摘要:針對運載火箭配套電液伺服系統產品結構復雜、生產工序繁瑣、易生多余物、且其性能受多余物影響大的特點，現以提產品可靠性為目的，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，結合近年來質量問題數據統計，采用故障樹法(FaultTreeAnalysis)和矩陣圖法(MatrixDiagram)，對從設計至飛行的全生命周期內多余物引入模式進行識別和評定，梳理了設計、工藝和過程控制三方面的防控措施，改進了油液加注環節，建立了較為完善的多余物防控體系，為確保產品質量奠定了基礎。

　　關鍵詞:電液伺服系統;多余物防控;可靠性;研究

　　0引言

　　電液伺服系統作為運載火箭飛行控制執行機構，是決定發射任務成敗的關鍵。運載火箭作為復雜的高風險系統，對可靠性要求極為苛刻，通常整體可靠性指標至少為0.97，分解到各伺服系統的一個搖擺方向上至少要求在0.999以上[1]。現用于運載火箭的電液伺服系統屬于機、電、液高度集成且外部接口繁多的高精密產品，結構復雜、生產工序繁瑣，制造環節產生多余物的環節多，引發故障時隨機性和偶發性強，后果嚴重，但難以復現，防控和處理復雜、成本高。

　　機械方向論文投稿刊物：《航天制造技術》1983年創刊，是航天系統唯一的一份工藝類期刊，受到各級領導的大力支持及廣大科技人員的廣泛關注。主要刊登航天產品制造技術及民品制造技術方面的科技論文及工藝管理等文章。涉及的專業包括焊接、冷熱加工、機械加工、電裝工藝、精密加工、微細加工、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、生產的最新成果及工藝動態，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的故障模式進行全面識別，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)，對從機加、裝配、測試、運輸貯存、再到裝箭的產品全生命周期內的多余物故障模式進行識別和評定，提出針對性防控措施，改進了多余物引入概率大的油液加注環節，建立了較為完善的多余物防控體系，為確保產品質量奠定了基礎。

　　1多余物故障及引入模式的識別與評定

　　1.1電液伺服系統原理

　　我國運載火箭子級的電液伺服系統一般可分解為伺服作動器和伺服液壓能源兩個部分[2]，系統也可分為傳遞流體介質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

　　引起電液伺服系統產生異常或故障的多余物大致可以分為兩種，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，由系統內部自生的;外來多余物指的是系統的裝配或接口對接操作過程中由外部帶入系統的。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沖刷下發生損傷而進入系統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內零件;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境下脫落的焊錫瘤;外來多余物主要包括制造過程中產生的微顆粒和通過走線孔和電連接器接進入回路的焊錫渣、松香、密封劑、導線皮、導線頭、水等。

　　1.3由多余物可能引發的典型故障模式

　　多余物對液壓系統的危害主要為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、伺服閥出現功能性失效、系統泄露、電氣元器件異常導通、回路絕緣性能降低[6];液體多余物危害:系統金屬表面腐蝕、工作介質氧化變質，油液黏度成倍增大，流動性差;氣體多余物危害:使泵產生氣蝕現象、降低工作介質彈性模量，影響系統的快速響應速度。電液伺服系統內部工作介質循環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對多余物更為敏感且防控困難。梳理了電液伺服系統近10年的質量問題。

　　1.4多余物引入環節識別與評定

　　以電液伺服系統液壓回路和電氣回路出現多余物為頂事件，用故障樹法(FTA)，自頂向下從自生和外來兩方面分析可能產生多余物的環節。進一步采用矩陣圖進行分析。將FTA識別的多余物引入環節，作為矩陣的列，將生產和使用階段作為矩陣的行，以近年來由多余物引發的相關質量問題數據統計為依據，對行和列各交叉點進行評定，其中發生可能性從小到大分為五檔，對應分值1至5。通過矩陣法分析，量化了各環節的多余物引入風險，由此針對性地制定多余物防控措施。

　　2多余物防控措施

　　由于電液伺服系統結構復雜，裝配工藝流程復雜、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，針對重點環節，還需開發新技術，依靠新手段減小多余物風險。

　　2.1多余物防控體系的建立

　　由于多余物產生和防控的復雜性，應從設計源頭就開始對多余物進行防控，結合工藝和生產過程控制，建立預防為主、全員參與、全過程控制的多余物預防與控制體系。

　　2.1.1設計環節的多余物防控

　　電液伺服系統在方案設計時就考慮引入抗污染能力強的方案。優先采用整體化設計，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)采用冗余設計方案[9];對多余敏感部位，設置高精度過濾裝置等。詳細設計時，對材料選用、元器件和零部件結構設計、密封結構設計、系統油路設計、整體外形設計等環節均應執行多余物防控規范。例如，運動副偶件應選用不同材料，配對材料硬度差值一般應不小于HRC5，運動件硬度應高于導向件硬度;運動副對外接口應設置有防塵圈;避免采用螺紋密封;根據產品使用環境合理選用密封件材料[10];殼體類零件設計應盡量避免封閉的凹槽，無法避免時應設置排泄通道;系統內任何可與外界相通的部位均應設計有多余物防護裝置。

　　2.1.2工藝環節的多余物防控

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

　　2.1.3生產過程的多余物防控

　　生產環節的多余物防控措施是使產品規避多余物風險的最關鍵環節，具體相關內容如下：

　　1)零部件機加環節多余物的防控

　　機加環節是產品全生命周期多余物防控的第一個階段，此環節出現的金屬微小毛刺是系統自生多余物的主要來源之一，控制好第一道關卡對后續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、細小銳邊毛刺等。

　　研磨膏、切削液、金屬屑可通過后續的高壓清洗、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防;但是對于細小毛刺而言，一方面不易用發現，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，一般采用包含機械去毛刺、電解質-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的的組合工藝。

　　2)儲存環節的多余物防控

　　零部件從入庫到裝機有較長的儲存時間，此環節多余物一般多為灰塵、銹漬、蚊蟲等，需嚴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)裝配環節的多余物防控

　　裝配環節是系統內部與外界直接連通時間最長的環節，也是系統外來多余物產生的主要環節，是人為因素最多的環節，因此對于多余物防控顯得格外重要，主要包括生產現場環境、裝前準備、零部件裝配、裝配試驗過程、電裝等環節。

　　a.現場多余物控制措施裝配現場實行分區管理，如裝配區、清洗區、焊線區、密封試驗區、檢驗區等，零組件裝配應在規定的潔凈區域內進行，要求除塵凈化設施完好。研磨、焊線、擦洗等物理操作應在專門隔離間進行，操作中產生多余物(如鉛封絲、導線頭、膠帶等)的環節，應放置專用盒，操作后清洗檢查無任何可見多余物后，方可轉入潔凈間繼續進行后續工作。裝調現場擦洗應使用縫邊的綢布，嚴禁使用棉紗擦洗，也禁止存放棉紗。報廢件、隔離件設置專用隔離盒，并注有明顯的標識[12]。

　　b.裝前準備環節的多余物控制措施裝前準備多余物主要通過清洗、零部件數量清點、試裝及裝前檢查四個環節控制。清洗:去除機加、儲存、轉運環節可能產生的多余物，如防銹油、金屬屑、灰塵等。所有金屬零件用超聲波進行粗洗、半精洗、精洗，孔系復雜的殼體類零件清洗時在清洗槽內需換向一次，殘余清洗介質及時晾干或烘干。非金屬件用酒精擦拭。清洗完畢后零部件轉運和裝前儲存時對開放孔需進行封堵。零部件清點:裝配臺面擺放的零部件數量嚴格按圖紙要求的配套進行清點，分類分區域擺放。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生的金屬屑和橡膠屑進入系統，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、相交孔用內窺鏡檢查，必須雙崗依次確認。

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

　　d.裝配試驗環節多余物控制措施裝配試驗一般包括強度、密封與磨合，是提前發現系統液壓回路多余物的重要環節。系統第一次與工作介質有直接接觸，所以其首要措施就是工作介質清潔度的保證。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，還需要有更為嚴格的多余物防控措施，如泵需進行多次柱塞與轉子的磨合試驗，每次試驗完畢后都需用放大鏡檢查表面質量和測試軸向間隙;閥則需對循環回路進行高壓正反雙向清洗，保證其內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，并按預處理區、焊線區和裁剪區進行分區管理，各自設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的殘留物進行清除。焊劑的高溫時呈流體狀，易進入焊杯，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;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行多媒體記錄。

　　4)調試環節多余物的防控電液伺服系統在調試環節已處于封裝狀態，只有電連接器(主要為控制、遙測、電機插座)和流體連接器(主要為高、低壓自封接頭)對接的環節可能引入多余物，其主要防控措施是系統對外電液接口在連接前進行多余物確認，接口脫開后，對其進行檢查并擦拭，同時用工藝堵頭進行封堵。而對多余物最為敏感的伺服閥，在正式驗收前一般還需進行高頻磨合測試，通過施加高頻信號使得伺服閥的內部油路處于高頻壓力變化狀態，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，進一步降低產品交付后發生多余物故障的風險。

　　5)其他環節多余物的防控電液伺服系統出在廠測試環節、運輸和儲存環節和裝箭環節主要操作為電液接口的對接以及機械接口銷軸和密封圈的安裝，其多余防控措施與調試環節類似，主要是對相應接口進行多余物狀態的確認，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，加注環節是系統多余物引入的高危環節，是系統多余物防控體系亟待完善的關鍵環節。系統加注過程多余物引入風險點多，如加注管路、油液潔凈度、流體連接器對接等。加注環節的多余物控制措施主要是通過結合電液伺服系統自身的典型的結構特點，改變現有的加注方式(低壓加注)，采用高壓加注方法實現的。徹底規避加注環節引入多余物的風險，即:通過系統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，保持工作介質在系統內為正向流動。

　　抽油過程:抽真空電磁活門得電，工作介質經低壓流體連接器、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，工作介質經高壓流體連接器、油濾、伺服閥到油箱。此方法對完善系統多余物防控措施的作用主要體現在：

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

　　(2)電液伺服系統在工作過程中有高速旋轉的運動副存在，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流向與系統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)對系統進行加注時，可提前通過高壓加注向油箱內加入部分油液，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，降低系統多余物風險。該加注方案已運用在現役運載火箭電液伺服系統中，有效地解決了電液伺服系統多余物引入的一個高風險點。

　　3結論

　　本文基于電液伺服系統液壓回路和電氣回路，結合由多余物引發的典型故障模式及問題數據統計，采用故障樹和矩陣圖分析法對產品全生命周期內多余物引入環節進行了識別與評定，直觀地反映了各環節多余物引入的風險程度，并對高風險加注環節提出了針對性的解決方案，對電液伺服系統多余物防控體系的建立與防控措施的持續完善具有一定的指導意義，同時也為產品質量和可靠性的保證奠定了基礎。

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　　作者：葉朋1，鄭波1，趙春1，王劍1，劉新1，蘆星竹2