連接器球鎖機構鎖脫異常典型故障分析

王愛偉，劉照智，王建秋，劉聰聰，高彥峰

（1.北京航天愛銳科技有限責任公司，北京，100076；2.北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

連接器是運載火箭與地面氣液電管線間的關鍵接口設備，某連接器通過球鎖機構手動鎖緊、火箭起飛前自動脫落，其工作可靠性影響發射任務成敗［1-3］。通過對采用球鎖機構連接器使用過程中出現的對接鎖緊不上、意外解鎖脫開、解鎖異常等典型故障底事件及機理進行分析，總結措施，供球鎖機構類連接器產品技術研制參考［4-6］。

1 連接器及球鎖結構原理

連接器及球鎖部位結構如圖1所示，主要由插座本體、連接器本體及安裝于中心的球鎖機構零部件等組成，球鎖機構包括承力螺母、3 個鋼球、活塞筒、活塞桿、導向銷、彈簧、活塞墊、活塞螺母等組成。

圖1 連接器及球鎖部位結構Fig.1 Structure of connector and ball lock

連接器鎖緊、解鎖功能主要由球鎖機構實現。鎖緊時，將伸出的連接器球鎖插入插座本體上的承力螺母，活塞桿在彈簧力作用下向右推動，使鋼球進入活塞桿大徑處鋼球槽及承力螺母間實現球鎖上鎖；解鎖時，活塞桿前移使鋼球進入活塞桿小徑實現解鎖。

2 典型故障機理分析

引起連接器故障的底事件較多，產品生產尺寸超差、質量不滿足設計要求，或使用過程中引入多余物、操作不當均有可能造成產品發生故障，本文選取典型事件進行故障機理分析［7-9］。

2.1 連接器對接鎖緊不上故障機理分析

連接器對接鎖緊不上故障底事件有球鎖伸出不到位、鋼球損壞、活塞桿偏轉等。其中活塞螺母裝配松動會導致活塞桿解鎖時伸出過長進而活塞桿偏轉。原因為：當活塞螺母裝配松動間隙過大，在連接器脫落過程中，活塞桿運動行程超出導向銷周向限位范圍，活塞桿發生偏轉導致鋼球與鋼球槽相對位置變化，再次對接時鋼球無法進入相應鋼球槽內，導致連接器對接鎖緊不上。

活塞螺母裝配松動導致活塞桿偏轉機理為：當球鎖出現活塞桿導向槽脫出導向銷并偏轉，鋼球和鋼球槽錯位（如圖2 所示），將會出現連接器對接后無法鎖緊現象。正常情況下活塞桿導向槽與導向銷具有防滑出偏轉限位余量約3 mm，活塞桿后端活塞墊及活塞螺母松動導致間隙L過大時（正常應為0），連接器脫落時活塞桿導向槽將運動脫出定位銷。示例故障機理下的活塞墊與活塞桿限位臺階裝配間隙L實測達4 mm，此時活塞桿導向槽已脫出導向銷1 mm（圖2中△h=L-3）周向呈自由狀態，因而在彈簧壓縮后形成的扭矩作用下回復時發生偏轉，導致連接器無法對接鎖緊。

圖2 活塞桿脫出導向銷及偏轉Fig.2 Piston rod stripping guide pin and deflection

2.2 連接器意外解鎖脫開機理分析

連接器意外解鎖脫開故障底事件有球異常鎖解鎖作動、活塞桿及鋼球等結構件損壞、活塞桿處于臨界鎖緊位置等。其中彈簧變形后參數超差會引起活塞桿處于臨界鎖緊位置，原因為：彈簧變形后參數超差、彈簧力不足，在連接器對接時不能使活塞桿完全到達鎖緊位置，導致球鎖處于臨界鎖緊狀態，連接器工作時作用力使球鎖受力發生變化，打破臨界鎖緊狀態，連接器意外解鎖脫開。

彈簧變形后參數超差引起活塞桿處于臨界鎖緊位置機理為：活塞作動彈簧變形后參數超差、彈簧力不足，不能將鋼球完全擠進活塞桿鋼球槽，而卡在活塞桿邊緣的位置形成臨界鎖緊，見圖3。在此狀態下，設活塞桿與鋼球的摩擦系數u為0.1，當tanα≤0.1、即0°＜α≤5.7°時，連接器可以形成有效鎖緊，此時鋼球對活塞桿的水平分力不足以克服徑向分力產生的運動摩擦力。在充放氣及外界干擾下，鋼球與活塞桿邊緣接觸處最大發生5.7°以上的滾動變化時，鋼球球心相對于活塞桿只需向前移動約0.45 mm便可打破臨界鎖緊狀態的平衡。連接器處于臨界鎖緊狀態時，在外界的輕微干擾下可能會讓連接器意外解鎖脫開。示例故障機理下的活塞桿相對活塞筒位置測量，發現鋼球處于活塞桿臨界鎖緊位置處，分解檢查彈簧有異常變形、參數超差，彈簧力不足。

圖3 球鎖臨界鎖緊Fig.3 Ball lock critical lock

2.3 連接器解鎖異常機理分析

連接器解鎖異常故障底事件有活塞桿作動力測試異常、球鎖自身運動部件卡滯、鋼球解鎖摩擦力增大等。其中鋼球受力偏載會導致鋼球解鎖摩擦力增大，原因為：連接器對接后按斷開關頂死使得球鎖與壓緊螺母、承力螺母傾斜不同軸，導致球鎖3個鋼球受力偏載造成活塞桿運動摩擦力增大。

鋼球受力偏載導致鋼球解鎖摩擦力增大機理為：球鎖鎖緊后鋼球的受力如圖4所示，圖4a中N1為球鎖對鋼球向右的拉力，N2為承力螺母梯形槽45°斜面對鋼球的壓緊力，由于N2的作用鋼球對活塞桿產生N3大小的正壓力，理想情況下3個鋼球受力均勻，活塞桿被夾持在球鎖中心，不與活塞筒內表面接觸，N1=F/3（F為連接器鎖緊后球鎖對承力螺母的軸向鎖緊拉力），此時活塞桿所受的摩擦力為f=3uN1=uF。

圖4 活塞桿與鋼球受力分析Fig.4 Force analysis of piston rod and steel ball

當鋼球孔存在軸向位置偏差等導致鋼球受力偏載（見圖4a）、球鎖體前端傾斜，活塞桿與活塞筒的前端配合由小間隙轉為貼合并產生壓緊力。活塞桿與各鋼球受力工況縱剖面見圖4b，設各個鋼球及活塞筒對活塞桿的作用力分別為NA、NB、NC、ND。惡劣工況下，僅1 個鋼球受力時（見圖4c），則該鋼球與活塞桿之間正壓力為NA=F，活塞桿壓向活塞筒后其支反力為ND=NA，活塞桿解鎖時的最大摩擦力為f=u（ND+NA）=2uF，即正常工況下的2 倍解鎖力方能實現解鎖。分析可知，視鋼球孔位置偏差程度及球鎖傾斜程度，鋼球徑向受力不均則解鎖摩擦力大小范圍為uF≤f≤2uF。問題連接器提高解鎖力至2倍后實現解鎖，與機理分析預測一致。

示例故障機理的連

接器測試過程中連接器本體與箭上插座端面間的按斷開關有頂死現象，因而造成連接器本體一側受到偏載作用，偏載力過大時使連接器球鎖與連接器本體連接后產生永久殘余變形，導致鋼球解鎖摩擦力增大、球鎖解鎖力增加，出現解鎖異常。

3 結束語

根據連接器球鎖機構鎖脫異常典型故障模式及機理分析，在產品測試及使用過程中對活塞螺母裝配緊固到位、活塞桿鎖緊運動到位后與活塞筒相對位置尺寸制定了量化控制措施，同時制定了活塞桿是否偏轉、按斷開關動作防頂死檢查措施，避免了典型故障模式發生，保證了產品使用可靠性，供相關球鎖結構類連接器及類似產品參考。