空间站泵阀多余物预防与控制技术研究

吕立生 任华兴 于 震 赵本华 姚 旗 王 燕 赵丹妮

空间站泵阀多余物预防与控制技术研究

吕立生 任华兴 于 震 赵本华 姚 旗 王 燕 赵丹妮

（北京卫星制造厂有限公司，北京 100094）

泵阀类产品是空间站宇航员生命保障系统主要单机产品之一。然而多余物往往是影响泵阀类产品性能的关键因素。结合空间站泵阀类产品的特点，从设计、加工、装配、测试等环节讲述了空间站泵阀类产品多余物预防与控制措施，从而保证产品的洁净度指标符合产品的可靠性要求。

空间站；泵阀；多余物；预防与控制

1 引言

多余物是指由外界进入或内部产生的与产品标准状态不符的一切物质。产生原因主要有设计、加工制造、装配测试等因素[1～3]。泵阀类多余物一般分为金属和非金属两种，其中金属多余物多为金属屑，呈现条状和块状，以及金属粉末；非金属多余物多为灰尘、纤维等。作为一类多余物敏感度较高的产品，空间站泵阀类产品一旦内部出现多余物，就可能导致机构部件卡滞，最终造成产品功能失效[4，5]。

如果多余物出现在地面测试阶段，产品性能将受到影响，试验工作无法正常进行，需要花费大量精力进行产品归零。如果多余物出现在在轨运行阶段，很有可能影响整个系统性能，甚至危及宇航员的生命安全。

2 泵阀多余物产生原因分析

2.1 泵阀的结构特点

空间站泵阀类产品种类较多，涉及泵组件、安全阀、单向阀、旋塞阀、梭阀、减压阀等产品，其工质多为气体和液态水。

其中密封环节涉及硫化件、膜片、O型圈、组合密封圈等多种密封形式。这些密封形式对多余物的敏感度非常高，往往在密封位置积聚一个很小的多余物，就能造成产品失效。空间站泵阀类产品各种密封形式的结构特点如图1所示。

图1 密封形式示意图

空间站泵阀类产品部分零件流道结构复杂，含有较多相贯孔、细长孔。在加工和装配过程中容易发生多余物清理不彻底的情况，造成试验过程中多余物随介质流动，导致密封环节、开启环节失效。泵阀类产品流道典型零件如图2所示。

图2 典型零件示意图

2.2 多余物来源分析

梳理空间站泵阀类产品的结构特点及研制过程，可得出多余物生产的环节主要包括几个方面。

a. 设计缺陷。产品结构不合理，流道孔径过细，未考虑到零件相贯孔毛刺的去除难度或是存在较多盲孔；以及在装配过程中没有防干涉、防磕碰设计；零件存在尖角、凸起、锐边等情况。设计方案的优化是防止产品多余物产生的先决条件。

b. 零件加工。零件加工过程是造成多余物产生的又一主要环节。主要有零件表面加工粗糙度情况、毛刺清理情况、零件表面处理状态，以及零件加工完成后表面及内腔油污清理情况等。零件加工过程是防止空间站泵阀类产品装配、测试过程多余物产生的基础。

c. 装配测试。装配前与工质接触的零件清洗不到位，与工质接触的螺接零件没有试装和并清洗，装配测试过程的环境控制不满足要求，装配测试过程中关于辅助材料的使用未严格规范，以及各种仪器、设备、工装、工具的使用错误，都可能导致多余物的产生。因此，装配测试环节是空间站泵阀类产品多余物预防与控制的最关键环节。

通过以上分析，空间站泵阀类产品研制过程中各环节均可能产生多余物，均需采取防护措施。如果措施失效，多余物就会进入流道内部。在后续检查环节如果未被发现，则导致多余物进入试验环节，将对产品质量造成影响。

3 泵阀多余物预防与控制

3.1 设计环节的预防和控制

a. 流道设计——减少流道毛刺

泵阀类产品部分接口零件在接口处存在相互垂直相交孔的现状，此种设计状态相贯处存在的毛刺人工去除非常困难。通过工艺试验优化设计，将垂直孔改为斜孔结构，省掉了相贯孔去毛刺的环节，而且能够减小流道内流体阻力，如图3所示。

图3 泵阀接口更改前后对照

b. 导向设计——避免磕碰

泵阀类产品设计时要考虑装配的可实施性，活塞杆穿过密封结构或活塞部位装入缸体时，需在活塞杆和缸体端口处设计导向用倒角。其中，倒角长度大于等于组合密封圈宽度，倒角处最小直径1小于组合密封圈在无压缩状态下的尺寸2，否则容易造成密封元件摩擦损伤产生多余物。活塞杆基于装配的优化设计具体如图4所示。

图4 活塞杆的密封装配

3.2 加工环节的预防和控制

零件加工过程中首先要保证零件的表面质量。内腔中和工质接触表面其表面粗糙度a≤3.2μm，密封面粗糙度a≤1.6μm，密封沟槽不允许尖角、锐边存在。零件加工完成后，工质接触的零件需超声波除油清洗，清洗后使用食用保鲜膜单件包裹后入库。

需要表面处理的零件（如铝合金表面硫酸本色阳极氧化处理、不锈钢表面喷涂DLC薄膜），表面处理前需清理零件表面毛刺、超声波除油清洗等。另外，需保证表面工艺的确定性、稳定性，确保在产品后续装配、测试过程中不会发生氧化生锈、镀层脱落等情况。

对于相贯小孔较多的复杂零件，需采用专门的去毛刺方法，例如磨粒流去毛刺、电解去毛刺，并采用工业内窥镜检查毛刺去除情况。其中，磨粒流清洗后内腔残留的磨料，应采用高压气体吹除，吹除干净后再超声波清洗。磨粒流去毛刺和内窥检查如图5所示。

图5 磨砺流清洗和内窥检查照片

3.3 装配测试环节的预防和控制

3.3.1 环境要求

整个装配测试环节需在优于10万级洁净间装配，装配间的湿度为20%～60%，温度控制在温度(20±5)℃，照明不小于300lx。

3.3.2 装配前零部件清洗要求

泵阀类零部件清洗前首先应选用不小于5倍放大镜或体视显微镜检查所有零部件外观，主要检查有螺纹首尾扣毛刺、螺纹首末扣不完整螺纹、O型圈等非金属材质零件有无毛边。带有螺纹孔的零件在清洗前，应先用与之配套的螺钉或配偶件试拧几次，确保连接畅通，并检查有无挤出的毛刺或多余物。

O型圈、硫化件、膜片等非金属材质零部件清洗过程先用浸过无水乙醇的无尘拭布仔细擦洗，然后置于清洁的玻璃器皿中晾干，期间至少翻转一次，严禁将非金属零部件浸泡在无水乙醇和其他溶剂中清洗。

与工质接触的铝合金零部件，如果已经表面处理（如表面硫酸、磷酸阳极阳化等），仅用干净的无尘拭布擦拭即可，擦拭后不应有多余物（如布毛、线头等）。装配前用过滤后的高纯氮气从入口吹除，再用无尘拭布放置出口。吹除后用10倍显微镜观测无尘拭布表面，不允许有大于50μm颗粒多余物。

其它与工质接触的铝合金、钛合金、不锈钢零件需洁净度冲洗，洁净度冲洗时间不少于30min，清洗后流经零件待测区的去离子水洁净度满足D2等级要求为止。其中D2等级的判断标准如表1所示。

表1 D2等级洁净度指标要求

3.3.3 装配过程注意事项

装配过程中操作人员需戴上洁净丁腈手套。螺钉使用前需要用干净的无尘拭布蘸无水乙醇擦拭表面。擦拭后用10倍放大镜在灯光下检验无尘拭布表面，确认无可见多余物。螺钉使用3次以上需要及时更换新螺钉。

O型圈涂抹7805润滑脂涂抹时，需将7805润滑脂抹在无尘拭布上，通过无尘拭布的缝隙挤出的油脂涂抹在O形圈上。螺钉使用MS防松胶防松处理时，需在螺纹拧合方向均匀涂刷3～4个螺距，紧固后将多余防松胶及时清除干净。

需要拆装产品时，先将出入口等处采用特氟隆压敏胶带密封，涉及MS防松胶涂抹处拆装时，需收集MS防松胶，对螺纹处仔细清理，并用无尘试布擦拭，最后将洁净度清洗合格。

装配过程中不允许修搓零部件。不应对装配合格的单机产品再机械加工。零部件重新装配前需要用干净的无尘拭布蘸无水乙醇擦拭零件表面，擦拭后用10倍放大镜在灯光下检验无尘拭布表面，确认无可见多余物方可装配，无尘拭布和无水乙醇不能重复使用。

过盈配合处不允许采用非金属工装，防止产生多余物。泵阀产品装配或试验完成后，立即在接口处安装保护帽。保护帽应保证在装配前处于洁净状态。

3.3.4 测试过程注意事项

泵阀试验过程中，测试用气体和液体等试验介质应符合洁净度指标要求。其中，高纯氮气、高纯氦气使用10μm过滤器过滤；无水乙醇使用不低于5μm过滤膜过滤；去离子水应使用50μm过滤器过滤；过滤器使用前需检查过滤网状态，保证状态完好、无破损，并每3个月重新清洗、标定过滤器。

泵阀测试平台必须无油污，测试前需超声波除油清洗工艺接头、堵头均。安装前，再用无尘拭布蘸无水乙醇擦拭工艺孔。擦拭后用10倍放大镜在检验无尘拭布表面，确认无可见多余物。PVC软管与接头连接时，每次装配前都需要确认PVC软管经过多余物清洗检测合格，确认管口表面是否光滑、洁净无多余物，并采用0.5MPa高纯氮气吹除不少于1min。

测试阶段或产品交付时，如需跨车间、跨厂房转运，在泵阀类产品出入口处安装保护帽，并用食用保鲜膜包裹完好，放入洁净的密封盒中转运。

4 结束语

多余物控制是航天产品质量控制的一个长期的话题，以空间站泵阀类产品为例，结合其结构特点、使用环境，分析多余物产生途径和原因，并从设计、加工、装配、测试等环节提出了针对性的预防和控制措施。使空间站泵阀类产品在整个研制过程中产生的多余物得到有效地控制和清除。

1 李文斌，王道虎，马飞，等. 箭体阀门多余物预防与控制[J]. 航天技术研究，2014(4)：50～53

2 吴建胜，冯世泽，赵黎明，等. 航天地面设备液压缸多余物预防与控制[J]. 液压气动与密封，2016(1)：66～69

3 熊涛. 航天器总装多余物控制方法探讨[J]. 航天器环境工程，2006，23(5)：277～281

4 樊晓霞，李娜，张玉良，等. 铝合金薄壁壳体研制过程多余物控制分析[J]. 航天制造技术，2014(5)：67～71

5 王辉，李护林，崔超海. 发动机总装多余物控制方法[J]. 航天制造技术，2003(5)：39～42

Research on Prevention and Control of Foreign Object Debris of Pump and Valve in Space Station

Lv Lisheng Ren Huaxing Yu Zhen Zhao Benhua Yao Qi Wang Yan Zhao Danni

(Beijing Spacecrafts Manufacturing Co., Ltd., Beijing 100094)

Pump and valve product is one of the main stand-alone products of the life support system for space station astronauts. However, foreign object debris is the factor affecting pump and valve product. This paper tells the measures of prevention and control for foreign object debris of pump and valve in space station from the sections of designing, processing, assembling and testing, combing the characteristics of pump and valve product in space station. Therefore, the cleanliness index of the product is guaranteed to meet the reliability requirements of the product.

space station；pump and valve；foreign object debris；prevention and control

吕立生（1988），工程师，航天工程专业；研究方向：航天机构产品精密装配技术。

2019-08-12