佘 陽 ,王斗輝 *,謝章用 ,陸家樂 ,李 勁 ,陳 歡

(1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州,5 113001;2.中國船舶集團有限公司第705 研究所,陜西 西安,710077)

0 引言

魚雷是在水中自主航行,搜索、追蹤和攻擊艦艇和來襲魚雷等目標的水中兵器,具有隱蔽性強、制導精度高、毀傷威力大等特點,是各國海軍的主戰(zhàn)兵器之一[1]。近年來,魚雷行業(yè)迅猛發(fā)展,已從最初水面艦艇管裝發(fā)射發(fā)展為潛艇管裝發(fā)射、水面艦艇管裝發(fā)射、水面艦艇助飛發(fā)射以及航空反潛作戰(zhàn)平臺空投使用,功能越來越復雜,集成度越來越高[2]。產品在實戰(zhàn)化環(huán)境下受到的內外環(huán)境因素眾多、失效模式多樣、故障機理復雜,通常經歷發(fā)射振動、入水沖擊、雷傘分離沖擊、實航工作(負載運動等)、實航水下環(huán)境等環(huán)境應力與工作應力的耦合作用,直接影響魚雷的可靠性、工作壽命乃至作戰(zhàn)效能。

明確環(huán)境應力與工作應力的耦合關系是解決產品壽命和可靠性分析的關鍵,一直以來備受關注。魚雷產品結構組成復雜,自身功能多,水下環(huán)境惡劣多變,使得環(huán)境應力與工作應力之間的耦合關系復雜,對魚雷產品性能與可靠性的影響程度各異,找出耦合效應下的失效模式與影響,是對產品可靠性分析與改進的重要支撐。魚雷領域對此已開展了初步研究:文獻[3]對碳纖維增強樹脂基復合材料在濕熱環(huán)境下進行壽命預測,當增加彎曲載荷的耦合作用時,彎曲載荷會大大縮減其使用壽命;文獻[4]研究表明在魚雷發(fā)射時,艦艇搖擺運動幅值較大會成為影響魚雷入水參數的主要原因;文獻[5]研究表明溫度與振動之間的耦合作用會加速焊點疲勞失效,隨著溫度的升高,焊點的塑性提高,導致焊點的失效模式從脆性斷裂向韌性斷裂演化。

目前,國內外對魚雷在環(huán)境應力與工作應力耦合效應下的失效模式及影響已進行了部分先導性研究,結果表明:魚雷在運輸、貯存、裝載/掛飛以及實航等工作過程中會經歷復雜的環(huán)境應力,各種應力對魚雷產品作用必然會發(fā)生一系列的“物理時效”變化,使其材料和結構的缺陷或薄弱部位受到更快的腐蝕或破壞,包括元器件、部件和裝備性能惡化和功能喪失等。但目前環(huán)境應力與工作應力耦合效應的研究存在應力考慮不全面的問題,缺乏系統性的總結。針對這一現狀,文章基于歷史數據分析和典型案例介紹,結合裝備結構,較為系統地總結了魚雷常用零部件在環(huán)境應力和工作應力耦合下的失效模式,包括彈簧、緊固件、焊接件、軸類零件、軸承、齒輪類、轉子葉片類、液壓系統類以及高分子材料類等,探索研究了失效模式對魚雷的影響,為魚雷的可靠性分析和改進提供理論支撐。

1 主要應力因素及影響

1.1 環(huán)境應力

魚雷在工作過程中主要受到的環(huán)境應力包括:發(fā)射(空投/發(fā)射箱)時的溫度、力學、大氣以及太陽輻射等;空中飛行階段的溫濕度、力學、大氣以及太陽輻射等;入水階段的溫度和力學等;水下航行時的溫度、力學以及海水環(huán)境等[6-8]。具體環(huán)境應力分析見表1。

表1 魚雷工作過程主要環(huán)境應力Table 1 Environmental stresses of torpedoes during working

1.2 工作應力

魚雷在工作過程中經歷的工作應力分析見表2。

表2 魚雷工作過程主要工作應力Table 2 Working stresses of torpedoes during working

1.3 內外應力因素耦合作用影響

魚雷在工作過程中,從發(fā)射出管,到空中飛行、水下航行等環(huán)節(jié),會同時承受環(huán)境應力和工作應力的耦合作用,環(huán)境應力作為外界應力對魚雷各零部件的材料特性產生一定影響,使零部件缺陷或薄弱部位進一步惡化,同時工作應力進一步加深缺陷和薄弱環(huán)節(jié)的裂紋、磨損和老化的擴展,最終導致失效或者故障[9-12]。

2 常用零部件環(huán)境應力與工作應力耦合效應

分別研究魚雷常用零部件包括彈簧、緊固件、焊接件、軸類零件、軸承類、齒輪類、轉子葉片類、液壓系統類以及高分子材料類等在環(huán)境應力和工作應力耦合下的失效模式及影響,

2.1 彈簧

魚雷中的彈簧按其材料特性劃分,可分為金屬類、非金屬類和陶瓷類,且形狀多樣。彈簧在外力作用下,其內部產生的應力通常包括彎曲應力和扭轉應力。

在腐蝕環(huán)境條件(高溫、高濕、氣蝕和酸性條件等)下,彈簧同時承受拉壓和扭轉的交互應力作用,使裂紋萌生和擴展加速,從而顯著降低彈簧的疲勞特性。

高溫會使彈簧材料膨脹,從而改變其自由高度和力學參數,如果彈簧同時經歷拉壓和扭轉工作載荷,其力學性能就會發(fā)生永久變化,承受能力逐漸降低,導致應力松馳或變形失效。同時,高溫會增加彈簧端面和板簧之間的摩擦系數,加速磨損。若再加上外界的振動,最終會發(fā)生微顫磨損故障。

低溫會使彈簧材料的彈性模量、硬度及強度增加,使其塑性和韌性下降,加之沖擊載荷作用往往會使彈簧材料發(fā)生脆性斷裂失效。

2.2 緊固件

緊固件在魚雷中應用廣泛、種類繁多,一般情況下緊固件會承受到拉壓、剪切應力等工作載荷。

在實際工作過程中,緊固件會承受振動作用、工作載荷的交變以及高溫條件,致使其材料發(fā)生蠕變,造成摩擦力減小,螺紋副中正壓力在某一瞬間消失,直至摩擦力為零,從而使螺紋連接失效。

如果魚雷緊固件處在高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境條件下,將會使緊固件危險部位以及有缺陷的部位惡化,如果此時又有振動及交變的工作載荷作用,將會加劇裂紋擴展最終導致腐蝕疲勞失效。同時,鋼質緊固件會因生銹降低強度,在工作應力作用下產生斷裂或材料剝落;非金屬材質的緊固件會發(fā)生老化斷裂。

2.3 焊接件

焊接件分布在魚雷殼體、管路和容器等的零部件上,一般承受拉壓、扭轉等交變工作應力。

根據外場統計發(fā)現,在寒冷大風的環(huán)境中,焊接件很容易發(fā)生脆性斷裂。這是由于材料焊接處的塑性變形能力不足以承受由于交變工作應力引起的應變量,同時焊接處有較大應力集中,容易產生裂紋,在振動的作用下裂紋會繼續(xù)擴展直至發(fā)生脆性斷裂失效。

高溫條件下,汽輪機或燃氣輪的葉輪和葉片等運動部件的焊接件經受交變應力作用,會產生循環(huán)塑性應變。隨著循環(huán)加載的繼續(xù),裂紋在這些關鍵區(qū)域的薄弱點上成核,開始出現微裂紋。微裂紋在塑性區(qū)中擴展,并逐步增長為可檢的宏觀或工程裂紋。最后裂紋穿過塑性區(qū)繼續(xù)擴展,直至斷裂。

溫度沖擊作用下,焊接部位會產生熱脹或冷縮,從而形成強大的內應力,伴隨著工作應力和振動將會進一步加速裂紋擴展。

在鹽霧環(huán)境條件下,魚雷零部件焊接部位應力集中處以及有缺陷的部位會發(fā)生化學或電化學反應,產生腐蝕裂紋,其在交變應力作用以及振動條件下會進一步快速擴展,裂紋根部又進一步腐蝕,致使材料強度降低,當材料強度小于工作載荷和振動共同作用產生的應力時,會發(fā)生失效。

2.4 軸類

軸類零件是魚雷中不可或缺的零部件之一,主要承受彎曲和扭轉應力。

魚雷中某些軸運轉速度較高,在啟動和運轉過程中常常激發(fā)出有害振動,軸運轉產生的振動會加速其動靜部分的磨損和產生偏磨,因為振動使軸與軸瓦接觸處產生較大壓力,摩擦力增大,致使摩損加劇。在高溫、高濕或鹽霧條件下,軸類零件的表面粗糙度增加,引起應力集中,在工作應力作用下萌生疲勞裂紋,在長時間的交變載荷和腐蝕環(huán)境下會導致腐蝕疲勞失效。

同時,在工作過程中,砂粒、灰塵或其他碎片等外來硬質點會與魚雷旋轉零部件表面接觸,按照切削機制使軸件表面產生磨削痕跡,使軸件的尺寸減小或形狀改變,進而導致失效。

2.5 軸承

軸承用來支撐轉動軸或其他旋轉零件,引導旋轉運動并承受傳遞給支架的載荷,在魚雷中應用最為廣泛。

軸承在運轉過程中,其滾動體和內外圈等會承受很高的周期性載荷,若軸承承受較大內外振動激勵,會加速萌生疲勞裂紋,裂紋進一步擴展會最終導致軸承零部件工作面發(fā)生疲勞剝落。

在高溫或溫度沖擊條件下,軸承內的潤滑劑黏度也將發(fā)生急劇變化,降低潤滑劑的潤滑特性,同時會對零部件所用材料的金屬組織和硬度產生較大影響,在高速重載下將會加劇軸承各零部件之間的磨損。高溫條件還會使?jié)櫥瑒┝魇?增加銹蝕風險。

2.6 齒輪類

齒輪是魚雷傳遞功率和運動的重要部件,一般在有潤滑的條件下工作,其承受的主要工作載荷有扭矩以及齒面的嚙合力等。

在相同條件下,潤滑劑黏度越高越有利于油膜的建立。油膜黏度越高,齒輪接觸部分的應力就越均勻,越能有效減緩沖擊載荷,并相對降低最大接觸應力。但是隨著環(huán)境溫度的升高,潤滑油的黏度逐漸降低,導致齒面嚙合時的摩擦力增大,同時產生高溫,如此惡性循環(huán)可能導致齒面因溫度過高而燒傷,從而產生麻點剝落或膠合損傷。

魚雷在工作過程中會產生自激振動并承受外界振動激勵,特別是在某一過度轉速上,會導致產生較大振動應力。同時與交變的工作應力疊加,使齒輪危險截面產生細小裂紋,隨著魚雷工作循環(huán)的不斷增加,裂紋會不斷擴展最終導致疲勞斷裂。

魚雷齒輪在工作時其潤滑劑中可能存在污染物或雜質,會與齒輪材料發(fā)生化學或電化學反應,導致齒面產生銹蝕或裂紋,引起應力集中,成為裂紋萌生源。一旦形成裂紋,則裂紋會在腐蝕環(huán)境下迅速擴展,使齒輪發(fā)生破壞。

齒輪嚙合面間如果存在硬質顆粒,嚙合面相互滑動會使硬質顆粒壓入并滑移形成磨溝,如此反復,會造成較大接觸面材料流失,形成磨損。

2.7 轉子葉片類

魚雷的航向傳感器葉輪和電動機等均包含轉子葉片類零件。轉子葉片在高速旋轉狀態(tài)下工作,承受機械離心力及其彎矩、氣動力及其彎矩、熱應力以及振動應力等工作應力。

轉子葉片在工作過程中,在溫度交變和應力交變的雙重作用下會出現塑性變形,即蠕變損傷。

轉子葉片在工作過程中,如果承受較大的振動激勵或者在轉動過程中產生顫振或扭轉共振等,同時疊加工作轉動產生的離心力和彎曲應力,將會在葉片危險截面附近產生細小裂紋,并逐漸擴展直至斷裂。

在腐蝕環(huán)境條件下,轉子葉片表面粗糙度會因化學或電化學反應而增加,引起應力集中,在工作應力作用下萌生疲勞裂紋,在長時間的交變載荷和腐蝕環(huán)境下將會導致腐蝕疲勞失效。葉片在高速運轉過程中,如果有砂塵作用在葉片上,葉片與砂塵相互撞擊將會導致葉片表面材料剝落、凹坑等缺陷,致使缺陷處應力集中。在高速運轉過程中承受較高工作應力,將會促使缺陷惡化擴展。

2.8 液壓系統

某些魚雷的舵機靠液壓驅動,液壓系統是極為重要的輔助能源系統,主要包括:供壓部分(液壓泵)、執(zhí)行部分(作動筒、液壓馬達)和控制部分(用于控制系統中的油液流量、壓力和執(zhí)行元件,即各種控制閥類)。液壓系統主要承受運動、旋轉和拉壓等應力作用。

高溫條件會導致液壓油溫度升高、黏度降低、泄漏增加;同時隨著液壓油的黏度降低,滑閥等移動部件的油膜逐漸變薄直至被切破,摩擦阻力增大,導致磨損加劇。同時,高溫也會加速油液氧化變質,并析出瀝青物質,降低液壓油的使用壽命。析出物還會堵塞阻尼小孔和縫隙式閥口,導致壓力閥卡死等情況發(fā)生。

液壓系統油液污染物分為固體、液體和氣體3 種形式。固體顆粒主要由剝落物,膠質,金屬粉末,空氣中的粉塵、砂子、研磨粉、沉積物和纖維等組成;液體污染物主要指水分、清洗液及其他種類的油液;氣體污染物則主要指空氣。受固體污染物污染的液壓油進入液壓系統運動部件配合間隙中,會劃傷配合表面,破壞其精度和粗糙度,使油液泄漏增加,油溫升高;受液體污染物污染的液壓油會加速油品老化,使得油品乳化、潤滑等性能明顯變化,造成液壓系統故障;液壓系統中若混入空氣,在低壓區(qū)時空氣會從油中逸出并形成氣泡,當其運動到高壓區(qū)時,這些氣泡將被高壓油擊碎,受到急劇壓縮而釋放出大量熱量,引起油溫升高。

液壓系統承受的振動激勵主要包括外界環(huán)境激勵和自身旋轉設備產生的自激振動。液壓系統在工作過程中,若外界或自身有較大的振動激勵,將會使運動部件撞擊支撐座,增大運動摩擦力,降低運動穩(wěn)定性,加劇磨損泄漏。振動還會使液壓系統零部件的危險截面附近萌生裂紋,加之液壓系統高壓形成的應力,會加速裂紋擴展直至斷裂,造成液壓油泄漏。

2.9 高分子材料類

魚雷使用的各類密封膠圈、橡膠軟管、絕緣墊等均屬于高分子材料零部件,這些高分子材料主要包括航空橡膠板、ABS 樹脂、聚甲醛、聚氨酯、碳纖維/酚醛、尼龍和環(huán)氧酚醛等。

在高溫環(huán)境條件下,高分子材料極易發(fā)生軟化、膨脹、硬化及龜裂。同時在工作應力的作用下,其將產生永久變形,加劇磨損,使其失去固有特性。

化學侵蝕會使彈性體的體積發(fā)生很大變化:彈性體膨脹會造成擠壓破壞、密封面變形或同軸度誤差;彈性體收縮會使密封圈失去過盈配合的作用。密封圈發(fā)生腐蝕還會造成泄漏和密封圈材質改性及斷裂現象,同時在工作應力作用下會加速密封圈的磨損和斷裂。

在振動環(huán)境條件下,高分子材料零部件由于普遍較軟,很容易造成擠壓變形,使其固定預緊力減小,直至松脫。振動環(huán)境還會加大高分子材料零部件之間的正壓力,增大摩擦力,最終加速其磨損,且磨損不均勻。

3 實例分析

通過統計分析以上9 類零部件的失效歷史數據,得出零部件的主要失效模式包括松脫斷裂、磨損磨蝕、密封失效、腐蝕銹蝕、機械變形和卡滯堵塞等。其中故障率較高的是松脫斷裂、密封失效、腐蝕銹蝕和機械變形4 類失效模式。以下主要針對這4 類失效模式,結合耦合作用下的失效特點,給出具體實例分析。

3.1 松脫斷裂失效模式

圖1 是某產品在多次試驗后殼體內部的裂紋圖。沿殼體斷口附近切片,并利用木錘沿原斷口附近敲擊打斷,觀察斷面形貌,發(fā)現裂紋具有斷面平整、組織細膩致密、無疏松縮裂、表面晶粒粗大以及毛糙分叉的表征,但裂紋斷面中存在絲綢紋的氧化膜夾雜,而裂紋起始處也在氧化夾雜集中處,說明殼體裂紋產生原因主要是長期工作應力和高溫環(huán)境應力引起的疲勞失效。

圖1 鑄造鋁合金殼體貯存失效裂紋Fig.1 Storage failure crack of cast aluminum alloy shell

該類失效模式下環(huán)境應力和工作應力的耦合作用特點主要表現為:由于使用頻繁,產品經歷了多次非周期性振動,尤其是在離開發(fā)射平臺前,會產生嚴重的加速度過載,這種振動沖擊載荷比其他環(huán)境因素對產品的影響嚴重得多,在振動環(huán)境應力和工作應力的耦合作用下容易對產品產生疲勞累積損傷。

3.2 密封失效模式

在魚雷結構密封材料中常用的硅橡膠6144 產品,具有高彈性、透氣性差、密度小等優(yōu)點。但其在使用過程中也存在密封圈老化,閥密封線缺口,密封部件壓痕過深等現象,導致密封失效的問題。

該類失效模式下環(huán)境應力和工作應力的耦合作用特點主要表現為:魚雷中的O 型密封圈或密封墊在高溫環(huán)境應力和工作應力耦合作用下,隨著溫度的增加,電子、原子和分子運動速度加快,激發(fā)了熱力效應,促使橡膠產品在高溫下產生裂紋、斷裂和膨脹等,導致了產品提前失效。

3.3 腐蝕銹蝕失效模式

圖2 是某產品在包裝箱密封包裝下未發(fā)生腐蝕,但在技術陣地期間,在包裝密封失效情況下,出現的螺釘電偶腐蝕。在殼體的套接或對接結構中,不同殼體的材料可能不同,不同材料的接觸會造成電偶腐蝕。

圖2 螺釘電偶腐蝕Fig.2 Corrosion of screw electric couple

該類失效模式下環(huán)境應力和工作應力的耦合作用特點主要表現為:產品擱置在沿海地區(qū),在電化學反應引起的腐蝕和鹽沉積耦合作用下,應力腐蝕的破壞作用不斷加劇,導致金屬腐蝕和油漆起泡;同時,鹽在水中電離后形成酸堿溶液,游離的酸或堿與金屬發(fā)生化學反應,電解過程和化學反應可同時發(fā)生。

3.4 機械變形失效模式

圖3 是某產品芯片外殼沿固有機械損傷處的開裂。由于產品外殼焊接時存在焊接缺陷,使得毛坯產生很大的內應力,這種內應力往往相互平衡,但在振動、高溫等環(huán)境應力和工作應力耦合作用下,會加速焊接結構的疲勞損傷,造成零件開裂、變形甚至破壞。

圖3 芯片外殼變形開裂Fig.3 Deformation and cracks of the chip shell

4 結束語

文中結合魚雷環(huán)境應力與工作應力耦合效應下失效模式及影響的研究現狀,系統總結了魚雷9 種常用零部件在環(huán)境應力和工作應力耦合下的失效模式,并對故障率較高的4 類失效模式對魚雷的影響進行了實例分析,其故障原因主要是隨著環(huán)境應力的增加,激發(fā)了產品的熱力效應、電磁效應等,促使產品提前失效,可為魚雷的可靠性分析、改進以及后續(xù)維護保養(yǎng)提供參考依據。

文中未考慮海水壓力、海水腐蝕、海水生物、海流、海況等海水環(huán)境應力和工作應力的耦合效應,下一步可對海水環(huán)境應力和工作應力的耦合效應開展研究。