解锁装置振动失效分析及改进

张威 景莉 刘群 杨昭 周传霞 张丽梅 岳泽鹏

解锁装置振动失效分析及改进

张威 景莉 刘群 杨昭 周传霞 张丽梅 岳泽鹏

（北京空间机电研究所，北京 100094）

解锁装置是广泛应用于航空、航天领域的火工装置，可用于星体与其相机主载荷的约束与释放。在卫星到达指定轨道时，解除相机与卫星平台的约束，释放相机自由度以调整拍摄姿态，同时还需要在发射主动段提供相机足够的刚性支撑，保证结构不失效。但在试验过程中，解锁装置联合相机振动时会发生结构失效，刚性支撑提前解除。为解决该问题，文章以解锁装置为主要分析对象，通过承载机理分析、有限元仿真及对故障件的拆解检查，确定了解锁装置振动失效的机理。此外，通过分析预紧力矩对解锁装置弯曲刚度的影响，提出了增加预紧力矩的改进方法，解锁装置弯曲变形降低15%，局部模态产生的位移降低40%，最终顺利通过了联合振动试验，解决了解锁装置振动失效问题,为同类产品的失效分析及改进提供了重要的参考依据。

火工装置 解锁装置 结构失效 改进方法

0 引言

近年来，随着我国国防工业的发展，火工技术也取得了长足发展，其中解锁类火工装置已成为航空、航天领域的一个重要组成部分，在诸多星箭分离、载荷解约等工况下起着不可替代的作用[1-3]。解锁装置作为卫星载荷的“腿”，在发射主动段为载荷提供可靠的刚性支撑，待卫星到达指定轨道时，需要可靠地解除载荷与卫星平台的约束，释放相机自由度。因此，若解锁装置在发射主动段出现连接失效问题，会导致卫星载荷提前失去约束，产生碰撞、冲击等严重损伤，甚至造成主任务失败。

为了避免解锁装置发生失效，近些年广大学者的研究主要集中在两个方面：一方面是解锁装置的承载工作原理分析，另一方面是失效分析。在承载工作原理方面，文献[4]介绍了一种分离解锁装置的设计方法，该装置采用轴向连接、径向解锁的方式，在分离前，使用螺纹连接方式将螺栓与分瓣螺母可靠地连接在一起。解锁时在燃气压强作用下分瓣螺母张开，解除对螺栓的约束，该装置主要功能是锁紧、解锁，不提供分离动能。文献[5]介绍了一种用于飞机反尾旋伞与飞机机身结构的连接解锁装置，工作原理是当飞机进入反尾旋状态时，该装置通过钢珠、套筒和螺栓杆共同作用，承受反尾旋伞的气动载荷，当飞机退出反尾旋状态时，解锁装置工作，活塞运动使钢珠回位，螺栓杆在反尾旋伞的气动载荷作用下及活塞推力的作用下分离。文献[6-7]介绍了一种热切割分离释放装置，是利用材料高温力学性能较常温力学性能差的原理研制的一种分离装置。文献[8]利用内弹道理论建立了拔销式解锁装置工作过程的仿真模型，并对不同工况下工作过程进行了仿真分析。从失效分析方面，文献[9]对翼面组件开锁装置环境试验时出现的失效现象进行了分析。文献[10]通过理论计算，分析了某火箭炮闭锁机构在强制解脱过程中产生的振动失效问题。文献[11]对楔形锁紧装置螺纹的锁死故障进行了分析及改进。文献[12]对星箭解锁装置夹块的断裂进行了失效分析。文献[13]通过对前紧定装置连接失效进行分析，提出在振动条件下，目标预紧力矩设置为前紧定装置连接副中最薄弱零件材料屈服极限的50%～70%，可有效保证预紧可靠，前紧定装置连接不失效。文献[14]分析了机载计算机锁钩断裂的失效机理，认为锁钩圆角处基材表层存在的裂纹扩展及增长是导致振动过程中失效的主要原因。文献[15]通过对某发射装置解锁口盖断裂故障进行分析，提出了更换材料的改进措施。文献[16]分析了某阻力伞锁滑车试验过程中，滚柱梁失效导致开伞失败的问题。综上所述，近些年关于星体与相机主载荷连接释放类解锁装置的研究较少，且未见相关失效分析内容，但部分学者对各类解锁装置的工作原理及失效分析是具有较高借鉴意义的。伴随着相机主载荷连接释放类解锁装置在航空航天领域的广泛应用，失效事故也随之频发，而振动失效是其中的常见问题。因此在地面研制过程中，及时发现问题解决问题，是确保航天任务圆满完成，实现“高质量保成功、高效率完成任务、高效益推动航天强国和国防建设”三高发展的重要环节[17-20]。

本文以解锁装置地面振动试验时发生的失效问题为例进行分析，将失效原因定位于局部扭转模态下解锁装置抗弯能力不足，并通过对解锁装置弯曲刚度进行仿真，提出了增加解锁装置预紧力矩的改进措施。此外，通过对相机底板进行设计改进，增加了底板的抗弯性能，大幅度降低了解锁装置因局部模态产生的位移。最终通过试验验证了该改进措施的有效性，为同类产品的失效分析及改进提供了参考。

1 解锁装置结构及原理

卫星常用于资源调查、生态环境监测、城市精细管理、防灾减灾等领域，为保证卫星的相机主载荷顺利达到指定轨道，通常使用解锁装置连接相机与卫星平台，在发射主动段解锁装置提供刚性支撑，待卫星到达指定轨道时，解锁装置解除相机与卫星平台的约束，释放相机自由度以调整拍摄姿态。

图1为典型的载荷释放类火工解锁装置，用于载荷的锁定与释放，主要由点火器、下连接座、剪切销、助推块、分离瓣、外筒、支座、圆锥弹簧、端盖、上连接座、螺栓、楔块、内筒、内六角螺钉、药壳及同步环等部分组成。通过上、下连接座分别连接星体与载荷。

图1 解锁装置结构

解锁装置未接到解锁命令时需要可靠承载，其承载原理为：解锁装置上下两端受拉时，如图2（a）所示，上连接座的拉力直接作用在螺栓上，螺栓通过螺纹与分离瓣连接，将拉力传递至分离瓣，分离瓣径向由内筒约束，轴向由支座约束，因支座与分离瓣间设置了一定倾角，因此该拉力一部分转化为径向力作用于内筒，一部分转化为轴向力作用于支座，两分力最终均作用于下连接座。解锁装置上下两端受压时，如图2（b）所示，上连接座的压力直接作用在外筒上，通过外筒与楔块的45°角将该压力作用于楔块，并转化为向下的压力和楔块径向回缩的力，楔块径向由内筒所约束（没有回缩空间），向下的压力则直接作用于下连接座。解锁装置通过两个不同的受力途径实现了拉压载荷，并通过对螺栓提前施加预紧力矩来消除各零件间的配合间隙，实现预紧状态，确保解锁装置可靠承载。

图2 解锁装置承载原理

解锁装置接到解锁命令时需要可靠解锁，其解锁时的工作过程分为4步：①点火器接到电信号后产生高压燃气进入药壳、助推块、内筒三个零件组成的密闭容腔内；②内筒在燃气作用下，产生向下压力，压力达到剪切销剪切力后，剪断剪切销向下运动，且运动时带动与之螺接的内六角螺钉，继而带动与螺钉帽配合的同步环向下运动，内筒运动3.5 mm后，如图3（a）所示，分离瓣、楔块径向约束解除；③分离瓣在助推块斜面的推动下沿径向张开，解除其与螺栓的螺纹约束，螺栓在圆锥弹簧作用下向上运动，直至与端盖接触为止，如图3（b）所示；④内筒继续向下运动1 mm后，带动内六角螺钉与外筒接触，拉动外筒向下运动，此时楔块受力沿径向回缩。外筒轴向约束解除，向下运动至与下连接座接触为止，解锁装置工作完毕，分离面距离≥6 mm，如图3（c）所示。

图3 解锁装置工作过程

2 解锁装置失效现象及机理分析

2.1 失效现象

解锁装置在参与相机振动试验时，模拟星上安装方式将三套解锁装置呈120°分布安装在相机底部，其上连接座与相机主体的阻尼桁架连接，下连接座则通过工装直接安装在振动台上，如图4所示。

在进行向正弦振动时，发现位于+方向的解锁装置发生失效，解锁装置在没有通电的情况下提前解锁。解锁装置失效后，对三套解锁装置均进行了拆解检查，发现其中+方向解锁装置剪切销断裂，各零件呈解锁状态，其中分离瓣、螺栓和楔块均有明显受力损伤情况，检查发现楔块、支座的承力部位也均有较大的压伤，如图5所示，压伤均处于解锁器承载传力位置且压痕较深，显示解锁装置在振动过程中承受了极大的载荷。同时，–方向的解锁装置经拆解发现剪切销已严重损伤，基本处于临界失效状态。这是由于进行向振动时，位于+和–侧的两套解锁装置为对称布局，受力情况一致，两套解锁装置失效情况一致。+侧的解锁装置未出现异常现象。

图4 解锁装置安装状态

图5 损伤情况1

2.2 失效机理分析

对解锁装置承载过程进行分析，若解锁装置因受拉或受压而出现失效，则剪切销仅承受内筒零件上下运动自由度的振动过载，但向振动时，内筒无上下运动自由度，剪切销为零受力状态，不会发生断裂。且对解锁装置承载能力进行了复测，根据指标要求，解锁装置的轴向承载能力要求≥89.9 kN，据此数据进行承载试验，试验时利用加载工装，对解锁装置轴向的拉压均进行加载，加载至168.6 kN后保载30 s，解锁装置均未发生失效，可见解锁装置有足够的拉压承载能力。此外，根据振动试验现场实测数据，与解锁装置连接的阻尼桁架处放大倍数=5.2，振动台的输入为正弦振动加速度=1.5n（10～100 Hz，4 oct/min），考虑到相机总质量为600 kg，解锁装置受力为

式中为相机总质量；标准重力加速度n=9.8 m/s2。可见解锁装置受力并未超过其轴向承载指标及能力，因此可以判断本次振动失效与解锁装置轴向承载能力无关。

为进一步分析失效原因，对振动录像进行观测，发现振动过程中，相机阻尼桁架发生往复变形，与之连接的+、–方向解锁装置上连接座均出现左右摇摆情况，存在局部扭摆的振动模态，而+方向上的解锁装置无此现象。分析阻尼桁架的传力特性，桁架杆通过球头释放了每根杆的旋转自由度，使得每根杆成为了标准2力杆（即沿1和2两个受力方向），只能承受拉压载荷，如图6所示。作用在桁架上下座上的载荷，都会转换成杆件的拉压。

图6 桁架受力示意

阻尼桁架下端安装解锁装置，当正弦振动方向为向时，+、–方向上的阻尼桁架上端承受切向载荷，桁架有绕上端往复旋转的趋势，导致两杆出现拉压相反的受力情况，该力作用在解锁装置的上连接座，会使解锁装置承受弯曲力矩，动态载荷作用下还会出现往复交变，该力矩使解锁装置上连接座发生往复旋转。解锁装置通过螺栓零件实现预紧力矩施加，而预紧力矩产生的预紧力方向正好过上连接座旋转中心，理论力臂长度为0，无法形成足够力矩抵抗上连接座的扭转，因此解锁装置抗弯曲能力较低，当阻尼桁架弯曲力矩过大时，解锁装置产生较大弯曲位移，检查振动数据达到5.9 mm，导致解锁装置承载失效。而该方向振动时，+方向的阻尼桁架两杆同时承受拉载荷或压载荷，不存在弯矩，因此解锁装置上连接座不会发生旋转，因此+方向的解锁装置未出现异常现象。

结合故障现象，解锁装置上连接座两端受到往复弯曲力矩时，解锁装置变形过大，抗弯刚度不足。对解锁装置抗弯性能进行分析，如图7所示。解锁装置呈弯时，一侧受拉一侧受压，受压一侧在材料未发生破坏时，其刚度主要取决于材料刚度，而受拉一侧，若螺栓预紧力矩不足，则会导致上连接座与外筒之间出现间隙，预紧失效继而出现较大位移，下连接座与支座接触位置也会出现较大变形，往复作用下，最终导致分离瓣脱出内筒，表现形式为内筒剪断剪切销后解锁装置失效。

图7 解锁弯曲受力示意

3 改进措施及试验验证

为避免解锁装置失效，需防止其产生过大弯曲位移，因此，解锁装置需进行健壮性设计以提高解锁装置弯曲刚度。考虑到解锁装置受拉一侧会因预紧力矩不足产生缝隙，使用有限元软件对解锁装置进行仿真。当螺栓使用100 N·m、165 N·m、200 N·m预紧力矩时，对解锁装置上连接座施加一定的弯矩，解锁装置弯曲变形情况如图8所示。从变形量能够定量地看出，在相同外载荷情况下，当预紧力矩由=100 N·m增大到165 N·m后，弯曲变形能够降低15%；从165 N·m增大到200 N·m后，弯曲变形能够降低8%。据此分析，可得出螺栓预紧力矩增大能够提高解锁装置的抗弯刚度和抗弯能力。因此结合解锁试验情况，对解锁装置的预紧力矩进行了提高。

图8 不同预紧力矩下解锁装置变形示意

此外，在相机阻尼桁架下端、解锁装置上端，增加了刚性底板，通过相机底板实现3个解锁装置的联动，通过总体构型消除局部模态。如图9所示。

图9 底板示意

保持解锁装置状态不变，分析向1个标准重力加速度n下解锁装置的形变在增加底板前后的变化。增加底板前，解锁装置两端向最大位移为0.14 mm如图10（a）所示。增加底板后，解锁装置两端向最大位移为0.082 mm，如图10（b）所示。可见，增加底板可使最大位移降低40%，作用在解锁装置上的弯曲效果降低40%。

按照上述措施进行改进后，重新进行3次正弦振动试验，每次均为、、三个方向，解锁装置预紧力矩设置为165 N·m，正弦振动加速度为=1.5n（10～100 Hz，4 oct/min）。通过观测，解锁装置顺利通过了振动试验，没有在振动过程中出现明显的失效情况。此外，为进一步验证解锁装置是否出现振动失效，在正弦振动试验前后均设置了一次加速度为=0.2n的扫频试验，通过观察相机频率是否出现较大变化，判断解锁装置对相机的支撑能力是否发生变化，从而判断解锁装置是否出现振动失效。由表1所示扫频试验结果可知，相机一阶频率在3次正弦振动试验前后基本保持一致，说明解锁装置对相机的支撑能力没有因正弦振动试验而发生变化，试验结果显示，解锁装置顺利通过了振动试验，解决了失效问题。

图10 解锁装置变形示意

表1 试验前后相机频率变化

Tab.1 Camera frequency change before and after the test

4 结束语

本文经过对解锁装置的故障现象、工作原理及承载机理进行分析，明确了其振动失效原因。此外，结合有限元仿真分析了预紧力矩对解锁装置弯曲刚度的影响，并提出了解决措施。最终通过增加解锁装置的预紧力矩和相机局部模态的改善，解决了解锁装置的振动失效问题，并通过了试验验证。文中的研究方法为同类产品的失效分析及改进提供了重要的参考依据。

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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

张威, 景莉, 刘群, 等. 解锁装置振动失效分析及改进[J]. 航天返回与遥感, 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)

（编辑：陈艳霞）