發(fā)射裝置鎖制器開鎖力力值穩(wěn)定性分析

曹燎原，董志航，謝軍虎，占學紅

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

鎖制器是導軌發(fā)射裝置中約束導彈航向運動和導彈發(fā)射時安全釋放導彈的機械裝置。在導彈的掛飛、起飛和著陸過程中，鎖制器能夠可靠約束導彈的縱向運動并防止導彈的意外脫落;當導彈發(fā)射時，導彈發(fā)動機推力達到開鎖力時鎖制器能夠可靠開鎖并安全釋放導彈。鎖制器開鎖力大小是保證導彈發(fā)射安全分離的重要指標，在鎖制器的生產(chǎn)過程中需要準確檢查和嚴格控制。但是，在實際的工程應用中，發(fā)現(xiàn)鎖制器的開鎖力大小很難準確測定，即便是同一臺發(fā)射裝置，用同一臺測力計進行開鎖力測試，也會出現(xiàn)開鎖力力值不穩(wěn)定的現(xiàn)象，有時偏差甚至達到20%。文中通過分析鎖制器的工作原理，找出影響開鎖力力值測量不穩(wěn)定的關鍵因素，為鎖制器的生產(chǎn)、使用和測量提供指導方法，同時為鎖制器的改進和改型提供論證方法。

1 鎖制器工作原理介紹

圖1 鎖制器擋件作用位置示意圖

通常導彈通過三吊掛懸掛在發(fā)射裝置導軌內部，導軌對導彈實現(xiàn)法向(Y向)和展向(Z向)約束，航向的前后約束則通過鎖制器實現(xiàn)，如圖1所示。鎖制器安裝在導軌發(fā)射裝置內部，擋件部分伸出導軌腹板，擋件分為前擋和后擋兩部分，分別約束導彈滑塊的前向和后向運動。前擋部分通常提供兩級鎖制能力，一級為高的牽制力(簡稱鎖制力)，用于防止導彈在著陸、著艦時意外脫落;二級鎖制力即為文中描述的開鎖力，一般情況下開鎖力遠小于一級鎖制力，開鎖力由導彈的控制系統(tǒng)、離軌速度等因素決定，通常為導彈的2倍過載左右。導彈點火發(fā)射后，能夠保證導彈順利離開軌式發(fā)射裝置。

鎖制器在結構形式上多種多樣，但是目前國內外應用較多的是杠桿鎖制器，如圖2所示，該型鎖制器為美國LAU-7發(fā)射裝置采用的結構形式，其開鎖力范圍約135～365kgf。正常懸掛狀態(tài)下，導彈前吊掛(序號1)處于擋件(序號2)的前后擋之間，限制了導彈吊掛的前后移動。當擋件受到向前或向后的推力時，該擋件整體可以圍繞轉軸(序號5)轉動，由于受到機械保險(圖中未示出)和彈簧力的作用，限制了擋件的轉動，從而限制了導彈的前后移動，此時導彈吊掛處于一級鎖制狀態(tài)。當需要發(fā)射導彈時，鎖制器會首先解除機械保險對擋件的轉動約束，只有板簧組(序號4)的彈簧力限制擋件的轉動，此時導彈吊掛處于二級鎖制狀態(tài)。當施加在導彈吊掛上的向前的推力大于等于彈簧及摩擦的阻力時，擋件前擋就會繞軸轉動并向上抬起，從而解除對導彈吊掛的約束，導彈順利離開鎖制器。圖3為LAU-7發(fā)射裝置鎖制器的力學分析模型。

圖2 鎖制器工作原理示意圖

根據(jù)圖3的力學模型，可以得出如下的鎖制器開鎖力計算公式:

圖3 鎖制器力學分析模型

式中:F為鎖制器開鎖力(N);N為彈簧力(N);b為彈簧力作用時的阻力臂(mm);c為導彈開鎖時的動力臂(mm);d為導彈吊掛與擋件前擋間摩擦力作用時的阻力臂(mm);μ為導彈吊掛與擋件間的摩擦系數(shù)。

通常會根據(jù)鎖制器的安裝空間比較選擇3個力臂b、c、d和彈簧力的大小，而把擋件與吊掛間的摩擦系數(shù)μ作為常量來設計開鎖力的大小。一般按照傳統(tǒng)的工程設計手冊將鋼對鋼無潤滑靜摩擦時取μ=0.15，動摩擦時取 μ =0.1。稱作當量摩擦角，將k代入式(1)，則開鎖力的另一表達式:

結構上為了減小彈簧的安裝空間，同時為便于彈簧的加工和制造，通常會選擇彈簧的作用力臂b大于吊掛的作用力臂c，這樣可以選擇較低的彈簧力來產(chǎn)生較大的開鎖力。同時，由于摩擦力Fμ的存在，適當增加摩擦力的作用力臂d，當k值接近于摩擦系數(shù)μ時，開鎖力升高的更快，彈簧力可以設計的更小。但是，當k=μ時，開鎖力將趨向無窮大，此時機構將發(fā)生自鎖，鎖制器便不能正常開鎖。因此，出于發(fā)射安全考慮，k值不能取得太小，通常要大于摩擦系數(shù)3倍以上。

2 開鎖力測量原理及所面臨問題

鎖制器開鎖力的測量通過專用測力裝置(簡稱“測力計”)進行。一般情況下，測力計通過導彈模擬吊掛卡入鎖制器擋件的前后擋之間，用于模擬導彈吊掛正常的掛裝狀態(tài)，模擬吊掛與導彈吊掛的結構尺寸、材料、表面狀態(tài)和接觸狀態(tài)均相同，以求能夠真實模擬導彈前吊掛的開鎖過程。測力計加載機構由杠桿機構和平行四邊形桿組成，測力時，加力裝置推動模擬吊掛向前運動，模擬導彈吊掛的開鎖過程，開鎖后，測力計能夠記錄下開鎖過程中開鎖力的峰值，該峰值力即為開鎖力。

然而在工程實際當中，卻經(jīng)常出現(xiàn)鎖制器開鎖力力值不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要的表現(xiàn)為:

a)在結構尺寸、材料和熱處理工藝均不變的情況下，同一批次的測力計測量同一臺發(fā)射裝置的開鎖力，得到的測力結果相差較大;

b)用同一臺測力計測量同一臺發(fā)射裝置，每一次測量的結果也不一致，尤其是前三次測量結果相差較大;

c)用同一臺測力計測量同一臺發(fā)射裝置，不同時間測量結果也不相同。

為此需要詳細分析造成上述測力值不一致的原因。

3 開鎖力力值的影響因素

通過分析式(1)可以看出，鎖制器開鎖力的大小與彈簧力N、彈簧力作用力臂b、導彈吊掛開鎖時的動力臂c、摩擦力阻力臂d和摩擦系數(shù)μ有關。式(3)為開鎖力公差計算公式。

由式(3)可以看出，開鎖力公差與分母項(c－μ·d)關系最大，當該項趨近于0時，此時μ=c/d，則公差將趨于無窮大，即機構將發(fā)生自鎖現(xiàn)象，造成鎖制器不能開鎖。

由式(3)還可以看出，若使c/d遠大于μ時，則可以減小尺寸因素和摩擦系數(shù)因素對開鎖力變化的影響。

通常在工程實際中，結構的尺寸已經(jīng)確定不能改變。尺寸的公差和裝配公差一般在0.1mm以下，這樣按照平均尺度為50mm計算，其開鎖力誤差應在0.2%以內。而對于單一制成品，考慮到結構受力后尺寸會向同一方向積累，因此同一臺產(chǎn)品的多次測量理論上測量結果將更加一致，即誤差會更小。對于彈性元件，由于工作在其彈性范圍內，因此對于同一彈性元件，其剛性系數(shù)可視為常數(shù)。

按照上述分析，一旦鎖制器裝配完成后，結構尺寸和彈性元件的剛性系數(shù)就隨之確定，開鎖力大小也就隨之固定。而實際情況是，同一批產(chǎn)品的測量結果分布很大，甚至同一臺產(chǎn)品的多次測量也會出現(xiàn)結果較為分散的現(xiàn)象。因此可以判定在鎖制器的開鎖過程中，摩擦系數(shù)是影響開鎖力大小的關鍵因素。

4 摩擦系數(shù)的概念及影響因素

4.1 對摩擦的傳統(tǒng)概念

一般對摩擦系數(shù)的傳統(tǒng)認知是基于以下4個經(jīng)典摩擦定律:

定律一:摩擦力與載荷成正比。其數(shù)學表達式為:

式中:F表示摩擦力，μ為摩擦系數(shù)，N為正壓力。該定律通常稱為庫侖定律，它是摩擦系數(shù)的原始定義。該定律簡單的把摩擦力定義為與正壓力成正比關系。但是，在重載荷情況下，該定律并不能保證正確。通常發(fā)射裝置鎖制器上前擋件摩擦面上的接觸壓力約為 30～60MPa。

定律二:摩擦系數(shù)與表面接觸面積無關。

該定律僅對具有屈服極限的材料滿足，不適用于彈性和粘彈性材料。

定律三:靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)。

該定律不適用于粘彈性材料。

定律四:摩擦系數(shù)與滑動速度無關。

嚴格地講，該定律不適用于任何材料，對于金屬材料，只是基本符合。對于粘彈性顯著的材料，摩擦系數(shù)明顯與滑動速度有關。雖然以上經(jīng)典摩擦定律并不完全正確，但是經(jīng)典的摩擦理論在一定程度上反映了滑動摩擦的機理。

4.2 摩擦系數(shù)的現(xiàn)代認識

摩擦系數(shù)是摩擦副系統(tǒng)的綜合特性，受到滑動過程中各種因素的影響，例如:材料副匹配性質、靜止接觸時間、法向載荷大小、加載速度、摩擦副的剛性和彈性、滑動速度、摩擦表面接觸幾何特性和表面物理性質，以及環(huán)境介質的化學作用等。這就使得摩擦系數(shù)隨工況條件變化很大，因此準確預定摩擦系數(shù)的大小是十分困難的。

4.3 靜止接觸時間對靜摩擦系數(shù)的影響

通過觀察，靜摩擦系數(shù)受靜止時間長短的影響，隨著接觸時間的增加將使靜摩擦系數(shù)增大，對于塑性材料這一影響更為顯著。這一現(xiàn)象的解釋是，摩擦表面在法向載荷的作用下，粗糙峰彼此相互嵌入，產(chǎn)生很高的接觸應力和塑性變形，隨著靜止接觸時間的延長，使得實際的接觸面積和塑性變形程度增加，所以靜摩擦系數(shù)增加。

4.4 摩擦系數(shù)的其他影響因素

4.4.1 載荷情況的影響

載荷是通過改變接觸面大小和表面變形狀態(tài)來影響摩擦力的。按照通常的加工方法，接觸表面微觀上是十分粗糙的，摩擦總是發(fā)生在一部分接觸點上。接觸點的數(shù)目和各接觸點尺寸將隨著載荷的增加而增加，由最初的接觸點尺寸的增加逐漸過渡到接觸點數(shù)目的增加。一般情況下，金屬表面處于彈塑性狀態(tài)，由于實際接觸面積與載荷成非線性關系，使得摩擦系數(shù)隨載荷增加而降低。同時摩擦系數(shù)將隨加載速度而改變，當加載速度很小時，加載速度的影響更為顯著。表1說明摩擦系數(shù)隨加速度的增加而增加。

表1 加速度對摩擦系數(shù)的影響

從表1可以看出，干摩擦狀態(tài)下，摩擦系數(shù)隨加速度的增加而增大，且較為明顯;而有潤滑情況下，這種增加變得不是很明顯。

4.4.2 表面膜的影響

金屬表面上的原子通常處于不平衡狀態(tài)，易與周圍介質作用形成表面膜。摩擦過程中，由于溫度變化和表面變形會促進表面膜的形成。表面膜的存在能夠降低摩擦系數(shù)，其減阻作用類似于潤滑膜，降低了接觸表面間的分子作用力。通?？梢栽诮饘俦砻嬲J為形成表面膜來降低摩擦系數(shù)，例如在金屬表面鍍上鎘、銦、鉛金屬或者硫化物、磷化物、氯化物等表面膜。表面膜的厚度對摩擦系數(shù)有很大影響。但是表面膜的缺陷是在使用過程中容易受到磨損，表面膜破壞后，摩擦系數(shù)將急劇增加，因此該方法實際應用較為困難。

5 摩擦系數(shù)的控制方法

通過選擇潤滑劑和摩擦副材料來減小或增大摩擦系數(shù)，雖然在技術上取得了一些進展，但是摩擦系數(shù)依賴于載荷、速度、溫度等因素，無法精確的預測摩擦系數(shù)隨運行工況和運動時間的變化，因此準確調整摩擦系數(shù)十分困難。已知的摩擦系數(shù)控制方法還處于理論探索階段，在工程實際中應用還不成熟。

目前比較有效的摩擦系數(shù)控制方法還是采用摩擦副潤滑。一個典型的例子是美國雷蒙德工程研究所對螺紋預緊力的測量試驗，結果發(fā)現(xiàn)采用二硫化鉬潤滑脂潤滑的螺紋所得的預緊力相對于不采用潤滑的螺紋預緊力準確，并推薦為獲得準確的螺紋預緊力應在螺紋上涂覆有效的潤滑劑。

6 解決措施

針對鎖制器的工作環(huán)境要求，結合工程實際，要滿足鎖制器開鎖力測量穩(wěn)定性要求，比較可行的方案有兩個:一是采用潤滑劑的方法，穩(wěn)定摩擦系數(shù);二是消除摩擦力在使用和測量中的作用。

6.1 采用潤滑劑的方法

根據(jù)上述分析，借鑒螺紋預緊力的控制方法，建議在鎖制器的前擋件部位噴涂潤滑劑，可以有效地穩(wěn)定開鎖力的測量結果。通過試驗，在某型號鎖制器前擋件部位噴涂二硫化鉬后進行開鎖力測量，測得的開鎖力值穩(wěn)定在274～278kgf，誤差范圍在1.4%以內，且多次測量的結果重復性很好。

6.2 消除摩擦力的作用

圖4 摩擦力力臂為零的鎖制器結構示意圖

在傳統(tǒng)的旋轉杠桿式鎖制器工作原理中，為了減小彈簧的彈力，通常使摩擦力作為阻力參與開鎖力的控制。為了消除摩擦力的影響，可以通過將摩擦力力臂設計成零的方法，即使摩擦力通過鎖制器擋件轉動中心的方法來消除摩擦力的影響，如圖4所示。

按照圖4的結構原理，其開鎖力計算公式將由式(1)變?yōu)槭?5)，因摩擦力的力臂為零，相應的摩擦力矩也為零，從而在理論上徹底消除了摩擦系數(shù)變化對鎖制器開鎖力變化的影響。

按照圖4原理設計的鎖制器已經(jīng)在工程中得到了初步應用。經(jīng)過多次實測，測得的開鎖力力值穩(wěn)定在382kgf左右，測力計的最小精度已經(jīng)不能區(qū)分每次的測量誤差，測量結果十分穩(wěn)定。

7 結論

綜上所述，對于鎖制器開鎖力的設計和測量可以得出如下結論:

a)基于杠桿摩擦原理設計的鎖制器很難準確控制其開鎖力大小;

b)采用杠桿摩擦原理設計的鎖制器，開鎖力動力力臂與摩擦力力臂的比值盡可能大于摩擦系數(shù)，且越大越好;

c)摩擦系數(shù)并不是一成不變的，而是隨著接觸面狀態(tài)的改變而急劇變化，極端情況下，摩擦系數(shù)可能接近于1;

d)通過采用適當?shù)臐櫥椒?，降低接觸面的摩擦系數(shù)，能夠有效減小開鎖力力值的分散性;

e)采用摩擦力力臂為零的設計方法能夠避免摩擦系數(shù)變化對開鎖力力值不穩(wěn)定的影響。

[1]紹箭，朱承斌.飛機設計手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社，1996.

[2]溫詩鑄，黃平.摩擦學原理[M].北京:清華大學出版社，2008.

[3]劉麗蘭，劉宏昭，吳子英，等.基于模態(tài)耦合的摩擦自激振蕩系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[J].振動工程學報，2009，22(4):363－370.

[4]卜炎.螺紋連結設計與計算[M].北京:高等教育出版社，1995.

[5]田成達，唐鼎，李大永，等.一種摩擦系數(shù)的測量方法及其在數(shù)值模擬中的應用[J].塑性工程學報，2008，15(5):53－56.

[6]聞邦椿.機械設計手冊:第1卷[M].5版.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[7]曹燎原.軌式發(fā)射裝置發(fā)射分離安全影響因素研究[D].上海:上海交通大學，2012.