胡慧斌，侯小鋒，曹立軍，馬吉勝

(1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.石家莊陸軍指揮學(xué)院，河北 石家莊 050084；3.西安軍代局，陜西 西安 710043)

擊發(fā)裝置關(guān)重件磨損特性分析及失效壽命預(yù)測

胡慧斌1,2，侯小鋒3，曹立軍1，馬吉勝1

(1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.石家莊陸軍指揮學(xué)院，河北 石家莊 050084；3.西安軍代局，陜西 西安 710043)

復(fù)撥器撥動子和撥動子軸是炮閂擊發(fā)裝置的關(guān)鍵零部件。復(fù)撥器撥動子支臂和撥動子軸支臂作用處磨損是導(dǎo)致不能開閂故障的常見原因。為了實(shí)現(xiàn)及時有效的預(yù)防性維修，采用其材料PCrNiMo鋼制作銷試樣和盤試樣，在MMS-1G型銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究高速、高載、干滑動摩擦條件下的摩擦磨損特性與表面磨損機(jī)制，擬合得到磨損失效規(guī)律。在Pro/E和ADAMS環(huán)境下建立炮閂虛擬樣機(jī)，基于動力學(xué)仿真獲取復(fù)撥器撥動子支臂和撥動子軸支臂在自動開閂時的載荷譜，通過零部件外廓的離散化和外廓重構(gòu)，預(yù)測其磨損失效壽命，為實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維修提供決策依據(jù)。

復(fù)撥器撥動子支臂；撥動子軸支臂；摩擦磨損試驗(yàn)；磨損失效；虛擬樣機(jī)

1 問題的提出

擊發(fā)裝置(圖1)是火炮完成射擊任務(wù)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，用于打擊底火。復(fù)撥器撥動子與撥動子軸是擊發(fā)裝置中的關(guān)鍵部件。由于開關(guān)閂過程時間短、速度快、載荷大，復(fù)撥器撥動子支臂與撥動子軸支臂作用處很容易磨損。當(dāng)復(fù)撥器撥動子支臂與撥動子軸支臂作用處磨損后，閂體下降過程中就不能使撥動子回轉(zhuǎn)到位，撥動子駐栓被撥動子卡住不能向左移動，同時卡住閂體無法下降，從而造成不能開閂的故障。擊發(fā)裝置完全封裝在閂體和炮尾內(nèi)，磨損失效過程難以直接觀察，甚至故障檢測和排除過程都費(fèi)時費(fèi)力，嚴(yán)重影響火炮射擊任務(wù)的順利完成。

對于炮閂擊發(fā)裝置來講，在復(fù)撥器撥動子支臂與撥動子軸支臂達(dá)到磨損失效壽命之前，如果能夠提前預(yù)知故障的發(fā)生時間、更換即將失效的零部件，可以顯著提高裝備的任務(wù)成功性[1-2]。筆者以復(fù)撥器撥動子支臂與撥動子軸支臂的材料PCrNiMo鋼制作銷試樣和盤試樣，在MMS-1G型銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，模擬擊發(fā)裝置在高速干滑動摩擦條件下的磨損過程，研究其摩擦磨損特性和表面磨損機(jī)制，并擬合得到磨損失效規(guī)律。在Pro/E和ADAMS環(huán)境下建立擊發(fā)裝置虛擬樣機(jī)，測定復(fù)撥器撥動子支臂與撥動子軸支臂在開關(guān)閂過程中的載荷譜，代入材料磨損規(guī)律，基于零部件外廓離散化和外廓重構(gòu)技術(shù)，預(yù)測其磨損失效壽命。

2 摩擦磨損試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用的MMS-1G型銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，其轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000 r/min，最大摩擦線速度為100 m/s，可以實(shí)現(xiàn)自動加載、自動卸載、無級變速、溫度及轉(zhuǎn)速的數(shù)字化顯示。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前銷試樣用安裝在摩擦盤上的240#砂紙在低速(10 m/s)、低載(0.13 MPa)條件下預(yù)磨30-60 s，卸下砂紙后再在原轉(zhuǎn)速的條件下與摩擦盤預(yù)磨60 s，以銷試樣與摩擦盤接觸良好且受力比較均勻?yàn)闇?zhǔn)。同時，每次試驗(yàn)前、后，銷試樣必須經(jīng)過酒精清洗并烘干。試驗(yàn)時間為60 s，分別在每種試驗(yàn)規(guī)范條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取6個數(shù)據(jù)的平均值。

選用磨損率和摩擦因數(shù)兩個特征參數(shù)描述 PCrNiMo鋼的摩擦磨損特性。磨損率采用質(zhì)量磨損率進(jìn)行表示，其物理意義為單位摩擦功的磨損量[3]。試驗(yàn)前、后，采用感量為0.1 mg的分析天平秤量銷試樣，質(zhì)量差為銷試樣的磨損量，磨損率按單位時間的磨損量進(jìn)行計算：

(1)

式中：ΔW為磨損質(zhì)量損失；R為平均摩擦半徑；t為摩擦?xí)r間；n為盤試樣轉(zhuǎn)速；P為施加在銷試樣上的法向壓力；μ為摩擦因數(shù)。

試驗(yàn)過程中的摩擦力矩是通過摩擦試驗(yàn)機(jī)上的壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入到計算機(jī)中。摩擦因數(shù)采用下式進(jìn)行計算[4]：

(2)

式中：M為摩擦力矩；L為銷試樣的中心矩。

2.3 摩擦磨損特性分析及磨損規(guī)律

圖3為PCrNiMo鋼銷試樣的磨損率隨載荷及速度的變化規(guī)律曲線。圖3(a)說明磨損對滑動速度非常敏感：當(dāng)速度為1.33 m/s和2.18 m/s，且載荷小于0.71 MPa時，磨損率隨速度和載荷的變化不大；而當(dāng)載荷超過0.71 MPa時，速度為2.18 m/s時，磨損率急劇上升；當(dāng)速度為3.34 m/s和5.44 m/s時，隨著載荷的增加，磨損率增幅也變大，與速度為2.18 m/s時的變化規(guī)律基本相同。從圖3(b)可以看出：在4種不同的載荷下，隨著速度的增加，磨損率不斷增大，變化規(guī)律基本相似，但載荷為1.25 MPa時的增大幅度更大。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是：磨損過程實(shí)質(zhì)上是一種摩擦表面吸收能量的過程，磨損量的大小與表面吸收能量的多少具有直接的聯(lián)系。隨著速度、載荷的增大，銷試樣摩擦表面吸收到的能量增多，其表面溫度上升得很高，導(dǎo)致摩擦表面材料性能急劇弱化，材料發(fā)生了塑性流動，并產(chǎn)生了大量黏著磨損，因此磨損率急劇上升。這種情況也說明，PCrNiMo鋼在服役過程中，對在高速、高載情況下材料性能的變化需要格外給予關(guān)注，以免因?yàn)槟p失效而造成機(jī)構(gòu)功能的喪失。

圖4(a)為不同滑動速度條件下PCrNiMo鋼銷試樣和盤試樣之間的摩擦因數(shù)隨載荷的變化規(guī)律。在不同的速度條件下，摩擦因數(shù)的變化趨勢基本相同，即隨著載荷的增加而減小，但在載荷大于0.7 MPa后摩擦因數(shù)變化不明顯。這是因?yàn)殡S著載荷的增大，由于摩擦熱的作用，接觸表面材料軟化，發(fā)生了塑性流動，導(dǎo)致出現(xiàn)摩擦因數(shù)逐漸降低的現(xiàn)象。圖4(b)為PCrNiMo鋼銷試樣和盤試樣之間的摩擦因數(shù)隨滑動速度的變化規(guī)律。由圖4可見，一般情況下，摩擦因數(shù)在低速(1 m/s以下)時變化不太明顯，但隨著滑動速度的升高，摩擦因數(shù)逐漸降低。這是由于隨著速度的增加，摩擦副接觸表面間大量的摩擦熱導(dǎo)致表面升溫以及表面材料軟化，使得材料微接觸點(diǎn)處的剪切阻力減小，因而導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低。

研究表明，鋼鐵摩擦副的磨損率W與摩擦速度v和載荷p之間的關(guān)系滿足以下方程[5]：

W=kvαPβ

(3)

式中：k、α、β為待定系數(shù)。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，剔除異常數(shù)據(jù)，代入變換后的式(3)做回歸處理，可得PCrNiMo鋼干滑動條件下的磨損率計算模型：

W=0.005 6v1.642P0.822

(4)

采用F檢驗(yàn)法對上述回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，計算結(jié)果表明：統(tǒng)計量F=17.48，查表得知F0.001=12.35，F(xiàn)>F0.001。所以，所建立的磨損率計算模型在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi)與試驗(yàn)值擬合得較好。

3 虛擬樣機(jī)仿真

復(fù)撥器撥動子支臂和撥動子軸支臂是通過不規(guī)則的外廓表面來傳遞力和運(yùn)動，屬于高速干滑動條件下的摩擦磨損。如果采用傳統(tǒng)的動力學(xué)方法分析和研究擊發(fā)裝置工作過程中的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，工作量大，且十分困難。借助于三維建模軟件Pro/E和機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS建立虛擬樣機(jī)[1]，可以形象、直觀地進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，并通過校核驗(yàn)證虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性[2]，從而節(jié)省大量的推導(dǎo)和計算工作，更加真實(shí)地獲取復(fù)撥器撥動子支臂和撥動子軸支臂在各種工況下的載荷譜。

建立的自動開閂虛擬樣機(jī)如圖5所示?；谧詣娱_閂虛擬樣機(jī)，以初始表面輪廓(未磨損時)獲取自動開關(guān)閂過程中撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂之間的碰撞力和相對運(yùn)動速度的變化規(guī)律，如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，自動開閂時，在撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂互相接觸和脫離的兩個時刻，二者之間的碰撞力很大，表明此時兩個支臂都受到了很大的沖擊，特別是剛接觸的瞬間。從圖6(b)可以看出，撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂在二者的不規(guī)則面剛開始接觸的過程中，相對運(yùn)動速度逐漸增大，且由于不規(guī)則表面之間的碰撞作用，相對運(yùn)動速度曲線變化不均勻。之后，由于撥動子軸支臂在向后轉(zhuǎn)動的過程中，撥回?fù)翎?，壓縮擊針簧，轉(zhuǎn)動的阻力逐漸增大，使得與復(fù)撥器撥動子軸支臂之間的相對運(yùn)動速度呈明顯的線性規(guī)律遞減。直至二者脫離接觸后，相對滑動速度急劇增大。

4 磨損失效壽命預(yù)測

磨損失效壽命預(yù)測的基本流程如圖7所示。

基于Pro/E和ADAMS建立炮閂虛擬樣機(jī)，通過虛擬樣機(jī)基于零部件的初始輪廓獲取載荷譜(力和速度)，將摩擦磨損試驗(yàn)得到的磨損規(guī)律嵌入虛擬樣機(jī)，計算單次開關(guān)閂后零部件的磨損量，并通過外廓重構(gòu)將磨損量反映到零部件的外部輪廓上，繼續(xù)基于虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真，求得新的碰撞力和相對滑動速度，再利用磨損規(guī)律計算下一次開關(guān)閂過程中零部件的磨損量，直至零部件外廓不能傳遞運(yùn)動或傳遞運(yùn)動不確實(shí)為止，此時的磨損量即為磨損閾值，對應(yīng)的開關(guān)閂次數(shù)即為零部件的磨損失效壽命[6]。

外廓重構(gòu)的關(guān)鍵是磨損零部件外廓的離散化表示，在ADAMS中用零部件的外廓曲線代替零部件實(shí)體定義碰撞，并在已獲取碰撞力、相對滑動速度和磨損規(guī)律的基礎(chǔ)上求取各離散點(diǎn)的磨損深度。磨損零部件外廓的離散化是預(yù)測磨損壽命的基礎(chǔ)，可以在Pro/E環(huán)境下借助Mechanism/Pro菜單來完成。以初始輪廓為基礎(chǔ)，單次磨損后撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂的外廓變化如圖8所示(單次磨損量放大5 000倍后零部件的外廓變化)。

從圖8(a)可以看出，撥動子軸支臂磨損的主要部位是它與復(fù)撥器撥動子支臂接觸和脫離的兩個突變過程(圖6)。而復(fù)撥器撥動子支臂的磨損部位是其凸起部。這與撥動子軸支臂和復(fù)撥器撥動子支臂之間的相對運(yùn)動過程相符合：復(fù)撥器撥動子支臂轉(zhuǎn)動，迫使撥動子軸支臂轉(zhuǎn)動，復(fù)撥器撥動子支臂的凸起部滑過撥動子軸支臂的凸起部，在接觸和脫離兩個突變過程中，碰撞力最大，相對運(yùn)動速度也比較大，且變化劇烈，導(dǎo)致對應(yīng)的兩個相對運(yùn)動部位磨損量較大。按照圖7所示的流程，可以計算出撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂在自動開閂時的磨損失效壽命為23 300次。同理，可以依次計算出手動開閂和復(fù)撥時撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂的磨損失效壽命。

5 結(jié)論

復(fù)撥器撥動子支臂和撥動子軸支臂是通過不規(guī)則的外部輪廓傳遞力和運(yùn)動，它們之間的摩擦磨損而導(dǎo)致傳動動作失效是不能開閂的常見故障原因。由于復(fù)撥器撥動子支臂和撥動子軸支臂安裝在閂體和炮尾內(nèi)，測試性和維修性較差，預(yù)測其磨損失效壽命以實(shí)現(xiàn)及時有效的預(yù)防性維修就顯得極為重要。筆者通過在銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究PCrNiMo鋼的摩擦磨損特性，提取磨損失效規(guī)律；通過虛擬樣機(jī)仿真，獲取載荷譜，預(yù)測復(fù)撥器撥動子支臂和撥動子軸支臂的磨損失效壽命。

炮閂零部件的失效壽命與操作使用、維修保養(yǎng)和服役條件等其他因素密切相關(guān)，要進(jìn)一步準(zhǔn)確預(yù)測零部件的壽命，需要綜合考慮各種影響因素。

References)

[1]曹立軍，秦俊奇．炮閂系統(tǒng)故障仿真預(yù)測系統(tǒng)研究[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2002(2)：50-54. CAO Lijun, QIN Junqi. Research of fault simulation and prediction system for breech mechanism [J]. Journal of Gun Launch & Control, 2002(2): 50-54. (in Chinese)

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WearingCharacteristicsAnalysisandFailureLifeForecastofKeyComponentsinGunFiringMechanism

HU Huibin1,2, HOU Xiaofeng3, CAO Lijun1, MA Jisheng1

(1.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, Hebei, China;2.Shijiazhuang Army Command College，Shijiazhuang 050084, Hebei, China;3.Military Representative Bureau in Xi’an of General Equipment Department, Xi’an 710043, Shaanxi, China )

The recocking latch and the cocking cam shaft are the key components of gun breechblock firing mechanism. Wearing between the recocking latch bearing arm and the cocking cam shaft bearing arm is the usual failure reason that is difficult or impossible to open the breechblock. To timely and effectively realize the preventive maintenance, a new kind of wear failure life forecast method was put forward based on friction-wear test and virtual prototype. Their material PCrNiMo steel was used to fabricate pin samples and disk samples. The friction-wear tests were carried out based on MMS-1G pin-on-disk tester to deeply study the friction-wear characteristics, and explore the surface wear mechanism and fit the wear failure rules under conditions of high-speed, heavy load and dry-sliding friction. Virtual prototype of gun firing device was established in environment of Pro/E and ADAMS to simulate the load spectrums of the recocking latch bearing arm and the cocking cam shaft bearing arm during the process of automatic breechblock opening and closing. Their wear failure lives were forecasted based on outline discretization and reconstruction, the results can provide the sufficient decision basis for preventive maintenance.

recocking latch bearing arm; cocking cam shaft bearing arm; friction-wear test; wearing failure; virtual prototype

2014-04-18；

2014-09-03

總裝軍內(nèi)科研項(xiàng)目(裝字[2012]655號)

胡慧斌(1980-)，女，博士研究生，主要從事武器系統(tǒng)動力學(xué)仿真、故障與壽命預(yù)測技術(shù)研究。E-mail：huhuibin_bin@163.com

TJ3

A

1673-6524(2014)04-0062-05