摘要:針對運載火箭配套電液伺服系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)工序繁瑣、易生多余物、且其性能受多余物影響大的特點，現(xiàn)以提產(chǎn)品可靠性為目的，基于液壓回路和電氣回路的工作特點，分析多余物來源和典型故障模式，結(jié)合近年來質(zhì)量問題數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用故障樹法(FaultTreeAnalysis)和矩陣圖法(MatrixDiagram)，對從設(shè)計至飛行的全生命周期內(nèi)多余物引入模式進(jìn)行識別和評定，梳理了設(shè)計、工藝和過程控制三方面的防控措施，改進(jìn)了油液加注環(huán)節(jié)，建立了較為完善的多余物防控體系，為確保產(chǎn)品質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞:電液伺服系統(tǒng);多余物防控;可靠性;研究

　　0引言

　　電液伺服系統(tǒng)作為運載火箭飛行控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是決定發(fā)射任務(wù)成敗的關(guān)鍵。運載火箭作為復(fù)雜的高風(fēng)險系統(tǒng)，對可靠性要求極為苛刻，通常整體可靠性指標(biāo)至少為0.97，分解到各伺服系統(tǒng)的一個搖擺方向上至少要求在0.999以上[1]�，F(xiàn)用于運載火箭的電液伺服系統(tǒng)屬于機(jī)、電、液高度集成且外部接口繁多的高精密產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)工序繁瑣，制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生多余物的環(huán)節(jié)多，引發(fā)故障時隨機(jī)性和偶發(fā)性強，后果嚴(yán)重，但難以復(fù)現(xiàn)，防控和處理復(fù)雜、成本高。

　　機(jī)械方向論文投稿刊物：《航天制造技術(shù)》1983年創(chuàng)刊，是航天系統(tǒng)唯一的一份工藝類期刊，受到各級領(lǐng)導(dǎo)的大力支持及廣大科技人員的廣泛關(guān)注。主要刊登航天產(chǎn)品制造技術(shù)及民品制造技術(shù)方面的科技論文及工藝管理等文章。涉及的專業(yè)包括焊接、冷熱加工、機(jī)械加工、電裝工藝、精密加工、微細(xì)加工、特種加工及各種難加工材料、非金屬材料加工、裝配工藝與檢測技術(shù)、生產(chǎn)的最新成果及工藝動態(tài)，具有實用性推廣交流價值。

　　因此，需對多余物引入方式和引發(fā)的故障模式進(jìn)行全面識別，研究防控措施，形成完善的多余物防控體系。本文基于伺服系統(tǒng)液壓和電氣回路，采用故障樹法(FaultTreeAnalysis簡稱FTA)和矩陣圖法(MatrixDiagram)，對從機(jī)加、裝配、測試、運輸貯存、再到裝箭的產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的多余物故障模式進(jìn)行識別和評定，提出針對性防控措施，改進(jìn)了多余物引入概率大的油液加注環(huán)節(jié)，建立了較為完善的多余物防控體系，為確保產(chǎn)品質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

　　1多余物故障及引入模式的識別與評定

　　1.1電液伺服系統(tǒng)原理

　　我國運載火箭子級的電液伺服系統(tǒng)一般可分解為伺服作動器和伺服液壓能源兩個部分[2]，系統(tǒng)也可分為傳遞流體介質(zhì)的液壓回路和傳遞電信號的電氣回路。液壓回路主要包括:油泵、單向閥、油濾、高壓安全閥、伺服閥、低壓安全閥、蓄壓器和油箱等組成。電氣回路主要包括:電連接器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、油面電位計、反饋電位計、伺服閥等[3]。

　　1.2多余物來源

　　引起電液伺服系統(tǒng)產(chǎn)生異�；蚬收系亩嘤辔锎笾驴梢苑譃閮煞N，一種是自生多余物，一種是外來多余物[4-5]。自生多余物指的是系統(tǒng)在封裝完成后，在工作過程中由于磨損、液流沖刷、振動等原因，由系統(tǒng)內(nèi)部自生的;外來多余物指的是系統(tǒng)的裝配或接口對接操作過程中由外部帶入系統(tǒng)的。對于液壓回路而言，自生多余物主要包括密封件、深孔交匯處銳邊毛刺、殼體表面有缺陷的鍍層等在高壓油液的反復(fù)沖刷下發(fā)生損傷而進(jìn)入系統(tǒng)回路中的密封件碎片、金屬屑、鍍層碎片等，以及由于振動而掉落的系統(tǒng)內(nèi)零件;外來多余物主要包括:裝配過程中引入的金屬屑、潤滑脂、人體皮膚組織等;流體連接器對接時或產(chǎn)品加注時，從外部引入的密封件碎片、金屬顆粒、棉紗、潤滑脂等。對于電氣回路而言，自生多余物主要包括在劇烈振動或失重環(huán)境下脫落的焊錫瘤;外來多余物主要包括制造過程中產(chǎn)生的微顆粒和通過走線孔和電連接器接進(jìn)入回路的焊錫渣、松香、密封劑、導(dǎo)線皮、導(dǎo)線頭、水等。

　　1.3由多余物可能引發(fā)的典型故障模式

　　多余物對液壓系統(tǒng)的危害主要為3種:固體多余物危害:加劇運動副之間的磨損、密封件提前損壞或失效、伺服閥出現(xiàn)功能性失效、系統(tǒng)泄露、電氣元器件異常導(dǎo)通、回路絕緣性能降低[6];液體多余物危害:系統(tǒng)金屬表面腐蝕、工作介質(zhì)氧化變質(zhì)，油液黏度成倍增大，流動性差;氣體多余物危害:使泵產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象、降低工作介質(zhì)彈性模量，影響系統(tǒng)的快速響應(yīng)速度。電液伺服系統(tǒng)內(nèi)部工作介質(zhì)循環(huán)回路的最小孔徑一般在0.02～0.65mm，精密運動副之間配合間隙僅為微米級，油液中污染顆粒的大小須控制在配合間隙的1/3～2/3[7-8]。另一方面，電氣回路具有安裝空間小、焊點多、間距小、電連接器插拔頻繁等特點，這些特點都使得電液伺服系統(tǒng)對多余物更為敏感且防控困難。梳理了電液伺服系統(tǒng)近10年的質(zhì)量問題。

　　1.4多余物引入環(huán)節(jié)識別與評定

　　以電液伺服系統(tǒng)液壓回路和電氣回路出現(xiàn)多余物為頂事件，用故障樹法(FTA)，自頂向下從自生和外來兩方面分析可能產(chǎn)生多余物的環(huán)節(jié)。進(jìn)一步采用矩陣圖進(jìn)行分析。將FTA識別的多余物引入環(huán)節(jié)，作為矩陣的列，將生產(chǎn)和使用階段作為矩陣的行，以近年來由多余物引發(fā)的相關(guān)質(zhì)量問題數(shù)據(jù)統(tǒng)計為依據(jù)，對行和列各交叉點進(jìn)行評定，其中發(fā)生可能性從小到大分為五檔，對應(yīng)分值1至5。通過矩陣法分析，量化了各環(huán)節(jié)的多余物引入風(fēng)險，由此針對性地制定多余物防控措施。

　　2多余物防控措施

　　由于電液伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配工藝流程復(fù)雜、試驗流程繁瑣，目前還無法完全取代手工操作，難以根絕多余物風(fēng)險。因此，需建立完善的多余物防控體系，從管理方面提高可控性。此外，針對重點環(huán)節(jié)，還需開發(fā)新技術(shù)，依靠新手段減小多余物風(fēng)險。

　　2.1多余物防控體系的建立

　　由于多余物產(chǎn)生和防控的復(fù)雜性，應(yīng)從設(shè)計源頭就開始對多余物進(jìn)行防控，結(jié)合工藝和生產(chǎn)過程控制，建立預(yù)防為主、全員參與、全過程控制的多余物預(yù)防與控制體系。

　　2.1.1設(shè)計環(huán)節(jié)的多余物防控

　　電液伺服系統(tǒng)在方案設(shè)計時就考慮引入抗污染能力強的方案。優(yōu)先采用整體化設(shè)計，避免裝配過程外界多余物的引入;對微小多余物敏感部件(如伺服閥、泵)采用冗余設(shè)計方案[9];對多余敏感部位，設(shè)置高精度過濾裝置等。詳細(xì)設(shè)計時，對材料選用、元器件和零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)油路設(shè)計、整體外形設(shè)計等環(huán)節(jié)均應(yīng)執(zhí)行多余物防控規(guī)范。例如，運動副偶件應(yīng)選用不同材料，配對材料硬度差值一般應(yīng)不小于HRC5，運動件硬度應(yīng)高于導(dǎo)向件硬度;運動副對外接口應(yīng)設(shè)置有防塵圈;避免采用螺紋密封;根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境合理選用密封件材料[10];殼體類零件設(shè)計應(yīng)盡量避免封閉的凹槽，無法避免時應(yīng)設(shè)置排泄通道;系統(tǒng)內(nèi)任何可與外界相通的部位均應(yīng)設(shè)計有多余物防護(hù)裝置。

　　2.1.2工藝環(huán)節(jié)的多余物防控

　　工藝文件作為生產(chǎn)操作指導(dǎo)性文件，應(yīng)將預(yù)防多余物放在首位，便于檢查和清除，每序都應(yīng)有明確的預(yù)防與控制要求，同時對多余物敏感且后續(xù)不易檢查的部位應(yīng)規(guī)定多媒體記錄等要求，做到原始狀態(tài)可追溯。例如，對設(shè)計文件中多余物預(yù)防與控制要求進(jìn)行工藝性審查，對不利于預(yù)防與控制多余物的設(shè)計提出修改建議;對關(guān)鍵部位(如波紋管的波谷)和重點環(huán)節(jié)(電連接器焊線環(huán)節(jié))，應(yīng)規(guī)定多媒體記錄和表格化檢查等控制要求;對工序交接過程，應(yīng)規(guī)定針對性的多余物防控措施。

　　2.1.3生產(chǎn)過程的多余物防控

　　生產(chǎn)環(huán)節(jié)的多余物防控措施是使產(chǎn)品規(guī)避多余物風(fēng)險的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體相關(guān)內(nèi)容如下：

　　1)零部件機(jī)加環(huán)節(jié)多余物的防控

　　機(jī)加環(huán)節(jié)是產(chǎn)品全生命周期多余物防控的第一個階段，此環(huán)節(jié)出現(xiàn)的金屬微小毛刺是系統(tǒng)自生多余物的主要來源之一，控制好第一道關(guān)卡對后續(xù)防控可起到事半功倍的效果。此階段多余物一般有研磨膏、切削液、銹蝕、金屬屑、細(xì)小銳邊毛刺等。

　　研磨膏、切削液、金屬屑可通過后續(xù)的高壓清洗、超聲波清洗和檢查得到控制[11];銹蝕可以通過涂抹防銹油預(yù)防;但是對于細(xì)小毛刺而言，一方面不易用發(fā)現(xiàn)，另一方面難以清除，但核心控制器件伺服閥又對此類多余物極為敏感，因此需采用特殊的工藝流程，一般采用包含機(jī)械去毛刺、電解質(zhì)-等離子拋光去毛刺、電火花加工、小孔超聲波去毛刺、離心式光整去毛刺、磨料射流去毛刺等多種手段在內(nèi)的的組合工藝。

　　2)儲存環(huán)節(jié)的多余物防控

　　零部件從入庫到裝機(jī)有較長的儲存時間，此環(huán)節(jié)多余物一般多為灰塵、銹漬、蚊蟲等，需嚴(yán)格控制儲存間的溫濕度、所有零部件需有專屬包裝(金屬件還需有防銹紙包裹)，避免陽光直射。

　　3)裝配環(huán)節(jié)的多余物防控

　　裝配環(huán)節(jié)是系統(tǒng)內(nèi)部與外界直接連通時間最長的環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)外來多余物產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)，是人為因素最多的環(huán)節(jié)，因此對于多余物防控顯得格外重要，主要包括生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境、裝前準(zhǔn)備、零部件裝配、裝配試驗過程、電裝等環(huán)節(jié)。

　　a.現(xiàn)場多余物控制措施裝配現(xiàn)場實行分區(qū)管理，如裝配區(qū)、清洗區(qū)、焊線區(qū)、密封試驗區(qū)、檢驗區(qū)等，零組件裝配應(yīng)在規(guī)定的潔凈區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，要求除塵凈化設(shè)施完好。研磨、焊線、擦洗等物理操作應(yīng)在專門隔離間進(jìn)行，操作中產(chǎn)生多余物(如鉛封絲、導(dǎo)線頭、膠帶等)的環(huán)節(jié)，應(yīng)放置專用盒，操作后清洗檢查無任何可見多余物后，方可轉(zhuǎn)入潔凈間繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)工作。裝調(diào)現(xiàn)場擦洗應(yīng)使用縫邊的綢布，嚴(yán)禁使用棉紗擦洗，也禁止存放棉紗。報廢件、隔離件設(shè)置專用隔離盒，并注有明顯的標(biāo)識[12]。

　　b.裝前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的多余物控制措施裝前準(zhǔn)備多余物主要通過清洗、零部件數(shù)量清點、試裝及裝前檢查四個環(huán)節(jié)控制。清洗:去除機(jī)加、儲存、轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的多余物，如防銹油、金屬屑、灰塵等。所有金屬零件用超聲波進(jìn)行粗洗、半精洗、精洗，孔系復(fù)雜的殼體類零件清洗時在清洗槽內(nèi)需換向一次，殘余清洗介質(zhì)及時晾干或烘干。非金屬件用酒精擦拭。清洗完畢后零部件轉(zhuǎn)運和裝前儲存時對開放孔需進(jìn)行封堵。零部件清點:裝配臺面擺放的零部件數(shù)量嚴(yán)格按圖紙要求的配套進(jìn)行清點，分類分區(qū)域擺放。試裝:帶密封圈的堵頭和螺紋副均需試裝，用以檢查密封孔孔口的銳邊及螺紋副之間的配合良好性，防止螺紋切絲和密封圈切邊后產(chǎn)生的金屬屑和橡膠屑進(jìn)入系統(tǒng)，此序一般在精洗前;裝前檢查:所有零部件表面和密封件用5備放大鏡檢查、相交孔用內(nèi)窺鏡檢查，必須雙崗依次確認(rèn)。

　　c.零部件裝配環(huán)節(jié)多余物防控措施此環(huán)節(jié)以裝配人員操作為主體，進(jìn)入系統(tǒng)的多余物一般有操作人員自身攜帶(如毛發(fā)、人體皮膚組織、衣物纖維等)、生產(chǎn)輔料(如厭氧膠、潤滑脂、硅膠等)以及漏裝的小零件。需嚴(yán)格規(guī)范裝配人員的穿著佩戴和生產(chǎn)輔料使用及存放要求，且裝配臺面務(wù)必做到“裝完件清”。同時還須樹立裝配人員的多余物防控意識和責(zé)任意識。

　　d.裝配試驗環(huán)節(jié)多余物控制措施裝配試驗一般包括強度、密封與磨合，是提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)液壓回路多余物的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)第一次與工作介質(zhì)有直接接觸，所以其首要措施就是工作介質(zhì)清潔度的保證。實驗完畢后必須重新分解和清洗，并再次雙崗檢查確認(rèn)多余物。特別是對于配合精度極高的泵和閥而言，還需要有更為嚴(yán)格的多余物防控措施，如泵需進(jìn)行多次柱塞與轉(zhuǎn)子的磨合試驗，每次試驗完畢后都需用放大鏡檢查表面質(zhì)量和測試軸向間隙;閥則需對循環(huán)回路進(jìn)行高壓正反雙向清洗，保證其內(nèi)部回路上的多余物防控的全覆蓋性。

　　d.電裝主要多余物控制措施電裝涉及輔料多、易產(chǎn)生碎屑、操作空間小、步驟繁瑣，多余物一般為線頭、線皮、焊瘤等，必須有獨立的操作間，并按預(yù)處理區(qū)、焊線區(qū)和裁剪區(qū)進(jìn)行分區(qū)管理，各自設(shè)置有盛廢棄物的專用器皿，焊線前后必須用吸塵器對焊杯內(nèi)的殘留物進(jìn)行清除。焊劑的高溫時呈流體狀，易進(jìn)入焊杯，故還需明確焊線時電連接器的擺放位置[12]、接線柱焊接順序及搪錫時間、溫度、長度等參數(shù);走線孔及電連接器與殼體連接部位均做防水處理;電連接器封裝前需進(jìn)行多媒體記錄。

　　4)調(diào)試環(huán)節(jié)多余物的防控電液伺服系統(tǒng)在調(diào)試環(huán)節(jié)已處于封裝狀態(tài)，只有電連接器(主要為控制、遙測、電機(jī)插座)和流體連接器(主要為高、低壓自封接頭)對接的環(huán)節(jié)可能引入多余物，其主要防控措施是系統(tǒng)對外電液接口在連接前進(jìn)行多余物確認(rèn)，接口脫開后，對其進(jìn)行檢查并擦拭，同時用工藝堵頭進(jìn)行封堵。而對多余物最為敏感的伺服閥，在正式驗收前一般還需進(jìn)行高頻磨合測試，通過施加高頻信號使得伺服閥的內(nèi)部油路處于高頻壓力變化狀態(tài)，將可能殘存的多余物帶入高速液流通道，小的多余物隨著液流離開伺服閥，大的多余物也可以得以提前暴露，進(jìn)一步降低產(chǎn)品交付后發(fā)生多余物故障的風(fēng)險。

　　5)其他環(huán)節(jié)多余物的防控電液伺服系統(tǒng)出在廠測試環(huán)節(jié)、運輸和儲存環(huán)節(jié)和裝箭環(huán)節(jié)主要操作為電液接口的對接以及機(jī)械接口銷軸和密封圈的安裝，其多余防控措施與調(diào)試環(huán)節(jié)類似，主要是對相應(yīng)接口進(jìn)行多余物狀態(tài)的確認(rèn)，并安裝工藝堵。

　　2.2多余物防控措施的完善

　　通過FTA和矩陣圖分析可知，加注環(huán)節(jié)是系統(tǒng)多余物引入的高危環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)多余物防控體系亟待完善的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)加注過程多余物引入風(fēng)險點多，如加注管路、油液潔凈度、流體連接器對接等。加注環(huán)節(jié)的多余物控制措施主要是通過結(jié)合電液伺服系統(tǒng)自身的典型的結(jié)構(gòu)特點，改變現(xiàn)有的加注方式(低壓加注)，采用高壓加注方法實現(xiàn)的。徹底規(guī)避加注環(huán)節(jié)引入多余物的風(fēng)險，即:通過系統(tǒng)的高壓流體連接器加注，低壓流體連接器抽真空，抽真空和加注分離，且管路相互獨立，保持工作介質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)為正向流動。

　　抽油過程:抽真空電磁活門得電，工作介質(zhì)經(jīng)低壓流體連接器、抽油過濾器、抽真空電磁活門到加注臺的廢油箱;加注過程:加注電磁活門得電，工作介質(zhì)經(jīng)高壓流體連接器、油濾、伺服閥到油箱。此方法對完善系統(tǒng)多余物防控措施的作用主要體現(xiàn)在：

　　(1)加注臺油液進(jìn)入系統(tǒng)前經(jīng)過了加注設(shè)備過濾器的同時還經(jīng)過了伺服系統(tǒng)自帶的過濾器，避免了前端設(shè)備引入多余物的可能，保證了進(jìn)入伺服閥油液清潔度，進(jìn)入伺服閥的油液還流經(jīng)了伺服閥自帶油慮才進(jìn)入油箱，保證了系統(tǒng)油液清潔度。

　　(2)電液伺服系統(tǒng)在工作過程中有高速旋轉(zhuǎn)的運動副存在，由于磨損，油箱中可能會存在一些金屬屑或顆粒。此種加注方法工作介質(zhì)流向與系統(tǒng)正常工作時的流向保持一致，且加注和抽真空管路相對獨立，避免了加注時油箱和加注管路可能殘留的金屬屑反沖至伺服閥T口。

　　(3)對系統(tǒng)進(jìn)行加注時，可提前通過高壓加注向油箱內(nèi)加入部分油液，攪動油箱中可能沉積的金屬顆粒，使其懸浮在油液中，更有利于油箱沉積金屬屑通過抽真空排出，降低系統(tǒng)多余物風(fēng)險。該加注方案已運用在現(xiàn)役運載火箭電液伺服系統(tǒng)中，有效地解決了電液伺服系統(tǒng)多余物引入的一個高風(fēng)險點。

　　3結(jié)論

　　本文基于電液伺服系統(tǒng)液壓回路和電氣回路，結(jié)合由多余物引發(fā)的典型故障模式及問題數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用故障樹和矩陣圖分析法對產(chǎn)品全生命周期內(nèi)多余物引入環(huán)節(jié)進(jìn)行了識別與評定，直觀地反映了各環(huán)節(jié)多余物引入的風(fēng)險程度，并對高風(fēng)險加注環(huán)節(jié)提出了針對性的解決方案，對電液伺服系統(tǒng)多余物防控體系的建立與防控措施的持續(xù)完善具有一定的指導(dǎo)意義，同時也為產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的保證奠定了基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]曾廣商，沈衛(wèi)國，石立，張曉莎.高可靠三冗余伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)[J].航天控制，2005，(2):35-36.

　　[2]曾廣商，趙守軍，張曉莎.我國載人運載火箭伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展分析[J].載人航天，2005，(7):3-4.

　　[3]趙守軍，邵妍杭，何俊.運載火箭伺服機(jī)構(gòu)單點失效分析技術(shù)及其應(yīng)用[J].載人航天，2014，(5):399-400.

　　[4]文增勇.伺服機(jī)構(gòu)生產(chǎn)中控制多余物的措施[J].經(jīng)驗交流，1998，(3):26.

　　[5]范春偉，高亞東，何劉宇.液壓系統(tǒng)管路現(xiàn)場施工多余物控制[J].液壓氣動與密封，2017，(7):58-59.

　　[6]王晶.液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)多余物的分析與控制措施[J].液壓氣動與密封，2015，(11):55-56.

　　作者：葉朋1，鄭波1，趙春1，王劍1，劉新1，蘆星竹2