QC案例：新型電氣液路浮動斷接器的研制

◆湯樹人 唐 平 雷亞彤 黃莉蘋 / 文

QC案例：新型電氣液路浮動斷接器的研制

◆湯樹人 唐 平 雷亞彤 黃莉蘋 / 文

上海宇航系統工程研究所益堅優化設計QC小組成立于2006年，以“窮且益堅，不墜青云之志”為勉，堅定不移地優化設計。創建之初，開展了神舟8號空間對接機構研制相關的系列QC活動，并獲得上海市及全國優秀QC小組稱號，有力地支撐了對接機構研制工作，為2011年圓滿完成我國首次空間交會對接、2013年上海宇航工程所榮獲國家科技進步特等獎做出了貢獻。隨著工作項目的拓展，針對當前航天界所關注的在軌服務領域，運用QC活動方式繼續組織高素質、年輕化的團隊，開展了包括本課題在內的系列自主研發工作。

一、課題選擇及目標設定

課題選擇。根據民用航天在軌服務預研項目研制要求，需要開展標準化、一體化補加裝置研究，以便于兩飛行器完成空間交會對接后，能夠實現電氣液管路連接。經調研國內外航天界現有的類似技術和產品，發現它們存在著功能較單一、性能不全面和成本較高昂的弊端。因此，提出分布式和集成式電氣液路浮動斷接器兩個備選課題，并通過對比分析，決定開展質量（編者注：指物體中所含物質的量）小、成本低，但研制風險大的集成式電氣液路浮動斷接器的研制工作。

目標設定。按照總體要求，決定自主研發的產品兼具1路電路、1路氣路和2路液路浮動斷接功能；性能方面的目標為：軸向伸縮行程≥40mm，全套產品質量＜10kg。與現有型號產品相比，課題設定目標軸向伸縮行程增加81.8%、減重44.4%，實現起來雖有難度，但通過各方面合理設計，目標還是具有可行性。

二、提出方案并確定最佳方案

小組成員運用頭腦風暴法，將新型電氣液路浮動斷接器研制工作，分解為總體布局結構、氣液連接機構、電連接機構和軸向驅動機構四大關鍵項目，并逐一開展方案細化設計和優選工作。最終經過小組評估，確定各項目最佳方案，如圖1所示。

圖1.佳方案確定

三、制定對策并實施

根據所選定的最佳方案制定對策表，如表1所示。

表1.策表

在對策實施過程中，通過綜合運用設計軟件、正交試驗等統計方法，科學高效地實現了各項預期目標。如，運用Pro/E軟件開展結構設計工作。結合減重目標，完成氣液連接機構拉簧懸掛支撐結構設計。

再如，利用正交試驗法開展拉簧的設計選型。結合地面重力場情況下的總體試驗要求，開展浮動支撐裝置中的拉簧設計選型工作。首先設計后整理浮動支撐裝置所需拉簧要求如下：

（1）拉簧直徑不超過10mm ；

（2）拉簧原長15mm-18mm ，彈性變形拉伸長≥28mm；

（3）拉簧在22mm預緊長度時，折算拉力100±10g。

為降低研制成本、縮短研制周期，決定選購市場上已有的拉簧貨架產品裝機使用。經過調研，市場上不銹鋼拉簧產品規格標識為：（A鋼絲直徑）×（B拉簧直徑）×（C拉簧原長）。在對拉簧初步計算分析后，設計三因素兩水平表如表2所示。

隨后按照L4（23）正交表對應因素和水平，購買四種規格的拉簧，并進行試驗，測試拉簧拉伸到22mm預緊長度時的吊掛重物質量，并填表計算。如表3所示。

從表3正交試驗計算分析可知，影響拉簧吊掛重物質量的各主要和次要因素，因素變化與吊掛重物質量的變化關系等。并按照正交試驗分析結果，嘗試通過減小實驗號2對應拉簧直徑的方式，以提高其吊掛重物質量。同時將5mm拉簧直徑減至4.5mm，對0.4×4.5×18規格拉簧測試預緊長度下的吊掛重物質量為105.5g，滿足總體試驗設計要求值100±10g指標，且將之拉伸到30mm后依然能夠彈性恢復，滿足各項指標要求。

在完成每項對策實施后，實測效果均滿足目標要求，從而完成對策表中所有對策的實施工作。

四、效果檢查

表2.因素兩水平表

表3.交試驗計算分析

1.目標完成情況

利用各組配件，完成電氣液路浮動斷接器及配套試驗工裝的總裝裝配，確認各接口匹配，隨后進行電氣液路連接分離驗收試驗，確認滿足研制功能要求。然后，對前后各9次連接和分離試驗數據進行匯總。

從匯總中發現，連接和分離最大時間差為2.53s。為此，對浮動斷接器軸向伸出和收回48mm，完成連接和分離工作時間的差異顯著性進行假設檢驗。

將伸出和收回48mm工作時間看成母體X1和X2，且服從正態分布和 ；用t檢驗法進行假設檢驗，比較伸出和收回工作時間有無顯著差異；首先假設H0：u1=u2 。按照匯總表數據進行數理統計分析，確認完成連接和分離的工作時間沒有顯著差異，產品工作性能穩定。

通過“伸出和收回工作時間差異顯著性假設檢驗”，確認所研制的產品功能具備、性能穩定后，進行活動效果檢查。與型號產品對比可知，軸向伸縮行程由22mm增至48mm，增幅達118.2%；且在增加到位檢測組件情況下，重量由18kg降至8.1kg，降幅達55.0%，圓滿實現課題目標。

2.經濟和社會效益

經過經費管理部門鑒定，自主研發新型電氣液路浮動斷接器與采購現有產品配套使用方式相比，減少了53萬元成本支出。與此同時，為實現技術儲備、豐富產品類型，推動國內完成首次在軌服務全流程地面試驗，及后續“十三五”期間在軌服務項目科研任務的爭取和開展，最終提升民族自豪感，做出了貢獻。

五、標準化

為使效果得以鞏固，小組成員開展了活動成果文檔和設計圖紙歸檔，自主創新設計申請《一種電氣液路浮動斷接器》發明專利，撰寫《在軌服務集成浮動斷接器的研制》論文等一系列標準化工作。

（作者單位：上海宇航系統工程研究所）