朱延飛，魏立新

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所， 鄭州 450015)

轉(zhuǎn)管武器以其射速高、火力密度大、可靠性高等特點(diǎn)為世界各國所關(guān)注，但高發(fā)射率的特性使其系統(tǒng)受力非常復(fù)雜。轉(zhuǎn)管自動機(jī)作為核心部件，機(jī)構(gòu)動作復(fù)雜，零部件的運(yùn)動多屬非線性高階運(yùn)動，其故障模式多樣，故障分析和定位比較困難。

故障樹分析主要用于系統(tǒng)的可靠性、安全性分析和風(fēng)險評價[1]。隨著結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，常規(guī)的故障分析法已不能很好地求解結(jié)構(gòu)的故障問題，尤其是結(jié)構(gòu)具有明顯非線性特征時[2]。用試驗加仿真分析的方法解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的故障原因分析問題，已成為一個有效的手段和重要的發(fā)展趨勢。

本文以某轉(zhuǎn)管自動機(jī)閉鎖機(jī)構(gòu)為研究對象，運(yùn)用故障樹加仿真分析的方法，對炮閂機(jī)頭閉鎖面出現(xiàn)微裂紋及磨損進(jìn)行了深入分析，建立了原因分析故障樹及故障原因動力學(xué)模型，通過仿真分析確定了該故障的主要因素，并提出了故障解決措施，試驗結(jié)果表明故障得到了有效解決。試驗與仿真相結(jié)合的故障分析方法是故障原因分析行之有效的方法之一，對工程中故障分析及設(shè)計具有一定的參考價值。

1 閉鎖機(jī)構(gòu)組成及原理

某轉(zhuǎn)管自動機(jī)的閉鎖機(jī)構(gòu)主要由炮閂、星形體、曲線槽、炮尾等組成，其三維模型如圖1所示。炮閂的用途是將炮彈依次送入藥室，并閉鎖藥室，進(jìn)行發(fā)射和退殼[3]。

星形體做圓周運(yùn)動帶動炮閂轉(zhuǎn)動，炮閂滾輪在曲線槽內(nèi)滾動的作用下使炮閂沿星形體軸向運(yùn)動，當(dāng)閂體上的閉鎖觸發(fā)面與閉鎖器觸發(fā)面接觸后，閂體沿自身軸線回轉(zhuǎn)，同時，閂體上的閉鎖面與炮尾上的閉鎖面的相互貼合，保證了炮膛密閉。

圖1 閉鎖機(jī)構(gòu)三維模型

2 閉鎖機(jī)構(gòu)故障現(xiàn)象及原因分析

某轉(zhuǎn)管武器在射擊試驗過程中自動機(jī)工作正常，但在射擊完成后維護(hù)保養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)部分炮閂機(jī)頭閉鎖機(jī)構(gòu)局部出現(xiàn)微小裂紋及一定磨損?？紤]火炮射擊的安全性，停止射擊試驗，對問題進(jìn)行故障歸零。

閉鎖機(jī)構(gòu)是完成自動機(jī)的閉鎖、實(shí)現(xiàn)自動機(jī)在運(yùn)動中內(nèi)膛剛性結(jié)合動作的重要機(jī)構(gòu)，因此，要求閉鎖確實(shí)可靠[4]、零件不能有裂紋，不能提前開鎖等。對應(yīng)轉(zhuǎn)管武器而言，典型故障表現(xiàn)為：a.閉鎖塊回轉(zhuǎn)不到位，閉鎖時有回彈；b.機(jī)頭閉鎖面強(qiáng)度不夠，零件產(chǎn)生裂紋。

本故障現(xiàn)象主要為炮閂機(jī)頭閉鎖面產(chǎn)生微小裂紋及磨損。

通過對閉鎖機(jī)構(gòu)零件產(chǎn)生微小裂紋及磨損故障進(jìn)行分析，造成該現(xiàn)象的可能原因有兩方面:一是過載[5]，閉鎖面上有非正常阻力，使其內(nèi)部應(yīng)力大于強(qiáng)度極限后出現(xiàn)裂紋；二是疲勞[6]，射擊過程中，閂體閉鎖面在交變載荷作用下產(chǎn)生裂紋及磨損。根據(jù)故障樹分析法[7-8]，建立其故障樹如圖2所示。

圖2 原因分析故障樹

1) 異常過載

外界原因造成炮閂機(jī)頭閉鎖面突然受力增大，造成其內(nèi)部應(yīng)力大于強(qiáng)度極限后出現(xiàn)裂紋及變形。閂體在炮箱內(nèi)沿曲線槽及星形體進(jìn)行運(yùn)動，其異常過載為自動機(jī)運(yùn)動過程的過載。

自動機(jī)在射擊完成后可手動正常轉(zhuǎn)動，說明自動機(jī)在故障出現(xiàn)后無卡滯。一般卡滯后，卡滯部位的零部件或彈藥將會有明顯的壓痕或損傷[6]，但檢查自動機(jī)其它零部件和射擊后的藥筒均未見損傷或卡滯痕跡。因此可排除自動機(jī)卡滯的因素。

2) 零件硬度偏高

對出現(xiàn)裂紋零件進(jìn)行理化分析，結(jié)果顯示：尺寸符合圖紙要求，硬度略超出圖紙上限1.2HRC，金相組織、材質(zhì)化驗無異常，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，裂紋分析結(jié)論為交變載荷作用下發(fā)生低周疲勞失效。

熱處理實(shí)測硬度值超出了圖紙規(guī)定的上限，理論上會降低韌性，是產(chǎn)生脆裂的不利因素，會影響到疲勞壽命。

3 閉鎖機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真分析

根據(jù)自動機(jī)分解測繪后的實(shí)測數(shù)據(jù)，對自動機(jī)運(yùn)動零部件進(jìn)行三維模型的數(shù)據(jù)更新，將三維模型導(dǎo)入ADAMS并添加運(yùn)動約束及載荷，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析[9-10]，如圖3所示。

圖3 閉鎖機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真

1) 炮閂機(jī)頭閉鎖運(yùn)動學(xué)分析

以機(jī)頭為研究對象，分別仿真計算射速為2 500 r/min及6 000 r/min情況下機(jī)頭閉鎖角度的變化。由圖4、圖5和圖6可知，炮閂機(jī)頭最終閉鎖角度為39.2-40°，能夠滿足要求，但無論是低射頻還是高射頻，機(jī)頭回轉(zhuǎn)閉鎖時均有微小的反跳，并隨射速的提高反跳加大。炮閂機(jī)頭閉鎖角度發(fā)生振蕩原因是機(jī)頭閉鎖塊與炮尾閉鎖塊有撞擊，加上炮閂機(jī)頭閉鎖面與機(jī)頭限位凸起有一定間隙所致。

圖4 射速2 500 r/min炮閂機(jī)頭閉鎖角隨時間變化曲線

圖5 射速2 500 r/min炮閂機(jī)頭閉鎖角速度隨時間的變化曲線

圖6 射速6 000 r/min炮閂機(jī)頭閉鎖角隨炮箱轉(zhuǎn)角的變化曲線

2) 炮閂機(jī)頭閉鎖動力學(xué)分析

以機(jī)頭閉鎖碰撞為研究對象，分別仿真計算射速為2 500 r/min及6 000 r/min情況下機(jī)頭閉鎖時閉鎖面撞擊力的變化。

由圖7和圖8可知： 射速2 500 r/min閉鎖時，機(jī)頭和閉鎖塊瞬間最大作用力約44 600～47 000 N；射速6 000 r/min閉鎖時，機(jī)頭和閉鎖塊瞬間作用力可達(dá)75 000 N。

圖7 射速2 500 r/min閉鎖碰撞力隨炮箱轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖8 射速6 000 r/min閉鎖碰撞力隨炮箱轉(zhuǎn)角的變化曲線

在低射速時，炮閂機(jī)頭與閉鎖塊的最大撞擊力接近零件的應(yīng)力強(qiáng)度極限；在高射速情況下，最大撞擊力所產(chǎn)生的應(yīng)力值超過了零件所能承受的最大應(yīng)力極限，極易發(fā)生材料塑性變形。

因此，在高射速情況下，炮閂機(jī)頭閉鎖面與閉鎖塊的最大撞擊力過大是炮閂機(jī)頭發(fā)生裂紋及磨損的主要因素。

炮閂機(jī)頭隨炮閂一起在星形體、炮閂滾輪與炮箱曲線槽的共同作用下作空間近似橢圓運(yùn)動，機(jī)頭閉鎖面撞擊力的大小主要受炮閂滾輪與曲線槽配合運(yùn)動的影響，其曲線槽的形狀、滾輪的大小以及滾輪與曲線槽的配合等因素都會對最終閉鎖撞擊力的大小產(chǎn)生一定影響，因此，需要對滾輪及曲線槽等做進(jìn)一步的動力學(xué)計算，本文限于篇幅有限不做詳細(xì)分析。

4 結(jié)論

1) 通過對炮閂機(jī)頭閉鎖面產(chǎn)生微小裂紋及磨損故障的主要原因分析、排查，可以確定，炮閂機(jī)頭硬度值超差及閉鎖撞擊力過大是炮閂機(jī)頭發(fā)生裂紋及磨損的主要原因。

2) 根據(jù)圖紙要求，重新加工炮閂機(jī)頭，保證其熱處理硬度值在圖紙技術(shù)要求范圍內(nèi)，并減小機(jī)頭閉鎖面與閉鎖器面的配合間隙，嚴(yán)格控制其尺寸公差。自動機(jī)更換新炮閂機(jī)頭后重新進(jìn)行射擊試驗，經(jīng)過約1 000發(fā)彈射擊后，未發(fā)現(xiàn)有裂紋及嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，在隨后試驗中也未出現(xiàn)此故障，故障得以解決。

3) 故障樹加仿真分析的方法能夠比較清晰地反映故障成因，系統(tǒng)故障的關(guān)系以及各種可能故障的傳遞途徑，已成為故障診斷、技術(shù)改進(jìn)的有效手段。