王愛偉，劉照智，王建秋，劉聰聰，高彥峰

（1.北京航天愛銳科技有限責(zé)任公司，北京，100076；2.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

連接器是運載火箭與地面氣液電管線間的關(guān)鍵接口設(shè)備，某連接器通過球鎖機構(gòu)手動鎖緊、火箭起飛前自動脫落，其工作可靠性影響發(fā)射任務(wù)成敗［1-3］。通過對采用球鎖機構(gòu)連接器使用過程中出現(xiàn)的對接鎖緊不上、意外解鎖脫開、解鎖異常等典型故障底事件及機理進行分析，總結(jié)措施，供球鎖機構(gòu)類連接器產(chǎn)品技術(shù)研制參考［4-6］。

1 連接器及球鎖結(jié)構(gòu)原理

連接器及球鎖部位結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由插座本體、連接器本體及安裝于中心的球鎖機構(gòu)零部件等組成，球鎖機構(gòu)包括承力螺母、3 個鋼球、活塞筒、活塞桿、導(dǎo)向銷、彈簧、活塞墊、活塞螺母等組成。

圖1 連接器及球鎖部位結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of connector and ball lock

連接器鎖緊、解鎖功能主要由球鎖機構(gòu)實現(xiàn)。鎖緊時，將伸出的連接器球鎖插入插座本體上的承力螺母，活塞桿在彈簧力作用下向右推動，使鋼球進入活塞桿大徑處鋼球槽及承力螺母間實現(xiàn)球鎖上鎖；解鎖時，活塞桿前移使鋼球進入活塞桿小徑實現(xiàn)解鎖。

2 典型故障機理分析

引起連接器故障的底事件較多，產(chǎn)品生產(chǎn)尺寸超差、質(zhì)量不滿足設(shè)計要求，或使用過程中引入多余物、操作不當(dāng)均有可能造成產(chǎn)品發(fā)生故障，本文選取典型事件進行故障機理分析［7-9］。

2.1 連接器對接鎖緊不上故障機理分析

連接器對接鎖緊不上故障底事件有球鎖伸出不到位、鋼球損壞、活塞桿偏轉(zhuǎn)等。其中活塞螺母裝配松動會導(dǎo)致活塞桿解鎖時伸出過長進而活塞桿偏轉(zhuǎn)。原因為：當(dāng)活塞螺母裝配松動間隙過大，在連接器脫落過程中，活塞桿運動行程超出導(dǎo)向銷周向限位范圍，活塞桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致鋼球與鋼球槽相對位置變化，再次對接時鋼球無法進入相應(yīng)鋼球槽內(nèi)，導(dǎo)致連接器對接鎖緊不上。

活塞螺母裝配松動導(dǎo)致活塞桿偏轉(zhuǎn)機理為：當(dāng)球鎖出現(xiàn)活塞桿導(dǎo)向槽脫出導(dǎo)向銷并偏轉(zhuǎn)，鋼球和鋼球槽錯位（如圖2 所示），將會出現(xiàn)連接器對接后無法鎖緊現(xiàn)象。正常情況下活塞桿導(dǎo)向槽與導(dǎo)向銷具有防滑出偏轉(zhuǎn)限位余量約3 mm，活塞桿后端活塞墊及活塞螺母松動導(dǎo)致間隙L過大時（正常應(yīng)為0），連接器脫落時活塞桿導(dǎo)向槽將運動脫出定位銷。示例故障機理下的活塞墊與活塞桿限位臺階裝配間隙L實測達4 mm，此時活塞桿導(dǎo)向槽已脫出導(dǎo)向銷1 mm（圖2中△h=L-3）周向呈自由狀態(tài)，因而在彈簧壓縮后形成的扭矩作用下回復(fù)時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致連接器無法對接鎖緊。

圖2 活塞桿脫出導(dǎo)向銷及偏轉(zhuǎn)Fig.2 Piston rod stripping guide pin and deflection

2.2 連接器意外解鎖脫開機理分析

連接器意外解鎖脫開故障底事件有球異常鎖解鎖作動、活塞桿及鋼球等結(jié)構(gòu)件損壞、活塞桿處于臨界鎖緊位置等。其中彈簧變形后參數(shù)超差會引起活塞桿處于臨界鎖緊位置，原因為：彈簧變形后參數(shù)超差、彈簧力不足，在連接器對接時不能使活塞桿完全到達鎖緊位置，導(dǎo)致球鎖處于臨界鎖緊狀態(tài)，連接器工作時作用力使球鎖受力發(fā)生變化，打破臨界鎖緊狀態(tài)，連接器意外解鎖脫開。

彈簧變形后參數(shù)超差引起活塞桿處于臨界鎖緊位置機理為：活塞作動彈簧變形后參數(shù)超差、彈簧力不足，不能將鋼球完全擠進活塞桿鋼球槽，而卡在活塞桿邊緣的位置形成臨界鎖緊，見圖3。在此狀態(tài)下，設(shè)活塞桿與鋼球的摩擦系數(shù)u為0.1，當(dāng)tanα≤0.1、即0°＜α≤5.7°時，連接器可以形成有效鎖緊，此時鋼球?qū)钊麠U的水平分力不足以克服徑向分力產(chǎn)生的運動摩擦力。在充放氣及外界干擾下，鋼球與活塞桿邊緣接觸處最大發(fā)生5.7°以上的滾動變化時，鋼球球心相對于活塞桿只需向前移動約0.45 mm便可打破臨界鎖緊狀態(tài)的平衡。連接器處于臨界鎖緊狀態(tài)時，在外界的輕微干擾下可能會讓連接器意外解鎖脫開。示例故障機理下的活塞桿相對活塞筒位置測量，發(fā)現(xiàn)鋼球處于活塞桿臨界鎖緊位置處，分解檢查彈簧有異常變形、參數(shù)超差，彈簧力不足。

圖3 球鎖臨界鎖緊Fig.3 Ball lock critical lock

2.3 連接器解鎖異常機理分析

連接器解鎖異常故障底事件有活塞桿作動力測試異常、球鎖自身運動部件卡滯、鋼球解鎖摩擦力增大等。其中鋼球受力偏載會導(dǎo)致鋼球解鎖摩擦力增大，原因為：連接器對接后按斷開關(guān)頂死使得球鎖與壓緊螺母、承力螺母傾斜不同軸，導(dǎo)致球鎖3個鋼球受力偏載造成活塞桿運動摩擦力增大。

鋼球受力偏載導(dǎo)致鋼球解鎖摩擦力增大機理為：球鎖鎖緊后鋼球的受力如圖4所示，圖4a中N1為球鎖對鋼球向右的拉力，N2為承力螺母梯形槽45°斜面對鋼球的壓緊力，由于N2的作用鋼球?qū)钊麠U產(chǎn)生N3大小的正壓力，理想情況下3個鋼球受力均勻，活塞桿被夾持在球鎖中心，不與活塞筒內(nèi)表面接觸，N1=F/3（F為連接器鎖緊后球鎖對承力螺母的軸向鎖緊拉力），此時活塞桿所受的摩擦力為f=3uN1=uF。

圖4 活塞桿與鋼球受力分析Fig.4 Force analysis of piston rod and steel ball

當(dāng)鋼球孔存在軸向位置偏差等導(dǎo)致鋼球受力偏載（見圖4a）、球鎖體前端傾斜，活塞桿與活塞筒的前端配合由小間隙轉(zhuǎn)為貼合并產(chǎn)生壓緊力。活塞桿與各鋼球受力工況縱剖面見圖4b，設(shè)各個鋼球及活塞筒對活塞桿的作用力分別為NA、NB、NC、ND。惡劣工況下，僅1 個鋼球受力時（見圖4c），則該鋼球與活塞桿之間正壓力為NA=F，活塞桿壓向活塞筒后其支反力為ND=NA，活塞桿解鎖時的最大摩擦力為f=u（ND+NA）=2uF，即正常工況下的2 倍解鎖力方能實現(xiàn)解鎖。分析可知，視鋼球孔位置偏差程度及球鎖傾斜程度，鋼球徑向受力不均則解鎖摩擦力大小范圍為uF≤f≤2uF。問題連接器提高解鎖力至2倍后實現(xiàn)解鎖，與機理分析預(yù)測一致。

示例故障機理的連

接器測試過程中連接器本體與箭上插座端面間的按斷開關(guān)有頂死現(xiàn)象，因而造成連接器本體一側(cè)受到偏載作用，偏載力過大時使連接器球鎖與連接器本體連接后產(chǎn)生永久殘余變形，導(dǎo)致鋼球解鎖摩擦力增大、球鎖解鎖力增加，出現(xiàn)解鎖異常。

3 結(jié)束語

根據(jù)連接器球鎖機構(gòu)鎖脫異常典型故障模式及機理分析，在產(chǎn)品測試及使用過程中對活塞螺母裝配緊固到位、活塞桿鎖緊運動到位后與活塞筒相對位置尺寸制定了量化控制措施，同時制定了活塞桿是否偏轉(zhuǎn)、按斷開關(guān)動作防頂死檢查措施，避免了典型故障模式發(fā)生，保證了產(chǎn)品使用可靠性，供相關(guān)球鎖結(jié)構(gòu)類連接器及類似產(chǎn)品參考。