?qiáng)作用下分瓣螺母張開，解除對螺栓的約束，該裝置主要功能是鎖緊、解鎖，不提供分離動能。文獻(xiàn)[5]介紹了一種用于飛機(jī)反尾旋傘與飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的連接解鎖裝置，工作原理是當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入反尾旋狀態(tài)時，該裝置通過鋼珠、套筒和螺栓桿共同作用，承受反尾旋傘的氣動載荷，當(dāng)飛機(jī)退出反尾旋狀態(tài)時，解鎖裝置工作，活塞運動使鋼珠回位，螺栓桿在反尾旋傘的氣動載荷作用下及活塞推力的作用下分離。文獻(xiàn)[6-7]介紹了一種熱切割分離釋放裝置，是利用材料高溫力學(xué)性能較常溫力學(xué)性能差的原理研制的一種分離裝置。文獻(xiàn)[8]利用內(nèi)彈道理論建立了拔銷式解鎖裝置工作過程的仿真模型，并對不同工況下工作過程進(jìn)行了仿真分析。從失效分析方面，文獻(xiàn)[9]對翼面組件開鎖裝置環(huán)境試驗時出現(xiàn)的失效現(xiàn)象進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[10]通過理論計算，分析了某火箭炮閉鎖機(jī)構(gòu)在強(qiáng)制解脫過程中產(chǎn)生的振動失效問題。文獻(xiàn)[11]對楔形鎖緊裝置螺紋的鎖死故障進(jìn)行了分析及改進(jìn)。文獻(xiàn)[12]對星箭解鎖裝置夾塊的斷裂進(jìn)行了失效分析。文獻(xiàn)[13]通過對前緊定裝置連接失效進(jìn)行分析，提出在振動條件下，目標(biāo)預(yù)緊力矩設(shè)置為前緊定裝置連接副中最薄弱零件材料屈服極限的50%～70%，可有效保證預(yù)緊可靠，前緊定裝置連接不失效。文獻(xiàn)[14]分析了機(jī)載計算機(jī)鎖鉤斷裂的失效機(jī)理，認(rèn)為鎖鉤圓角處基材表層存在的裂紋擴(kuò)展及增長是導(dǎo)致振動過程中失效的主要原因。文獻(xiàn)[15]通過對某發(fā)射裝置解鎖口蓋斷裂故障進(jìn)行分析，提出了更換材料的改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[16]分析了某阻力傘鎖滑車試驗過程中，滾柱梁失效導(dǎo)致開傘失敗的問題。綜上所述，近些年關(guān)于星體與相機(jī)主載荷連接釋放類解鎖裝置的研究較少，且未見相關(guān)失效分析內(nèi)容，但部分學(xué)者對各類解鎖裝置的工作原理及失效分析是具有較高借鑒意義的。伴隨著相機(jī)主載荷連接釋放類解鎖裝置在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，失效事故也隨之頻發(fā)，而振動失效是其中的常見問題。因此在地面研制過程中，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題，是確保航天任務(wù)圓滿完成，實現(xiàn)“高質(zhì)量保成功、高效率完成任務(wù)、高效益推動航天強(qiáng)國和國防建設(shè)”三高發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[17-20]。

本文以解鎖裝置地面振動試驗時發(fā)生的失效問題為例進(jìn)行分析，將失效原因定位于局部扭轉(zhuǎn)模態(tài)下解鎖裝置抗彎能力不足，并通過對解鎖裝置彎曲剛度進(jìn)行仿真，提出了增加解鎖裝置預(yù)緊力矩的改進(jìn)措施。此外，通過對相機(jī)底板進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，增加了底板的抗彎性能，大幅度降低了解鎖裝置因局部模態(tài)產(chǎn)生的位移。最終通過試驗驗證了該改進(jìn)措施的有效性，為同類產(chǎn)品的失效分析及改進(jìn)提供了參考。

1 解鎖裝置結(jié)構(gòu)及原理

衛(wèi)星常用于資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、城市精細(xì)管理、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域，為保證衛(wèi)星的相機(jī)主載荷順利達(dá)到指定軌道，通常使用解鎖裝置連接相機(jī)與衛(wèi)星平臺，在發(fā)射主動段解鎖裝置提供剛性支撐，待衛(wèi)星到達(dá)指定軌道時，解鎖裝置解除相機(jī)與衛(wèi)星平臺的約束，釋放相機(jī)自由度以調(diào)整拍攝姿態(tài)。

圖1為典型的載荷釋放類火工解鎖裝置，用于載荷的鎖定與釋放，主要由點火器、下連接座、剪切銷、助推塊、分離瓣、外筒、支座、圓錐彈簧、端蓋、上連接座、螺栓、楔塊、內(nèi)筒、內(nèi)六角螺釘、藥殼及同步環(huán)等部分組成。通過上、下連接座分別連接星體與載荷。

圖1 解鎖裝置結(jié)構(gòu)

解鎖裝置未接到解鎖命令時需要可靠承載，其承載原理為：解鎖裝置上下兩端受拉時，如圖2（a）所示，上連接座的拉力直接作用在螺栓上，螺栓通過螺紋與分離瓣連接，將拉力傳遞至分離瓣，分離瓣徑向由內(nèi)筒約束，軸向由支座約束，因支座與分離瓣間設(shè)置了一定傾角，因此該拉力一部分轉(zhuǎn)化為徑向力作用于內(nèi)筒，一部分轉(zhuǎn)化為軸向力作用于支座，兩分力最終均作用于下連接座。解鎖裝置上下兩端受壓時，如圖2（b）所示，上連接座的壓力直接作用在外筒上，通過外筒與楔塊的45°角將該壓力作用于楔塊，并轉(zhuǎn)化為向下的壓力和楔塊徑向回縮的力，楔塊徑向由內(nèi)筒所約束（沒有回縮空間），向下的壓力則直接作用于下連接座。解鎖裝置通過兩個不同的受力途徑實現(xiàn)了拉壓載荷，并通過對螺栓提前施加預(yù)緊力矩來消除各零件間的配合間隙，實現(xiàn)預(yù)緊狀態(tài)，確保解鎖裝置可靠承載。

圖2 解鎖裝置承載原理

解鎖裝置接到解鎖命令時需要可靠解鎖，其解鎖時的工作過程分為4步：①點火器接到電信號后產(chǎn)生高壓燃?xì)膺M(jìn)入藥殼、助推塊、內(nèi)筒三個零件組成的密閉容腔內(nèi)；②內(nèi)筒在燃?xì)庾饔孟拢a(chǎn)生向下壓力，壓力達(dá)到剪切銷剪切力后，剪斷剪切銷向下運動，且運動時帶動與之螺接的內(nèi)六角螺釘，繼而帶動與螺釘帽配合的同步環(huán)向下運動，內(nèi)筒運動3.5 mm后，如圖3（a）所示，分離瓣、楔塊徑向約束解除；③分離瓣在助推塊斜面的推動下沿徑向張開，解除其與螺栓的螺紋約束，螺栓在圓錐彈簧作用下向上運動，直至與端蓋接觸為止，如圖3（b）所示；④內(nèi)筒繼續(xù)向下運動1 mm后，帶動內(nèi)六角螺釘與外筒接觸，拉動外筒向下運動，此時楔塊受力沿徑向回縮。外筒軸向約束解除，向下運動至與下連接座接觸為止，解鎖裝置工作完畢，分離面距離≥6 mm，如圖3（c）所示。

圖3 解鎖裝置工作過程

2 解鎖裝置失效現(xiàn)象及機(jī)理分析

2.1 失效現(xiàn)象

解鎖裝置在參與相機(jī)振動試驗時，模擬星上安裝方式將三套解鎖裝置呈120°分布安裝在相機(jī)底部，其上連接座與相機(jī)主體的阻尼桁架連接，下連接座則通過工裝直接安裝在振動臺上，如圖4所示。

在進(jìn)行向正弦振動時，發(fā)現(xiàn)位于+方向的解鎖裝置發(fā)生失效，解鎖裝置在沒有通電的情況下提前解鎖。解鎖裝置失效后，對三套解鎖裝置均進(jìn)行了拆解檢查，發(fā)現(xiàn)其中+方向解鎖裝置剪切銷斷裂，各零件呈解鎖狀態(tài)，其中分離瓣、螺栓和楔塊均有明顯受力損傷情況，檢查發(fā)現(xiàn)楔塊、支座的承力部位也均有較大的壓傷，如圖5所示，壓傷均處于解鎖器承載傳力位置且壓痕較深，顯示解鎖裝置在振動過程中承受了極大的載荷。同時，–方向的解鎖裝置經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)剪切銷已嚴(yán)重?fù)p傷，基本處于臨界失效狀態(tài)。這是由于進(jìn)行向振動時，位于+和–側(cè)的兩套解鎖裝置為對稱布局，受力情況一致，兩套解鎖裝置失效情況一致。+側(cè)的解鎖裝置未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

圖4 解鎖裝置安裝狀態(tài)

圖5 損傷情況1

2.2 失效機(jī)理分析

對解鎖裝置承載過程進(jìn)行分析，若解鎖裝置因受拉或受壓而出現(xiàn)失效，則剪切銷僅承受內(nèi)筒零件上下運動自由度的振動過載，但向振動時，內(nèi)筒無上下運動自由度，剪切銷為零受力狀態(tài)，不會發(fā)生斷裂。且對解鎖裝置承載能力進(jìn)行了復(fù)測，根據(jù)指標(biāo)要求，解鎖裝置的軸向承載能力要求≥89.9 kN，據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行承載試驗，試驗時利用加載工裝，對解鎖裝置軸向的拉壓均進(jìn)行加載，加載至168.6 kN后保載30 s，解鎖裝置均未發(fā)生失效，可見解鎖裝置有足夠的拉壓承載能力。此外，根據(jù)振動試驗現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，與解鎖裝置連接的阻尼桁架處放大倍數(shù)=5.2，振動臺的輸入為正弦振動加速度=1.5n（10～100 Hz，4 oct/min），考慮到相機(jī)總質(zhì)量為600 kg，解鎖裝置受力為

式中為相機(jī)總質(zhì)量；標(biāo)準(zhǔn)重力加速度n=9.8 m/s2?？梢娊怄i裝置受力并未超過其軸向承載指標(biāo)及能力，因此可以判斷本次振動失效與解鎖裝置軸向承載能力無關(guān)。

為進(jìn)一步分析失效原因，對振動錄像進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)振動過程中，相機(jī)阻尼桁架發(fā)生往復(fù)變形，與之連接的+、–方向解鎖裝置上連接座均出現(xiàn)左右搖擺情況，存在局部扭擺的振動模態(tài)，而+方向上的解鎖裝置無此現(xiàn)象。分析阻尼桁架的傳力特性，桁架桿通過球頭釋放了每根桿的旋轉(zhuǎn)自由度，使得每根桿成為了標(biāo)準(zhǔn)2力桿（即沿1和2兩個受力方向），只能承受拉壓載荷，如圖6所示。作用在桁架上下座上的載荷，都會轉(zhuǎn)換成桿件的拉壓。

圖6 桁架受力示意

阻尼桁架下端安裝解鎖裝置，當(dāng)正弦振動方向為向時，+、–方向上的阻尼桁架上端承受切向載荷，桁架有繞上端往復(fù)旋轉(zhuǎn)的趨勢，導(dǎo)致兩桿出現(xiàn)拉壓相反的受力情況，該力作用在解鎖裝置的上連接座，會使解鎖裝置承受彎曲力矩，動態(tài)載荷作用下還會出現(xiàn)往復(fù)交變，該力矩使解鎖裝置上連接座發(fā)生往復(fù)旋轉(zhuǎn)。解鎖裝置通過螺栓零件實現(xiàn)預(yù)緊力矩施加，而預(yù)緊力矩產(chǎn)生的預(yù)緊力方向正好過上連接座旋轉(zhuǎn)中心，理論力臂長度為0，無法形成足夠力矩抵抗上連接座的扭轉(zhuǎn)，因此解鎖裝置抗彎曲能力較低，當(dāng)阻尼桁架彎曲力矩過大時，解鎖裝置產(chǎn)生較大彎曲位移，檢查振動數(shù)據(jù)達(dá)到5.9 mm，導(dǎo)致解鎖裝置承載失效。而該方向振動時，+方向的阻尼桁架兩桿同時承受拉載荷或壓載荷，不存在彎矩，因此解鎖裝置上連接座不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此+方向的解鎖裝置未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

結(jié)合故障現(xiàn)象，解鎖裝置上連接座兩端受到往復(fù)彎曲力矩時，解鎖裝置變形過大，抗彎剛度不足。對解鎖裝置抗彎性能進(jìn)行分析，如圖7所示。解鎖裝置呈彎時，一側(cè)受拉一側(cè)受壓，受壓一側(cè)在材料未發(fā)生破壞時，其剛度主要取決于材料剛度，而受拉一側(cè)，若螺栓預(yù)緊力矩不足，則會導(dǎo)致上連接座與外筒之間出現(xiàn)間隙，預(yù)緊失效繼而出現(xiàn)較大位移，下連接座與支座接觸位置也會出現(xiàn)較大變形，往復(fù)作用下，最終導(dǎo)致分離瓣脫出內(nèi)筒，表現(xiàn)形式為內(nèi)筒剪斷剪切銷后解鎖裝置失效。

圖7 解鎖彎曲受力示意

3 改進(jìn)措施及試驗驗證

為避免解鎖裝置失效，需防止其產(chǎn)生過大彎曲位移，因此，解鎖裝置需進(jìn)行健壯性設(shè)計以提高解鎖裝置彎曲剛度?？紤]到解鎖裝置受拉一側(cè)會因預(yù)緊力矩不足產(chǎn)生縫隙，使用有限元軟件對解鎖裝置進(jìn)行仿真。當(dāng)螺栓使用100 N·m、165 N·m、200 N·m預(yù)緊力矩時，對解鎖裝置上連接座施加一定的彎矩，解鎖裝置彎曲變形情況如圖8所示。從變形量能夠定量地看出，在相同外載荷情況下，當(dāng)預(yù)緊力矩由=100 N·m增大到165 N·m后，彎曲變形能夠降低15%；從165 N·m增大到200 N·m后，彎曲變形能夠降低8%。據(jù)此分析，可得出螺栓預(yù)緊力矩增大能夠提高解鎖裝置的抗彎剛度和抗彎能力。因此結(jié)合解鎖試驗情況，對解鎖裝置的預(yù)緊力矩進(jìn)行了提高。

圖8 不同預(yù)緊力矩下解鎖裝置變形示意

此外，在相機(jī)阻尼桁架下端、解鎖裝置上端，增加了剛性底板，通過相機(jī)底板實現(xiàn)3個解鎖裝置的聯(lián)動，通過總體構(gòu)型消除局部模態(tài)。如圖9所示。

圖9 底板示意

保持解鎖裝置狀態(tài)不變，分析向1個標(biāo)準(zhǔn)重力加速度n下解鎖裝置的形變在增加底板前后的變化。增加底板前，解鎖裝置兩端向最大位移為0.14 mm如圖10（a）所示。增加底板后，解鎖裝置兩端向最大位移為0.082 mm，如圖10（b）所示。可見，增加底板可使最大位移降低40%，作用在解鎖裝置上的彎曲效果降低40%。

按照上述措施進(jìn)行改進(jìn)后，重新進(jìn)行3次正弦振動試驗，每次均為、、三個方向，解鎖裝置預(yù)緊力矩設(shè)置為165 N·m，正弦振動加速度為=1.5n（10～100 Hz，4 oct/min）。通過觀測，解鎖裝置順利通過了振動試驗，沒有在振動過程中出現(xiàn)明顯的失效情況。此外，為進(jìn)一步驗證解鎖裝置是否出現(xiàn)振動失效，在正弦振動試驗前后均設(shè)置了一次加速度為=0.2n的掃頻試驗，通過觀察相機(jī)頻率是否出現(xiàn)較大變化，判斷解鎖裝置對相機(jī)的支撐能力是否發(fā)生變化，從而判斷解鎖裝置是否出現(xiàn)振動失效。由表1所示掃頻試驗結(jié)果可知，相機(jī)一階頻率在3次正弦振動試驗前后基本保持一致，說明解鎖裝置對相機(jī)的支撐能力沒有因正弦振動試驗而發(fā)生變化，試驗結(jié)果顯示，解鎖裝置順利通過了振動試驗，解決了失效問題。

圖10 解鎖裝置變形示意

表1 試驗前后相機(jī)頻率變化

Tab.1 Camera frequency change before and after the test

4 結(jié)束語

本文經(jīng)過對解鎖裝置的故障現(xiàn)象、工作原理及承載機(jī)理進(jìn)行分析，明確了其振動失效原因。此外，結(jié)合有限元仿真分析了預(yù)緊力矩對解鎖裝置彎曲剛度的影響，并提出了解決措施。最終通過增加解鎖裝置的預(yù)緊力矩和相機(jī)局部模態(tài)的改善，解決了解鎖裝置的振動失效問題，并通過了試驗驗證。文中的研究方法為同類產(chǎn)品的失效分析及改進(jìn)提供了重要的參考依據(jù)。

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Vibration Failure Analysis and Improvement of an Unlocking Device

ZHANG Wei JING Li LIU Qun YANG Zhao ZHOU Chuanxia ZHANG Limei YUE Zepeng

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The unlocking device is a pyrotechnic device widely applied in the aviation and aerospace fields, which is used for the constraint and release of the star and its main load camera. When the satellite reaches the designated orbit, it is required to release the constraint of the camera and the satellite bus, release the degree of freedom of the camera to adjust the shooting attitude. At the same time, it is also required to provide sufficient rigid support for the camera in the active launch phase to avoid the structure failure. However, during the development process, the unlocking device experienced structural failure during the camera vibration test, and the rigid support was released in advance. To solve this problem, this paper takes the unlocking device as the main analysis object, and determines the mechanism of vibration failure of the unlocking device through bearing mechanism analysis, finite element simulation, and disassembly inspection of the faulty component. Furthermore, by analyzing the influence of preload torque on the bending stiffness of the unlocking device, an improved method to increase the preload torque is proposed, the bending displacement of the unlocking device is reduced by 15%, and the displacement generated by local modes is reduced by 40%. Finally, the joint vibration test is successfully passed, solving the problem of vibration failure of the unlocking device, providing important reference for the failure analysis and improvement of similar products.

pyrotechnic device; unlocking device; structure failure; improved method

V414.1

A

1009-8518(2023)05-0029-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.004

2023-03-09

張威, 景莉, 劉群, 等. 解鎖裝置振動失效分析及改進(jìn)[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(5): 29-36.

ZHANG Wei, JING Li, LIU Qun, et al. Vibration Failure Analysis and Improvement of an Unlocking Device[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 29-36. (in Chinese)

（編輯：陳艷霞）