呂立生 任華興 于 震 趙本華 姚 旗 王 燕 趙丹妮

空間站泵閥多余物預防與控制技術(shù)研究

呂立生 任華興 于 震 趙本華 姚 旗 王 燕 趙丹妮

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

泵閥類產(chǎn)品是空間站宇航員生命保障系統(tǒng)主要單機產(chǎn)品之一。然而多余物往往是影響泵閥類產(chǎn)品性能的關鍵因素。結(jié)合空間站泵閥類產(chǎn)品的特點，從設計、加工、裝配、測試等環(huán)節(jié)講述了空間站泵閥類產(chǎn)品多余物預防與控制措施，從而保證產(chǎn)品的潔凈度指標符合產(chǎn)品的可靠性要求。

空間站；泵閥；多余物；預防與控制

1 引言

多余物是指由外界進入或內(nèi)部產(chǎn)生的與產(chǎn)品標準狀態(tài)不符的一切物質(zhì)。產(chǎn)生原因主要有設計、加工制造、裝配測試等因素[1～3]。泵閥類多余物一般分為金屬和非金屬兩種，其中金屬多余物多為金屬屑，呈現(xiàn)條狀和塊狀，以及金屬粉末；非金屬多余物多為灰塵、纖維等。作為一類多余物敏感度較高的產(chǎn)品，空間站泵閥類產(chǎn)品一旦內(nèi)部出現(xiàn)多余物，就可能導致機構(gòu)部件卡滯，最終造成產(chǎn)品功能失效[4，5]。

如果多余物出現(xiàn)在地面測試階段，產(chǎn)品性能將受到影響，試驗工作無法正常進行，需要花費大量精力進行產(chǎn)品歸零。如果多余物出現(xiàn)在在軌運行階段，很有可能影響整個系統(tǒng)性能，甚至危及宇航員的生命安全。

2 泵閥多余物產(chǎn)生原因分析

2.1 泵閥的結(jié)構(gòu)特點

空間站泵閥類產(chǎn)品種類較多，涉及泵組件、安全閥、單向閥、旋塞閥、梭閥、減壓閥等產(chǎn)品，其工質(zhì)多為氣體和液態(tài)水。

其中密封環(huán)節(jié)涉及硫化件、膜片、O型圈、組合密封圈等多種密封形式。這些密封形式對多余物的敏感度非常高，往往在密封位置積聚一個很小的多余物，就能造成產(chǎn)品失效?？臻g站泵閥類產(chǎn)品各種密封形式的結(jié)構(gòu)特點如圖1所示。

圖1 密封形式示意圖

空間站泵閥類產(chǎn)品部分零件流道結(jié)構(gòu)復雜，含有較多相貫孔、細長孔。在加工和裝配過程中容易發(fā)生多余物清理不徹底的情況，造成試驗過程中多余物隨介質(zhì)流動，導致密封環(huán)節(jié)、開啟環(huán)節(jié)失效。泵閥類產(chǎn)品流道典型零件如圖2所示。

圖2 典型零件示意圖

2.2 多余物來源分析

梳理空間站泵閥類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點及研制過程，可得出多余物生產(chǎn)的環(huán)節(jié)主要包括幾個方面。

a. 設計缺陷。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，流道孔徑過細，未考慮到零件相貫孔毛刺的去除難度或是存在較多盲孔；以及在裝配過程中沒有防干涉、防磕碰設計；零件存在尖角、凸起、銳邊等情況。設計方案的優(yōu)化是防止產(chǎn)品多余物產(chǎn)生的先決條件。

b. 零件加工。零件加工過程是造成多余物產(chǎn)生的又一主要環(huán)節(jié)。主要有零件表面加工粗糙度情況、毛刺清理情況、零件表面處理狀態(tài)，以及零件加工完成后表面及內(nèi)腔油污清理情況等。零件加工過程是防止空間站泵閥類產(chǎn)品裝配、測試過程多余物產(chǎn)生的基礎。

c. 裝配測試。裝配前與工質(zhì)接觸的零件清洗不到位，與工質(zhì)接觸的螺接零件沒有試裝和并清洗，裝配測試過程的環(huán)境控制不滿足要求，裝配測試過程中關于輔助材料的使用未嚴格規(guī)范，以及各種儀器、設備、工裝、工具的使用錯誤，都可能導致多余物的產(chǎn)生。因此，裝配測試環(huán)節(jié)是空間站泵閥類產(chǎn)品多余物預防與控制的最關鍵環(huán)節(jié)。

通過以上分析，空間站泵閥類產(chǎn)品研制過程中各環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生多余物，均需采取防護措施。如果措施失效，多余物就會進入流道內(nèi)部。在后續(xù)檢查環(huán)節(jié)如果未被發(fā)現(xiàn)，則導致多余物進入試驗環(huán)節(jié)，將對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。

3 泵閥多余物預防與控制

3.1 設計環(huán)節(jié)的預防和控制

a. 流道設計——減少流道毛刺

泵閥類產(chǎn)品部分接口零件在接口處存在相互垂直相交孔的現(xiàn)狀，此種設計狀態(tài)相貫處存在的毛刺人工去除非常困難。通過工藝試驗優(yōu)化設計，將垂直孔改為斜孔結(jié)構(gòu)，省掉了相貫孔去毛刺的環(huán)節(jié)，而且能夠減小流道內(nèi)流體阻力，如圖3所示。

圖3 泵閥接口更改前后對照

b. 導向設計——避免磕碰

泵閥類產(chǎn)品設計時要考慮裝配的可實施性，活塞桿穿過密封結(jié)構(gòu)或活塞部位裝入缸體時，需在活塞桿和缸體端口處設計導向用倒角。其中，倒角長度大于等于組合密封圈寬度，倒角處最小直徑1小于組合密封圈在無壓縮狀態(tài)下的尺寸2，否則容易造成密封元件摩擦損傷產(chǎn)生多余物?；钊麠U基于裝配的優(yōu)化設計具體如圖4所示。

圖4 活塞桿的密封裝配

3.2 加工環(huán)節(jié)的預防和控制

零件加工過程中首先要保證零件的表面質(zhì)量。內(nèi)腔中和工質(zhì)接觸表面其表面粗糙度a≤3.2μm，密封面粗糙度a≤1.6μm，密封溝槽不允許尖角、銳邊存在。零件加工完成后，工質(zhì)接觸的零件需超聲波除油清洗，清洗后使用食用保鮮膜單件包裹后入庫。

需要表面處理的零件（如鋁合金表面硫酸本色陽極氧化處理、不銹鋼表面噴涂DLC薄膜），表面處理前需清理零件表面毛刺、超聲波除油清洗等。另外，需保證表面工藝的確定性、穩(wěn)定性，確保在產(chǎn)品后續(xù)裝配、測試過程中不會發(fā)生氧化生銹、鍍層脫落等情況。

對于相貫小孔較多的復雜零件，需采用專門的去毛刺方法，例如磨粒流去毛刺、電解去毛刺，并采用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查毛刺去除情況。其中，磨粒流清洗后內(nèi)腔殘留的磨料，應采用高壓氣體吹除，吹除干凈后再超聲波清洗。磨粒流去毛刺和內(nèi)窺檢查如圖5所示。

圖5 磨礪流清洗和內(nèi)窺檢查照片

3.3 裝配測試環(huán)節(jié)的預防和控制

3.3.1 環(huán)境要求

整個裝配測試環(huán)節(jié)需在優(yōu)于10萬級潔凈間裝配，裝配間的濕度為20%～60%，溫度控制在溫度(20±5)℃，照明不小于300lx。

3.3.2 裝配前零部件清洗要求

泵閥類零部件清洗前首先應選用不小于5倍放大鏡或體視顯微鏡檢查所有零部件外觀，主要檢查有螺紋首尾扣毛刺、螺紋首末扣不完整螺紋、O型圈等非金屬材質(zhì)零件有無毛邊。帶有螺紋孔的零件在清洗前，應先用與之配套的螺釘或配偶件試擰幾次，確保連接暢通，并檢查有無擠出的毛刺或多余物。

O型圈、硫化件、膜片等非金屬材質(zhì)零部件清洗過程先用浸過無水乙醇的無塵拭布仔細擦洗，然后置于清潔的玻璃器皿中晾干，期間至少翻轉(zhuǎn)一次，嚴禁將非金屬零部件浸泡在無水乙醇和其他溶劑中清洗。

與工質(zhì)接觸的鋁合金零部件，如果已經(jīng)表面處理（如表面硫酸、磷酸陽極陽化等），僅用干凈的無塵拭布擦拭即可，擦拭后不應有多余物（如布毛、線頭等）。裝配前用過濾后的高純氮氣從入口吹除，再用無塵拭布放置出口。吹除后用10倍顯微鏡觀測無塵拭布表面，不允許有大于50μm顆粒多余物。

其它與工質(zhì)接觸的鋁合金、鈦合金、不銹鋼零件需潔凈度沖洗，潔凈度沖洗時間不少于30min，清洗后流經(jīng)零件待測區(qū)的去離子水潔凈度滿足D2等級要求為止。其中D2等級的判斷標準如表1所示。

表1 D2等級潔凈度指標要求

3.3.3 裝配過程注意事項

裝配過程中操作人員需戴上潔凈丁腈手套。螺釘使用前需要用干凈的無塵拭布蘸無水乙醇擦拭表面。擦拭后用10倍放大鏡在燈光下檢驗無塵拭布表面，確認無可見多余物。螺釘使用3次以上需要及時更換新螺釘。

O型圈涂抹7805潤滑脂涂抹時，需將7805潤滑脂抹在無塵拭布上，通過無塵拭布的縫隙擠出的油脂涂抹在O形圈上。螺釘使用MS防松膠防松處理時，需在螺紋擰合方向均勻涂刷3～4個螺距，緊固后將多余防松膠及時清除干凈。

需要拆裝產(chǎn)品時，先將出入口等處采用特氟隆壓敏膠帶密封，涉及MS防松膠涂抹處拆裝時，需收集MS防松膠，對螺紋處仔細清理，并用無塵試布擦拭，最后將潔凈度清洗合格。

裝配過程中不允許修搓零部件。不應對裝配合格的單機產(chǎn)品再機械加工。零部件重新裝配前需要用干凈的無塵拭布蘸無水乙醇擦拭零件表面，擦拭后用10倍放大鏡在燈光下檢驗無塵拭布表面，確認無可見多余物方可裝配，無塵拭布和無水乙醇不能重復使用。

過盈配合處不允許采用非金屬工裝，防止產(chǎn)生多余物。泵閥產(chǎn)品裝配或試驗完成后，立即在接口處安裝保護帽。保護帽應保證在裝配前處于潔凈狀態(tài)。

3.3.4 測試過程注意事項

泵閥試驗過程中，測試用氣體和液體等試驗介質(zhì)應符合潔凈度指標要求。其中，高純氮氣、高純氦氣使用10μm過濾器過濾；無水乙醇使用不低于5μm過濾膜過濾；去離子水應使用50μm過濾器過濾；過濾器使用前需檢查過濾網(wǎng)狀態(tài)，保證狀態(tài)完好、無破損，并每3個月重新清洗、標定過濾器。

泵閥測試平臺必須無油污，測試前需超聲波除油清洗工藝接頭、堵頭均。安裝前，再用無塵拭布蘸無水乙醇擦拭工藝孔。擦拭后用10倍放大鏡在檢驗無塵拭布表面，確認無可見多余物。PVC軟管與接頭連接時，每次裝配前都需要確認PVC軟管經(jīng)過多余物清洗檢測合格，確認管口表面是否光滑、潔凈無多余物，并采用0.5MPa高純氮氣吹除不少于1min。

測試階段或產(chǎn)品交付時，如需跨車間、跨廠房轉(zhuǎn)運，在泵閥類產(chǎn)品出入口處安裝保護帽，并用食用保鮮膜包裹完好，放入潔凈的密封盒中轉(zhuǎn)運。

4 結(jié)束語

多余物控制是航天產(chǎn)品質(zhì)量控制的一個長期的話題，以空間站泵閥類產(chǎn)品為例，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點、使用環(huán)境，分析多余物產(chǎn)生途徑和原因，并從設計、加工、裝配、測試等環(huán)節(jié)提出了針對性的預防和控制措施。使空間站泵閥類產(chǎn)品在整個研制過程中產(chǎn)生的多余物得到有效地控制和清除。

1 李文斌，王道虎，馬飛，等. 箭體閥門多余物預防與控制[J]. 航天技術(shù)研究，2014(4)：50～53

2 吳建勝，馮世澤，趙黎明，等. 航天地面設備液壓缸多余物預防與控制[J]. 液壓氣動與密封，2016(1)：66～69

3 熊濤. 航天器總裝多余物控制方法探討[J]. 航天器環(huán)境工程，2006，23(5)：277～281

4 樊曉霞，李娜，張玉良，等. 鋁合金薄壁殼體研制過程多余物控制分析[J]. 航天制造技術(shù)，2014(5)：67～71

5 王輝，李護林，崔超海. 發(fā)動機總裝多余物控制方法[J]. 航天制造技術(shù)，2003(5)：39～42

Research on Prevention and Control of Foreign Object Debris of Pump and Valve in Space Station

Lv Lisheng Ren Huaxing Yu Zhen Zhao Benhua Yao Qi Wang Yan Zhao Danni

(Beijing Spacecrafts Manufacturing Co., Ltd., Beijing 100094)

Pump and valve product is one of the main stand-alone products of the life support system for space station astronauts. However, foreign object debris is the factor affecting pump and valve product. This paper tells the measures of prevention and control for foreign object debris of pump and valve in space station from the sections of designing, processing, assembling and testing, combing the characteristics of pump and valve product in space station. Therefore, the cleanliness index of the product is guaranteed to meet the reliability requirements of the product.

space station；pump and valve；foreign object debris；prevention and control

呂立生（1988），工程師，航天工程專業(yè)；研究方向：航天機構(gòu)產(chǎn)品精密裝配技術(shù)。

2019-08-12