解鎖裝置振動失效分析及改進

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

張威 景莉 劉群 楊昭 周傳霞 張麗梅 岳澤鵬

（北京空間機電研究所，北京 100094）

解鎖裝置是廣泛應用于航空、航天領域的火工裝置，可用于星體與其相機主載荷的約束與釋放。在衛星到達指定軌道時，解除相機與衛星平臺的約束，釋放相機自由度以調整拍攝姿態，同時還需要在發射主動段提供相機足夠的剛性支撐，保證結構不失效。但在試驗過程中，解鎖裝置聯合相機振動時會發生結構失效，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理。此外，通過分析預緊力矩對解鎖裝置彎曲剛度的影響，提出了增加預緊力矩的改進方法，解鎖裝置彎曲變形降低15%，局部模態產生的位移降低40%，最終順利通過了聯合振動試驗，解決了解鎖裝置振動失效問題,為同類產品的失效分析及改進提供了重要的參考依據。

火工裝置 解鎖裝置 結構失效 改進方法

0 引言

近年來，隨著我國國防工業的發展，火工技術也取得了長足發展，其中解鎖類火工裝置已成為航空、航天領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]。解鎖裝置作為衛星載荷的“腿”，在發射主動段為載荷提供可靠的剛性支撐，待衛星到達指定軌道時，需要可靠地解除載荷與衛星平臺的約束，釋放相機自由度。因此，若解鎖裝置在發射主動段出現連接失效問題，會導致衛星載荷提前失去約束，產生碰撞、沖擊等嚴重損傷，甚至造成主任務失敗。

為了避免解鎖裝置發生失效，近些年廣大學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[4]介紹了一種分離解鎖裝置的設計方法，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。解鎖時在燃氣壓強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[5]介紹了一種用于飛機反尾旋傘與飛機機身結構的連接解鎖裝置，工作原理是當飛機進入反尾旋狀態時，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，當飛機退出反尾旋狀態時，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[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性能較常溫力學性能差的原理研制的一種分離裝置。文獻[8]利用內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行了仿真分析。從失效分析方面，文獻[9]對翼面組件開鎖裝置環境試驗時出現的失效現象進行了分析。文獻[10]通過理論計算，分析了某火箭炮閉鎖機構在強制解脫過程中產生的振動失效問題。文獻[11]對楔形鎖緊裝置螺紋的鎖死故障進行了分析及改進。文獻[12]對星箭解鎖裝置夾塊的斷裂進行了失效分析。文獻[13]通過對前緊定裝置連接失效進行分析，提出在振動條件下，目標預緊力矩設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%，可有效保證預緊可靠，前緊定裝置連接不失效。文獻[14]分析了機載計算機鎖鉤斷裂的失效機理，認為鎖鉤圓角處基材表層存在的裂紋擴展及增長是導致振動過程中失效的主要原因。文獻[15]通過對某發射裝置解鎖口蓋斷裂故障進行分析，提出了更換材料的改進措施。文獻[16]分析了某阻力傘鎖滑車試驗過程中，滾柱梁失效導致開傘失敗的問題。綜上所述，近些年關于星體與相機主載荷連接釋放類解鎖裝置的研究較少，且未見相關失效分析內容，但部分學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。伴隨著相機主載荷連接釋放類解鎖裝置在航空航天領域的廣泛應用，失效事故也隨之頻發，而振動失效是其中的常見問題。因此在地面研制過程中，及時發現問題解決問題，是確保航天任務圓滿完成，實現“高質量保成功、高效率完成任務、高效益推動航天強國和國防建設”三高發展的重要環節[17-20]。

本文以解鎖裝置地面振動試驗時發生的失效問題為例進行分析，將失效原因定位于局部扭轉模態下解鎖裝置抗彎能力不足，并通過對解鎖裝置彎曲剛度進行仿真，提出了增加解鎖裝置預緊力矩的改進措施。此外，通過對相機底板進行設計改進，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產生的位移。最終通過試驗驗證了該改進措施的有效性，為同類產品的失效分析及改進提供了參考。

1 解鎖裝置結構及原理

衛星常用于資源調查、生態環境監測、城市精細管理、防災減災等領域，為保證衛星的相機主載荷順利達到指定軌道，通常使用解鎖裝置連接相機與衛星平臺，在發射主動段解鎖裝置提供剛性支撐，待衛星到達指定軌道時，解鎖裝置解除相機與衛星平臺的約束，釋放相機自由度以調整拍攝姿態。

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、內筒、內六角螺釘、藥殼及同步環等部分組成。通過上、下連接座分別連接星體與載荷。

圖1 解鎖裝置結構

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，分離瓣徑向由內筒約束，軸向由支座約束，因支座與分離瓣間設置了一定傾角，因此該拉力一部分轉化為徑向力作用于內筒，一部分轉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，并轉化為向下的壓力和楔塊徑向回縮的力，楔塊徑向由內筒所約束（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了拉壓載荷，并通過對螺栓提前施加預緊力矩來消除各零件間的配合間隙，實現預緊狀態，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生高壓燃氣進入藥殼、助推塊、內筒三個零件組成的密閉容腔內；②內筒在燃氣作用下，產生向下壓力，壓力達到剪切銷剪切力后，剪斷剪切銷向下運動，且運動時帶動與之螺接的內六角螺釘，繼而帶動與螺釘帽配合的同步環向下運動，內筒運動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內筒繼續向下運動1 mm后，帶動內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 解鎖裝置失效現象及機理分析

2.1 失效現象

解鎖裝置在參與相機振動試驗時，模擬星上安裝方式將三套解鎖裝置呈120°分布安裝在相機底部，其上連接座與相機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。

在進行向正弦振動時，發現位于+方向的解鎖裝置發生失效，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行了拆解檢查，發現其中+方向解鎖裝置剪切銷斷裂，各零件呈解鎖狀態，其中分離瓣、螺栓和楔塊均有明顯受力損傷情況，檢查發現楔塊、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，–方向的解鎖裝置經拆解發現剪切銷已嚴重損傷，基本處于臨界失效狀態。這是由于進行向振動時，位于+和–側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。+側的解鎖裝置未出現異?，F象。

圖4 解鎖裝置安裝狀態

圖5 損傷情況1

2.2 失效機理分析

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

式中為相機總質量；標準重力加速度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。

為進一步分析失效原因，對振動錄像進行觀測，發現振動過程中，相機阻尼桁架發生往復變形，與之連接的+、–方向解鎖裝置上連接座均出現左右搖擺情況，存在局部扭擺的振動模態，而+方向上的解鎖裝置無此現象。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自由度，使得每根桿成為了標準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，桁架有繞上端往復旋轉的趨勢，導致兩桿出現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，動態載荷作用下還會出現往復交變，該力矩使解鎖裝置上連接座發生往復旋轉。解鎖裝置通過螺栓零件實現預緊力矩施加，而預緊力矩產生的預緊力方向正好過上連接座旋轉中心，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，因此解鎖裝置抗彎曲能力較低，當阻尼桁架彎曲力矩過大時，解鎖裝置產生較大彎曲位移，檢查振動數據達到5.9 mm，導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生旋轉，因此+方向的解鎖裝置未出現異?，F象。

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

圖7 解鎖彎曲受力示意

3 改進措施及試驗驗證

為避免解鎖裝置失效，需防止其產生過大彎曲位移，因此，解鎖裝置需進行健壯性設計以提高解鎖裝置彎曲剛度?？紤]到解鎖裝置受拉一側會因預緊力矩不足產生縫隙，使用有限元軟件對解鎖裝置進行仿真。當螺栓使用100 N·m、165 N·m、200 N·m預緊力矩時，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，當預緊力矩由=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%。據此分析，可得出螺栓預緊力矩增大能夠提高解鎖裝置的抗彎剛度和抗彎能力。因此結合解鎖試驗情況，對解鎖裝置的預緊力矩進行了提高。

圖8 不同預緊力矩下解鎖裝置變形示意

此外，在相機阻尼桁架下端、解鎖裝置上端，增加了剛性底板，通過相機底板實現3個解鎖裝置的聯動，通過總體構型消除局部模態。如圖9所示。

圖9 底板示意

保持解鎖裝置狀態不變，分析向1個標準重力加速度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?？梢?，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%。

按照上述措施進行改進后，重新進行3次正弦振動試驗，每次均為、、三個方向，解鎖裝置預緊力矩設置為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明顯的失效情況。此外，為進一步驗證解鎖裝置是否出現振動失效，在正弦振動試驗前后均設置了一次加速度為=0.2n的掃頻試驗，通過觀察相機頻率是否出現較大變化，判斷解鎖裝置對相機的支撐能力是否發生變化，從而判斷解鎖裝置是否出現振動失效。由表1所示掃頻試驗結果可知，相機一階頻率在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的支撐能力沒有因正弦振動試驗而發生變化，試驗結果顯示，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 試驗前后相機頻率變化

Tab.1 Camera frequency change before and after the test

4 結束語

本文經過對解鎖裝置的故障現象、工作原理及承載機理進行分析，明確了其振動失效原因。此外，結合有限元仿真分析了預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緊力矩和相機局部模態的改善，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品的失效分析及改進提供了重要的參考依據。

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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[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）