某導(dǎo)彈氣動(dòng)跟蹤力矩器卡死問題探討

黃國(guó)炳+商宏鐘+韓登峰+李偉

1.1 故障現(xiàn)象

某型導(dǎo)彈測(cè)試過程中，出現(xiàn)多例不跟蹤故障， 經(jīng)分解檢查，發(fā)現(xiàn)均為力矩器下端球與襯套卡死。 進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，下端球工作直徑上附著有較多 多余物，經(jīng)電鏡分析發(fā)現(xiàn)，其成份與襯套成份相 同。同時(shí)，襯套工作表面有比較多的劃痕（如圖3 所示），這些劃痕與下端球上的固體附著物緊緊咬 合（如圖4所示），造成卡死。

1.2 原因分析

故障樹分析方法（FTA）是通過對(duì)可能造成產(chǎn) 品故障的硬件、軟件、環(huán)境和人為因素進(jìn)行分析， 從而確定產(chǎn)品故障原因的各種可能組合方式或發(fā) 生概率的一種分析技術(shù)。

本文采用故障樹下行分析法，對(duì)力矩器卡死 故障的各種因素進(jìn)行分析，該故障樹如圖5所示。

由圖5可知，可能造成力矩器卡死的底事件共 10個(gè)。通過調(diào)查分析，可以明顯排除8個(gè)因素，即 產(chǎn)品軟件故障、設(shè)備軟件故障、人為操作失誤、零件清洗不良、環(huán)境不潔凈、下端球脫落物、零件加 工超差、零件裝調(diào)超差。

由于襯套和下端球間隙非常小，根據(jù)尺寸鏈 計(jì)算，其直徑方向間隙為0.00675～0.01529mm， 在不斷高速摩擦運(yùn)動(dòng)的情況下，這樣的間隙極易 受到多余物困擾，甚至微米級(jí)顆粒物的進(jìn)入也會(huì) 造成致命影響。經(jīng)過調(diào)查分析，產(chǎn)品裝配環(huán)境潔凈 度良好，零件清洗良好，排除了這兩個(gè)因素引入多 余物的可能。下面針對(duì)“氣路多余物”、“襯套脫落 物”兩種因素（圖5中標(biāo)★部分）進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1.2.1 氣路多余物分析

由于微米級(jí)的多余物可導(dǎo)致卡死，所以對(duì)氣 路中多余物的研究必須細(xì)化到微米級(jí)以下。工藝 上要求系統(tǒng)工作前對(duì)氣路進(jìn)行10min的吹洗，吹 洗后氣體多余物含量必須準(zhǔn)確測(cè)試。

由于目前對(duì)高壓、大流量氣體顆粒物的檢測(cè) 沒有專用設(shè)備，選用了用于超凈廠房顆粒物檢測(cè) 的粒子記數(shù)儀，這種設(shè)備只能用于低壓低速流動(dòng) 的氣流顆粒物檢測(cè)。雖然圖1中的氣體為高壓高 速，但電磁閥為常閉兩位三通電磁閥，下端球與襯 套之間的間隙起到節(jié)流塞的作用，氣流經(jīng)過該位 置后，截面積急劇增大，壓力迅速減小，因此在實(shí) 際工作狀態(tài)，經(jīng)過襯套排氣口的壓力很低，且流量 不大，可以用該設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品排氣顆粒度的測(cè)試。

為了保證收集到全部排出氣體，同時(shí)避免外 界氣體的影響，自行設(shè)計(jì)了一種氣路衰減器用于 測(cè)試氣流的收集，如圖6。該氣路衰減器利用氣體 的伯努利原理，由兩個(gè)漏斗反接的方式構(gòu)成，一端 接被測(cè)高壓氣路輸出口，高壓氣經(jīng)過漏斗尖端減 壓30倍左右后流入另一漏斗，精密測(cè)試探頭在這 一漏斗中進(jìn)行檢測(cè)。該設(shè)計(jì)既有效保護(hù)了測(cè)試探 頭免受高壓氣損壞，又在被測(cè)氣體輸入與輸出端 形成了相對(duì)密閉空間，避免了外界空氣中雜質(zhì)的 影響，有效保證了測(cè)量精度。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)過力矩器的氣體只含 有少量0.3～0.5μm的顆粒，相對(duì)于襯套與下端 球6～15μm的間隙，這些顆粒不會(huì)造成卡死故 障。因此，“氣路多余物”這一因素可以排除。

1.2.2 襯套脫落物分析

通過對(duì)卡死的力矩器分解檢查，發(fā)現(xiàn)下端球 上附著有較多的金屬物質(zhì)（見圖4），經(jīng)成份分析， 該附著物與襯套成份相同。觀察襯套內(nèi)表面，發(fā)現(xiàn) 在工作區(qū)域有明顯傷痕（見圖3）。這表明在工作過 程中，確有物質(zhì)從襯套上脫落，這些脫落物可能是 導(dǎo)致卡死的原因。

為了弄清脫落物來源，使用電鏡手段對(duì)襯套 工作表面放大1000倍對(duì)比分析。圖7為卡死襯套 非工作表面電鏡圖片，圖8為卡死襯套工作表面電 鏡圖片。經(jīng)成份分析，圖7中黑色點(diǎn)狀、線狀物為 材料內(nèi)部硫化物夾雜。圖8中的孔洞或凹陷為這些硫化物脫落后遺留痕跡。

通過對(duì)比圖7和圖8發(fā)現(xiàn)，襯套材料中的硫化 物在工作過程中產(chǎn)生了明顯脫落現(xiàn)象。

2 故障機(jī)理及故障復(fù)現(xiàn)

根據(jù)以上分析，可能引起力矩器卡死的10個(gè) 底事件，9個(gè)已經(jīng)得到排除，只有“襯套脫落物”這 一因素不能排除。

為了進(jìn)一步判斷卡死與襯套脫落物的關(guān)系， 對(duì)不卡死的襯套進(jìn)行分解檢查，同樣做電鏡分析， 圖9為電鏡照片。由圖9可以看出，其工作表面比 較致密，未出現(xiàn)孔洞、凹陷等缺陷，說明未產(chǎn)生圖 8所示的硫化物脫落現(xiàn)象。

襯套材料中的硫化物主要作用是減小摩擦力。 因?yàn)榱蚧锸怯蚕啵w是軟相，當(dāng)兩個(gè)摩擦副接 觸時(shí)，軟相受力變形，硬相硫化物支點(diǎn)起支撐作 用。硫化物是一種鹽，屬于離子鍵結(jié)合，對(duì)外來材 料的親和力較金屬鐵小，金屬鐵原子屬于金屬鍵 結(jié)合，金屬鍵的結(jié)合力較離子鍵弱，金屬原子對(duì)外 來材料的分子親和力較大，宏觀上看也就是硫化 物的摩擦系數(shù)較金屬小。同時(shí)硬相硫化物支點(diǎn)使 兩個(gè)摩擦副接觸面積減小，從而摩擦力也變小。

由此可以判斷力矩器卡死的機(jī)理為：由于襯 套工作面硫化物脫落使摩擦系數(shù)變大，導(dǎo)致摩擦 熱量增大，襯套摩擦處局部溫度升高幅度增大，導(dǎo) 致摩擦系數(shù)再增大，形成惡性循環(huán)，同時(shí)溫度升高 導(dǎo)致材料強(qiáng)度急劇降低。隨著工作時(shí)間的增加，摩 擦接觸點(diǎn)表面溫度升高至一定值后，急劇降低的 材料剪切強(qiáng)度與不斷升高的摩擦力有一個(gè)交匯點(diǎn)， 當(dāng)摩擦力大于材料剪切強(qiáng)度時(shí)，襯套材料出現(xiàn)脫 落，且由于高溫作用，附著于球體表面，造成卡 死。

為了驗(yàn)證故障機(jī)理，選取了2組內(nèi)表面存在類 似圖8所示的襯套進(jìn)行試驗(yàn)，工作一定時(shí)間后均出 現(xiàn)卡死，表明定位準(zhǔn)確，機(jī)理清楚。

3 工藝改進(jìn)

3.1 硫化物脫落原因分析及改進(jìn)措施

由襯套卡死機(jī)理可以看出，卡死的致命原因 是襯套材料中的硫化物出現(xiàn)了脫落，因此，采取有 效措施避免硫化物脫落是問題的關(guān)鍵。

一般情況下，不銹鋼中的硫元素是有害成份， 在金屬冶煉過程中要盡量去除。但由于本應(yīng)用環(huán) 境的特殊性，必須保持一定的硫含量，且在加工過 程中不能使其脫落，從而使其發(fā)揮潤(rùn)滑作用。

通過對(duì)襯套材料本身的理化分析，其硫含量 是符合要求的，只是在加工過程中造成了硫化物 的脫落。襯套加工流程如下：endprint

鉆孔→檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→珩磨（粗）→珩磨（精） →檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→入庫(kù)。

通過對(duì)每個(gè)加工環(huán)節(jié)的分析，發(fā)現(xiàn)珩磨工序 是使硫化物脫落的工藝過程。

磨削加工是通過砂輪砂粒對(duì)金屬表面的拉擠 作用，使金屬屑撕裂而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于硬化相和基體 軟相并存材料的磨削加工，基體軟相是通過撕裂 而實(shí)現(xiàn)的，硬化相是通過剪切斷裂而實(shí)現(xiàn)的?；w 軟相對(duì)硬化相顆粒的夾持力和砂輪砂粒擠壓力構(gòu) 成對(duì)硬化相的剪切力。當(dāng)基體軟相對(duì)硬化相顆粒 的夾持力大于硬化相剪切斷裂應(yīng)力時(shí)，硬化相被 剪斷，一部分硬化物被留在軟相基體中。當(dāng)基體軟 相對(duì)硬化相顆粒的夾持力小于硬化相剪切斷裂應(yīng) 力時(shí)，硬化相被擠出（脫落），在軟相基體中留下 孔洞。因此，出現(xiàn)圖8所示的現(xiàn)象，主要是因?yàn)橐r 套材料基體硬度不夠，使其對(duì)硫化物硬相夾持力 小于珩磨時(shí)剪切斷裂應(yīng)力，造成硫化物脫落。

基于以上分析，為了提高襯套基體硬度，在加 工工藝中增加了熱處理工序，改進(jìn)后的工藝流程 如下：

鉆孔→檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→淬火+低溫回火→珩 磨（粗）→珩磨（精）→高溫回火→入庫(kù)。

熱處理相關(guān)參數(shù)：淬火+低溫回火，采用真空 爐VOQ2-100，預(yù)熱790℃保溫50min（真空度為 1.6×10-1Pa），繼續(xù)升溫至1000℃，保溫35min 后入油淬火。然后進(jìn)行低溫回火，采用箱式爐OT -1000YVCB，加熱至250℃保溫2h后空冷，硬 度在HV400左右。高溫回火，加熱到540℃保溫 60min后隨爐冷卻，回火后的硬度約HV340。

3.2 改進(jìn)措施的驗(yàn)證

使用相同的襯套材料，按照新工藝加工襯套零件，然后在電鏡下分析其內(nèi)表面狀況，見圖10。 可以看出，工藝改進(jìn)后，零件內(nèi)表面孔洞、凹陷等 缺陷消失，即未產(chǎn)生硫化物脫落現(xiàn)象。

使用這種襯套組裝數(shù)套產(chǎn)品，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，未 出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，表明改進(jìn)措施有效。

參考文獻(xiàn)：

[1]田江橋，張斌興，張偉青，等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)故障 分析[J].上海航天，2002，19（4）：58-61.

[2]魏選平，卞樹檀.故障樹分析法及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn) 品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2004（3）：43-45.

[3]邢志浩，王虎干，房雷.某發(fā)動(dòng)機(jī)殼體燒穿故障分析及 改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].航空兵器，2013（2）.

[4]王維寧.Y1Cr13鋼開裂原因淺析[J].特鋼技術(shù)，2010，

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[5]邊樸風(fēng)，張平貴.Q/5S436-2004，高純氮?dú)夤苈废到y(tǒng) 維護(hù)規(guī)范[S].2004.

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[8]李智誠(chéng)，朱中平，薛劍峰，等.世界金屬材料實(shí)用手冊(cè) [M].北京：中國(guó)物資出版社，1997.

[9]工藝手冊(cè)編寫組.工藝手冊(cè)：下冊(cè)[M].國(guó)營(yíng)長(zhǎng)風(fēng)機(jī)器 廠，1979.

[10]工藝手冊(cè)編寫組.工藝手冊(cè)：中冊(cè)[M].國(guó)營(yíng)長(zhǎng)風(fēng)機(jī) 器廠，1978.endprint

鉆孔→檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→珩磨（粗）→珩磨（精） →檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→入庫(kù)。

通過對(duì)每個(gè)加工環(huán)節(jié)的分析，發(fā)現(xiàn)珩磨工序 是使硫化物脫落的工藝過程。

磨削加工是通過砂輪砂粒對(duì)金屬表面的拉擠 作用，使金屬屑撕裂而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于硬化相和基體 軟相并存材料的磨削加工，基體軟相是通過撕裂 而實(shí)現(xiàn)的，硬化相是通過剪切斷裂而實(shí)現(xiàn)的?；w 軟相對(duì)硬化相顆粒的夾持力和砂輪砂粒擠壓力構(gòu) 成對(duì)硬化相的剪切力。當(dāng)基體軟相對(duì)硬化相顆粒 的夾持力大于硬化相剪切斷裂應(yīng)力時(shí)，硬化相被 剪斷，一部分硬化物被留在軟相基體中。當(dāng)基體軟 相對(duì)硬化相顆粒的夾持力小于硬化相剪切斷裂應(yīng) 力時(shí)，硬化相被擠出（脫落），在軟相基體中留下 孔洞。因此，出現(xiàn)圖8所示的現(xiàn)象，主要是因?yàn)橐r 套材料基體硬度不夠，使其對(duì)硫化物硬相夾持力 小于珩磨時(shí)剪切斷裂應(yīng)力，造成硫化物脫落。

基于以上分析，為了提高襯套基體硬度，在加 工工藝中增加了熱處理工序，改進(jìn)后的工藝流程 如下：

鉆孔→檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→淬火+低溫回火→珩 磨（粗）→珩磨（精）→高溫回火→入庫(kù)。

熱處理相關(guān)參數(shù)：淬火+低溫回火，采用真空 爐VOQ2-100，預(yù)熱790℃保溫50min（真空度為 1.6×10-1Pa），繼續(xù)升溫至1000℃，保溫35min 后入油淬火。然后進(jìn)行低溫回火，采用箱式爐OT -1000YVCB，加熱至250℃保溫2h后空冷，硬 度在HV400左右。高溫回火，加熱到540℃保溫 60min后隨爐冷卻，回火后的硬度約HV340。

3.2 改進(jìn)措施的驗(yàn)證

使用相同的襯套材料，按照新工藝加工襯套零件，然后在電鏡下分析其內(nèi)表面狀況，見圖10。 可以看出，工藝改進(jìn)后，零件內(nèi)表面孔洞、凹陷等 缺陷消失，即未產(chǎn)生硫化物脫落現(xiàn)象。

使用這種襯套組裝數(shù)套產(chǎn)品，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，未 出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，表明改進(jìn)措施有效。

參考文獻(xiàn)：

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鉆孔→檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→珩磨（粗）→珩磨（精） →檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→入庫(kù)。

通過對(duì)每個(gè)加工環(huán)節(jié)的分析，發(fā)現(xiàn)珩磨工序 是使硫化物脫落的工藝過程。

磨削加工是通過砂輪砂粒對(duì)金屬表面的拉擠 作用，使金屬屑撕裂而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于硬化相和基體 軟相并存材料的磨削加工，基體軟相是通過撕裂 而實(shí)現(xiàn)的，硬化相是通過剪切斷裂而實(shí)現(xiàn)的?；w 軟相對(duì)硬化相顆粒的夾持力和砂輪砂粒擠壓力構(gòu) 成對(duì)硬化相的剪切力。當(dāng)基體軟相對(duì)硬化相顆粒 的夾持力大于硬化相剪切斷裂應(yīng)力時(shí)，硬化相被 剪斷，一部分硬化物被留在軟相基體中。當(dāng)基體軟 相對(duì)硬化相顆粒的夾持力小于硬化相剪切斷裂應(yīng) 力時(shí)，硬化相被擠出（脫落），在軟相基體中留下 孔洞。因此，出現(xiàn)圖8所示的現(xiàn)象，主要是因?yàn)橐r 套材料基體硬度不夠，使其對(duì)硫化物硬相夾持力 小于珩磨時(shí)剪切斷裂應(yīng)力，造成硫化物脫落。

基于以上分析，為了提高襯套基體硬度，在加 工工藝中增加了熱處理工序，改進(jìn)后的工藝流程 如下：

鉆孔→檢測(cè)內(nèi)孔尺寸→淬火+低溫回火→珩 磨（粗）→珩磨（精）→高溫回火→入庫(kù)。

熱處理相關(guān)參數(shù)：淬火+低溫回火，采用真空 爐VOQ2-100，預(yù)熱790℃保溫50min（真空度為 1.6×10-1Pa），繼續(xù)升溫至1000℃，保溫35min 后入油淬火。然后進(jìn)行低溫回火，采用箱式爐OT -1000YVCB，加熱至250℃保溫2h后空冷，硬 度在HV400左右。高溫回火，加熱到540℃保溫 60min后隨爐冷卻，回火后的硬度約HV340。

3.2 改進(jìn)措施的驗(yàn)證

使用相同的襯套材料，按照新工藝加工襯套零件，然后在電鏡下分析其內(nèi)表面狀況，見圖10。 可以看出，工藝改進(jìn)后，零件內(nèi)表面孔洞、凹陷等 缺陷消失，即未產(chǎn)生硫化物脫落現(xiàn)象。

使用這種襯套組裝數(shù)套產(chǎn)品，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，未 出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，表明改進(jìn)措施有效。

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