运载火箭电液伺服系统多余物识别与防控措施研究

　　摘要:针对运载火箭配套电液伺服系统产品结构复杂、生产工序繁琐、易生多余物、且其性能受多余物影响大的特点，现以提产品可靠性为目的，基于液压回路和电气回路的工作特点，分析多余物来源和典型故障模式，结合近年来质量问题数据统计，采用故障树法(FaultTreeAnalysis)和矩阵图法(MatrixDiagram)，对从设计至飞行的全生命周期内多余物引入模式进行识别和评定，梳理了设计、工艺和过程控制三方面的防控措施，改进了油液加注环节，建立了较为完善的多余物防控体系，为确保产品质量奠定了基础。

　　关键词:电液伺服系统;多余物防控;可靠性;研究

　　0引言

　　电液伺服系统作为运载火箭飞行控制执行机构，是决定发射任务成败的关键。运载火箭作为复杂的高风险系统，对可靠性要求极为苛刻，通常整体可靠性指标至少为0.97，分解到各伺服系统的一个摇摆方向上至少要求在0.999以上[1]。现用于运载火箭的电液伺服系统属于机、电、液高度集成且外部接口繁多的高精密产品，结构复杂、生产工序繁琐，制造环节产生多余物的环节多，引发故障时随机性和偶发性强，后果严重，但难以复现，防控和处理复杂、成本高。

　　机械方向论文投稿刊物：《航天制造技术》1983年创刊，是航天系统唯一的一份工艺类期刊，受到各级领导的大力支持及广大科技人员的广泛关注。主要刊登航天产品制造技术及民品制造技术方面的科技论文及工艺管理等文章。涉及的专业包括焊接、冷热加工、机械加工、电装工艺、精密加工、微细加工、特种加工及各种难加工材料、非金属材料加工、装配工艺与检测技术、生产的最新成果及工艺动态，具有实用性推广交流价值。

　　因此，需对多余物引入方式和引发的故障模式进行全面识别，研究防控措施，形成完善的多余物防控体系。本文基于伺服系统液压和电气回路，采用故障树法(FaultTreeAnalysis简称FTA)和矩阵图法(MatrixDiagram)，对从机加、装配、测试、运输贮存、再到装箭的产品全生命周期内的多余物故障模式进行识别和评定，提出针对性防控措施，改进了多余物引入概率大的油液加注环节，建立了较为完善的多余物防控体系，为确保产品质量奠定了基础。

　　1多余物故障及引入模式的识别与评定

　　1.1电液伺服系统原理

　　我国运载火箭子级的电液伺服系统一般可分解为伺服作动器和伺服液压能源两个部分[2]，系统也可分为传递流体介质的液压回路和传递电信号的电气回路。液压回路主要包括:油泵、单向阀、油滤、高压安全阀、伺服阀、低压安全阀、蓄压器和油箱等组成。电气回路主要包括:电连接器、压力传感器、转速传感器、油面电位计、反馈电位计、伺服阀等[3]。

　　1.2多余物来源

　　引起电液伺服系统产生异常或故障的多余物大致可以分为两种，一种是自生多余物，一种是外来多余物[4-5]。自生多余物指的是系统在封装完成后，在工作过程中由于磨损、液流冲刷、振动等原因，由系统内部自生的;外来多余物指的是系统的装配或接口对接操作过程中由外部带入系统的。对于液压回路而言，自生多余物主要包括密封件、深孔交汇处锐边毛刺、壳体表面有缺陷的镀层等在高压油液的反复冲刷下发生损伤而进入系统回路中的密封件碎片、金属屑、镀层碎片等，以及由于振动而掉落的系统内零件;外来多余物主要包括:装配过程中引入的金属屑、润滑脂、人体皮肤组织等;流体连接器对接时或产品加注时，从外部引入的密封件碎片、金属颗粒、棉纱、润滑脂等。对于电气回路而言，自生多余物主要包括在剧烈振动或失重环境下脱落的焊锡瘤;外来多余物主要包括制造过程中产生的微颗粒和通过走线孔和电连接器接进入回路的焊锡渣、松香、密封剂、导线皮、导线头、水等。

　　1.3由多余物可能引发的典型故障模式

　　多余物对液压系统的危害主要为3种:固体多余物危害:加剧运动副之间的磨损、密封件提前损坏或失效、伺服阀出现功能性失效、系统泄露、电气元器件异常导通、回路绝缘性能降低[6];液体多余物危害:系统金属表面腐蚀、工作介质氧化变质，油液黏度成倍增大，流动性差;气体多余物危害:使泵产生气蚀现象、降低工作介质弹性模量，影响系统的快速响应速度。电液伺服系统内部工作介质循环回路的最小孔径一般在0.02～0.65mm，精密运动副之间配合间隙仅为微米级，油液中污染颗粒的大小须控制在配合间隙的1/3～2/3[7-8]。另一方面，电气回路具有安装空间小、焊点多、间距小、电连接器插拔频繁等特点，这些特点都使得电液伺服系统对多余物更为敏感且防控困难。梳理了电液伺服系统近10年的质量问题。

　　1.4多余物引入环节识别与评定

　　以电液伺服系统液压回路和电气回路出现多余物为顶事件，用故障树法(FTA)，自顶向下从自生和外来两方面分析可能产生多余物的环节。进一步采用矩阵图进行分析。将FTA识别的多余物引入环节，作为矩阵的列，将生产和使用阶段作为矩阵的行，以近年来由多余物引发的相关质量问题数据统计为依据，对行和列各交叉点进行评定，其中发生可能性从小到大分为五档，对应分值1至5。通过矩阵法分析，量化了各环节的多余物引入风险，由此针对性地制定多余物防控措施。

　　2多余物防控措施

　　由于电液伺服系统结构复杂，装配工艺流程复杂、试验流程繁琐，目前还无法完全取代手工操作，难以根绝多余物风险。因此，需建立完善的多余物防控体系，从管理方面提高可控性。此外，针对重点环节，还需开发新技术，依靠新手段减小多余物风险。

　　2.1多余物防控体系的建立

　　由于多余物产生和防控的复杂性，应从设计源头就开始对多余物进行防控，结合工艺和生产过程控制，建立预防为主、全员参与、全过程控制的多余物预防与控制体系。

　　2.1.1设计环节的多余物防控

　　电液伺服系统在方案设计时就考虑引入抗污染能力强的方案。优先采用整体化设计，避免装配过程外界多余物的引入;对微小多余物敏感部件(如伺服阀、泵)采用冗余设计方案[9];对多余敏感部位，设置高精度过滤装置等。详细设计时，对材料选用、元器件和零部件结构设计、密封结构设计、系统油路设计、整体外形设计等环节均应执行多余物防控规范。例如，运动副偶件应选用不同材料，配对材料硬度差值一般应不小于HRC5，运动件硬度应高于导向件硬度;运动副对外接口应设置有防尘圈;避免采用螺纹密封;根据产品使用环境合理选用密封件材料[10];壳体类零件设计应尽量避免封闭的凹槽，无法避免时应设置排泄通道;系统内任何可与外界相通的部位均应设计有多余物防护装置。

　　2.1.2工艺环节的多余物防控

　　工艺文件作为生产操作指导性文件，应将预防多余物放在首位，便于检查和清除，每序都应有明确的预防与控制要求，同时对多余物敏感且后续不易检查的部位应规定多媒体记录等要求，做到原始状态可追溯。例如，对设计文件中多余物预防与控制要求进行工艺性审查，对不利于预防与控制多余物的设计提出修改建议;对关键部位(如波纹管的波谷)和重点环节(电连接器焊线环节)，应规定多媒体记录和表格化检查等控制要求;对工序交接过程，应规定针对性的多余物防控措施。

　　2.1.3生产过程的多余物防控

　　生产环节的多余物防控措施是使产品规避多余物风险的最关键环节，具体相关内容如下：

　　1)零部件机加环节多余物的防控

　　机加环节是产品全生命周期多余物防控的第一个阶段，此环节出现的金属微小毛刺是系统自生多余物的主要来源之一，控制好第一道关卡对后续防控可起到事半功倍的效果。此阶段多余物一般有研磨膏、切削液、锈蚀、金属屑、细小锐边毛刺等。

　　研磨膏、切削液、金属屑可通过后续的高压清洗、超声波清洗和检查得到控制[11];锈蚀可以通过涂抹防锈油预防;但是对于细小毛刺而言，一方面不易用发现，另一方面难以清除，但核心控制器件伺服阀又对此类多余物极为敏感，因此需采用特殊的工艺流程，一般采用包含机械去毛刺、电解质-等离子抛光去毛刺、电火花加工、小孔超声波去毛刺、离心式光整去毛刺、磨料射流去毛刺等多种手段在内的的组合工艺。

　　2)储存环节的多余物防控

　　零部件从入库到装机有较长的储存时间，此环节多余物一般多为灰尘、锈渍、蚊虫等，需严格控制储存间的温湿度、所有零部件需有专属包装(金属件还需有防锈纸包裹)，避免阳光直射。

　　3)装配环节的多余物防控

　　装配环节是系统内部与外界直接连通时间最长的环节，也是系统外来多余物产生的主要环节，是人为因素最多的环节，因此对于多余物防控显得格外重要，主要包括生产现场环境、装前准备、零部件装配、装配试验过程、电装等环节。

　　a.现场多余物控制措施装配现场实行分区管理，如装配区、清洗区、焊线区、密封试验区、检验区等，零组件装配应在规定的洁净区域内进行，要求除尘净化设施完好。研磨、焊线、擦洗等物理操作应在专门隔离间进行，操作中产生多余物(如铅封丝、导线头、胶带等)的环节，应放置专用盒，操作后清洗检查无任何可见多余物后，方可转入洁净间继续进行后续工作。装调现场擦洗应使用缝边的绸布，严禁使用棉纱擦洗，也禁止存放棉纱。报废件、隔离件设置专用隔离盒，并注有明显的标识[12]。

　　b.装前准备环节的多余物控制措施装前准备多余物主要通过清洗、零部件数量清点、试装及装前检查四个环节控制。清洗:去除机加、储存、转运环节可能产生的多余物，如防锈油、金属屑、灰尘等。所有金属零件用超声波进行粗洗、半精洗、精洗，孔系复杂的壳体类零件清洗时在清洗槽内需换向一次，残余清洗介质及时晾干或烘干。非金属件用酒精擦拭。清洗完毕后零部件转运和装前储存时对开放孔需进行封堵。零部件清点:装配台面摆放的零部件数量严格按图纸要求的配套进行清点，分类分区域摆放。试装:带密封圈的堵头和螺纹副均需试装，用以检查密封孔孔口的锐边及螺纹副之间的配合良好性，防止螺纹切丝和密封圈切边后产生的金属屑和橡胶屑进入系统，此序一般在精洗前;装前检查:所有零部件表面和密封件用5备放大镜检查、相交孔用内窥镜检查，必须双岗依次确认。

　　c.零部件装配环节多余物防控措施此环节以装配人员操作为主体，进入系统的多余物一般有操作人员自身携带(如毛发、人体皮肤组织、衣物纤维等)、生产辅料(如厌氧胶、润滑脂、硅胶等)以及漏装的小零件。需严格规范装配人员的穿着佩戴和生产辅料使用及存放要求，且装配台面务必做到“装完件清”。同时还须树立装配人员的多余物防控意识和责任意识。

　　d.装配试验环节多余物控制措施装配试验一般包括强度、密封与磨合，是提前发现系统液压回路多余物的重要环节。系统第一次与工作介质有直接接触，所以其首要措施就是工作介质清洁度的保证。实验完毕后必须重新分解和清洗，并再次双岗检查确认多余物。特别是对于配合精度极高的泵和阀而言，还需要有更为严格的多余物防控措施，如泵需进行多次柱塞与转子的磨合试验，每次试验完毕后都需用放大镜检查表面质量和测试轴向间隙;阀则需对循环回路进行高压正反双向清洗，保证其内部回路上的多余物防控的全覆盖性。

　　d.电装主要多余物控制措施电装涉及辅料多、易产生碎屑、操作空间小、步骤繁琐，多余物一般为线头、线皮、焊瘤等，必须有独立的操作间，并按预处理区、焊线区和裁剪区进行分区管理，各自设置有盛废弃物的专用器皿，焊线前后必须用吸尘器对焊杯内的残留物进行清除。焊剂的高温时呈流体状，易进入焊杯，故还需明确焊线时电连接器的摆放位置[12]、接线柱焊接顺序及搪锡时间、温度、长度等参数;走线孔及电连接器与壳体连接部位均做防水处理;电连接器封装前需进行多媒体记录。

　　4)调试环节多余物的防控电液伺服系统在调试环节已处于封装状态，只有电连接器(主要为控制、遥测、电机插座)和流体连接器(主要为高、低压自封接头)对接的环节可能引入多余物，其主要防控措施是系统对外电液接口在连接前进行多余物确认，接口脱开后，对其进行检查并擦拭，同时用工艺堵头进行封堵。而对多余物最为敏感的伺服阀，在正式验收前一般还需进行高频磨合测试，通过施加高频信号使得伺服阀的内部油路处于高频压力变化状态，将可能残存的多余物带入高速液流通道，小的多余物随着液流离开伺服阀，大的多余物也可以得以提前暴露，进一步降低产品交付后发生多余物故障的风险。

　　5)其他环节多余物的防控电液伺服系统出在厂测试环节、运输和储存环节和装箭环节主要操作为电液接口的对接以及机械接口销轴和密封圈的安装，其多余防控措施与调试环节类似，主要是对相应接口进行多余物状态的确认，并安装工艺堵。

　　2.2多余物防控措施的完善

　　通过FTA和矩阵图分析可知，加注环节是系统多余物引入的高危环节，是系统多余物防控体系亟待完善的关键环节。系统加注过程多余物引入风险点多，如加注管路、油液洁净度、流体连接器对接等。加注环节的多余物控制措施主要是通过结合电液伺服系统自身的典型的结构特点，改变现有的加注方式(低压加注)，采用高压加注方法实现的。彻底规避加注环节引入多余物的风险，即:通过系统的高压流体连接器加注，低压流体连接器抽真空，抽真空和加注分离，且管路相互独立，保持工作介质在系统内为正向流动。

　　抽油过程:抽真空电磁活门得电，工作介质经低压流体连接器、抽油过滤器、抽真空电磁活门到加注台的废油箱;加注过程:加注电磁活门得电，工作介质经高压流体连接器、油滤、伺服阀到油箱。此方法对完善系统多余物防控措施的作用主要体现在：

　　(1)加注台油液进入系统前经过了加注设备过滤器的同时还经过了伺服系统自带的过滤器，避免了前端设备引入多余物的可能，保证了进入伺服阀油液清洁度，进入伺服阀的油液还流经了伺服阀自带油虑才进入油箱，保证了系统油液清洁度。

　　(2)电液伺服系统在工作过程中有高速旋转的运动副存在，由于磨损，油箱中可能会存在一些金属屑或颗粒。此种加注方法工作介质流向与系统正常工作时的流向保持一致，且加注和抽真空管路相对独立，避免了加注时油箱和加注管路可能残留的金属屑反冲至伺服阀T口。

　　(3)对系统进行加注时，可提前通过高压加注向油箱内加入部分油液，搅动油箱中可能沉积的金属颗粒，使其悬浮在油液中，更有利于油箱沉积金属屑通过抽真空排出，降低系统多余物风险。该加注方案已运用在现役运载火箭电液伺服系统中，有效地解决了电液伺服系统多余物引入的一个高风险点。

　　3结论

　　本文基于电液伺服系统液压回路和电气回路，结合由多余物引发的典型故障模式及问题数据统计，采用故障树和矩阵图分析法对产品全生命周期内多余物引入环节进行了识别与评定，直观地反映了各环节多余物引入的风险程度，并对高风险加注环节提出了针对性的解决方案，对电液伺服系统多余物防控体系的建立与防控措施的持续完善具有一定的指导意义，同时也为产品质量和可靠性的保证奠定了基础。

　　参考文献

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　　作者：叶朋1，郑波1，赵春1，王剑1，刘新1，芦星竹2