星箭锁紧装置黏滞摩擦系数的影响因素研究.pdf
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1、第8卷 第2期2 0 2 4年3月宇航总体技术A s t r o n a u t i c a lS y s t e m sE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g yV o l.8N o.2M a r.2 0 2 4收稿日期:2 0 2 3-0 9-2 5 修订日期:2 0 2 4-0 2-0 1基金项目:火箭创新基金自主研发项目(Z H 2 0 2 2 0 1 1)作者简介:李寅博(1 9 9 8),男,博士研究生,主要研究方向为金属的摩擦与润滑。通信作者简介:解国新(1 9 8 2),男,教授,博士生导师,主要研究方向为固体润滑。星箭锁紧装置黏滞摩擦系数
2、的影响因素研究李寅博1,曹景乐2,陈友伟2,解国新1(1.清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室,北京1 0 0 0 8 4;2.北京宇航系统工程研究所,北京1 0 0 0 7 6)摘 要:星箭锁紧装置是卫星与火箭连接的关键机构。装置中的V形卡块在预紧力施加过程中,易发生偏斜,使得星箭分离配合面接触不均匀,产生应力集中,导致星箭分离面黏着磨损。研究了星箭锁紧装置中的V形卡块和上下端框的铝合金摩擦副在不同影响因素下摩擦系数的变化,探究了温度、正压力以及铝合金表面粗糙度对界面黏着和黏滞摩擦系数的影响。研究结果表明,硫酸阳极化处理的2 A 1 4 T 6-2 A 1 4 T 6比较适合作为摩擦
3、副材料,在加工和锁紧过程中,应合理控制其粗糙度、温度和正压力,以避免黏着磨损。关键词:2 A 1 4 T 6铝合金;2 2 1 9铝合金;界面黏着;星箭分离 中图分类号:V 4 2 1.7文献标志码:A文章编号:2 0 9 6-4 0 8 0(2 0 2 4)0 2-0 0 6 6-0 7S t u d yo nt h e I n f l u e n c i n gF a c t o r so f t h eV i s c o u sF r i c t i o nC o e f f i c i e n t i nt h eS a t e l l i t ea n dR o c k e tL o
4、 c k i n gD e v i c eL IY i n b o1,C AOJ i n g l e2,CHE NY o u w e i2,X I EG u o x i n1(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fT r i b o l o g y i nA d v a n c e dE q u i p m e n t,T s i n g h u aU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 0 8 4,C h i n a;2.B e i j i n gI n s t i t u t eo fA s t r o n a u
5、 t i c a lS y s t e m sE n g i n e e r i n g,B e i j i n g1 0 0 0 7 6,C h i n a)A b s t r a c t:T h es a t e l l i t e a n dr o c k e t l o c k i n gd e v i c e i s t h ek e ym e c h a n i s mu s e d f o r t h e c o n n e c t i n ga n dl o c k i n gs a t e l l i t e s a n d r o c k e t s.T h eV-s h
6、a p e dc l a m pb l o c k i n t h ed e v i c e i sp r o n e t od e f l e c t i o nd u r i n gt h e a p p l i c a t i o no f p r e l o a d f o r c e,w h i c hm a k e s t h e c o n t a c t o f t h e s a t e l l i t e a n d r o c k e t s e p a r a t i o nm a t-i n gs u r f a c eu n e v e na n dp r o d
7、u c e ss t r e s sc o n c e n t r a t i o n,l e a d i n gt ot h ea d h e s i v ew e a ro f t h es a t e l l i t ea n dr o c k e t s e p a r a t i o ns u r f a c e.I n t h i sp a p e r,t h e c h a n g e s o f t h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n t o f t h e a l u m i n u ma l l o yf r i c t i o n
8、v i c eo f t h eV-s h a p e db l o c ka n dt h eu p p e ra n dl o w e re n df r a m e so ft h es a t e l l i t ea n dr o c k e t l o c k i n gd e v i c eu n d e rd i f f e r e n t i n f l u e n c i n gf a c t o r sa r e i n v e s t i g a t e d,a n dt h e i n f l u e n c e so f t h et e m p e r a t u
9、 r e,p o s i t i v ep r e s s u r e,a n d t h e r o u g h n e s so f t h ea l u m i n u ma l l o ys u r f a c eo nt h e i n t e r f a c i a la d h e s i o na n dv i s c o u s f r i c t i o nc o e f f i c i e n t s a r e e x p l o r e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t s u l f u r i c a c i da n o
10、d i z e d2 A 1 4 T 6-2 A 1 4 T 6i sm o r es u i t a b l ea st h ef r i c t i o np a i rm a t e r i a l s,a n dr o u g h n e s s,t e m p e r a t u r ea n dp o s i t i v ep r e s s u r es h o u l db er e a s o n a b l yc o n t r o l l e dd u r i n gp r o c e s s i n ga n dl o c k i n gt oa v o i da d
11、h e s i v ew e a r.K e yw o r d s:2 A 1 4 T 6a l u m i n u ma l l o y;2 2 1 9a l u m i n u ma l l o y;I n t e r f a c ea d h e s i o n;S e p a r a t i o no f s a t-e l l i t ea n dr o c k e t 第2期星箭锁紧装置黏滞摩擦系数的影响因素研究0 引言星箭锁紧装置是卫星与火箭连接、锁紧和分离的关键机构。包带锁紧装置为航天领域主要采用的星箭锁紧装置,其结构包括螺栓、金属带、上端框、下端框和V形卡块等(见图1)。包带
12、锁紧装置通过两条包带,采用两个爆炸螺栓连接成一个整环,包带内侧装有V形卡块,V形卡块卡住卫星支架上框和卫星下框,在施加预紧力后,V形卡块将卫星与火箭紧紧连接在一起,实现连接功能。待火箭将卫星送入预定轨道,包带实施解锁,卫星与火箭完成分离1,最终完成卫星发射任务。据NA S A统计,1 4.3%的发射故障与星箭分离有关2-6。图1 包带连接结构示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eb e l t c o n n e c t i o ns t r u c t u r e杨晓燕等7对特定工况下运动机构摩擦副失效现象开展了深入研究,认为黏着
13、磨损的影响因素有材料特性、接触压力、滑动速率、表面粗糙度、温度和润滑状态等。刘家濬等8对凸轮摩擦副黏着磨损失效过程及原因进行深入分析,认为摩擦温度对磨损表面特征的影响较为重要。唐乾刚等9根据星箭连接处受力情况及锁紧装置的特点,分析星箭连接处发生松动的可能性,并提出解决包带应力不均匀的方法。秦朝烨等1 0对包带卡滞行为进行了研究,建立包带卡滞行为的闭合模型1 1。杜晓东等1 2认为锁紧正压力和摩擦系数的改变,会引起系统应变能和摩擦损耗能发生改变,从而影响分离性能。在预紧力施加过程中,包带锁紧装置中的V形卡块易发生偏斜,使得星箭分离配合面接触不均匀,产生应力集中,导致星箭分离面发生一定的黏着磨损现
14、象,降低包带锁紧装置的解锁能力,从而引发V形卡块卡滞等重大事故发生。目前在星箭分离过程中,包带锁紧装置星箭分离面发生黏着磨损现象的演变规律及其降低包带锁紧装置解锁能力的作用机制等问题尚不清楚,黏着磨损的发生及其主要影响因素和作用机制会随着实际工况的不同而变化,对于包带锁紧装置星箭分离面黏着磨损现象的产生机理需结合星箭分离的实际工况。选取2 A 1 4 T 6和2 2 1 9两种铝合金材料,分别组成2 A 1 4 T 6-2 A 1 4 T 6和2 2 1 9-2 2 1 9两种摩擦副,研究不同表面粗糙度、温度以及正压强对界面黏着和黏滞摩擦系数的影响。1 试验方案1.1 试样设备及原理为了最大程
15、度模拟星箭分离面的微动磨损和界面黏着的实际情况,选择在S R V摩擦磨损试验机上进行,试验采用面与面接触的摩擦接触方式。摩擦试样和摩擦副接触示意图如图2所示,其中上试样的摩擦面为整个圆环面,下试样为厚度7.8 8mm的圆块,并非整个圆形表面接触参与摩擦,仅中间部分与上试样圆环部分接触。图2 面面式接触试验示意图F i g.2 S c h e m a t i cd i a g r a mo f s u r f a c e-s u r f a c ec o n t a c t t e s t1.2 试验对象试验摩擦副组合如表1所示。摩擦副试样的尺寸如图3所示。表1 试验摩擦副T a b.1 T e
16、 s t f r i c t i o np a i r s组合上试样下试样表面处理A2 A 1 4 T 62 A 1 4 T 6未处理B2 A 1 4 T 62 A 1 4 T 6硫酸阳极化C2 2 1 92 2 1 9磷酸阳极化1.3 试验过程试验采用单一变量的方法,分别研究不同试验条件下(表1)的摩擦系数。试验得到不同组合76 宇航总体技术2 0 2 4年3月图3 摩擦副试样尺寸示意图F i g.3 S c h e m a t i cd i a g r a mo f f r i c t i o np a i r s s i z e下(测试参数见表2)的摩擦系数曲线,对摩擦系数曲线进行处理,
17、得到不同条件下的摩擦系数。每种摩擦副组合均有3组试验件。表2 不同测试参数组合T a b.2 D i f f e r e n t t e s t i n gp a r a m e t e r s试样组合温度/粗糙度正压强/MP aB2 5R a0.4/0.8/1.6/3.2/6.41.0B2 5/5 0/7 5/1 0 0/1 2 5R a0.22.0B2 5R a0.20.2/0.5/1.0/1.5/2.0A2 5R a0.20.2/0.5/1.0/1.5/2.0C2 5R a0.20.2/0.5/1.0/1.5/2.02 试样结果分析2.1 粗糙度对摩擦系数的影响正压强和温度参数确定(正压
18、强1.0M P a、温度2 5)的情况下,改变粗糙度参数,得到摩擦系数曲线。经过硫酸阳极化处理的2 A 1 4 T 6-2 A 1 4 T 6摩擦副在不同粗糙度下的试验结果如图4所示。从5组摩擦副的摩擦曲线可以看出,摩擦系数随着摩擦副粗糙度的增大逐渐升高,粗糙度为R a0.4和R a0.8摩擦副的摩擦系数在0.50.6之间波动。粗糙度为R a1.6摩擦副的摩擦系数在0.60.7之间波动。粗糙度为R a3.2摩擦副的摩擦系数在0.60.8之间波动,波动幅度更剧烈,表明摩擦副表面的黏着磨损和氧化随着粗糙度的升高进一步加剧。粗糙度为R a6.4摩擦副的摩擦系数图4 摩擦系数随时间的变化曲线F i g
19、.4 C u r v e so f f r i c t i o nc o e f f i c i e n tw i t ht i m e在0.71.1之间波动,波动范围最大,其中在大约20 0 0s和25 0 0s出现了摩擦系数从1.1到0.7的断崖式下降,原因是黏着磨损使摩擦副材料发生黏连和分离,表明在此粗糙度下粗糙峰相互摩擦转移,极易发生界面黏着难以分离的情况。图4试验数据得到5组不同粗糙度试验件的摩擦系数,分别计算不同摩擦副组合3组试验件的平均值及其 标 准 差,绘 制 经 过 硫 酸 阳 极 化 处 理 的2 A 1 4 T 6-2 A 1 4 T 6试验件的摩擦系数随粗糙度变化折线图
20、,如图5所示。图5 摩擦副的摩擦系数随粗糙度变化曲线F i g.5 C u r v e so f f r i c t i o nc o e f f i c i e n tw i t hr o u g h n e s s从图5可 以 看 出,前3种 粗 糙 度(R a0.4,0.8,1.6)的摩擦副组合摩擦系数标准差均较小,表示同一摩擦副3组试验件试验结果的重复性较好且数据的波动较小。粗糙度为R a3.2和R a6.4的摩擦副组合摩擦系数的标准差相比前3种粗糙度的摩擦副摩擦系数的标准差较大。随着粗糙度的增86 第2期星箭锁紧装置黏滞摩擦系数的影响因素研究大,材料表面的粗糙峰在相互碰撞过程中造成摩
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