炮閂磨損仿真技術(shù)淺析

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機械系統(tǒng)向著結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜化、功能集成化和動作智能化趨勢發(fā)展，其動力學(xué)行為變得越來越復(fù)雜，由此帶來的是機械故障率增加，可靠性降低。對于武器裝備，可靠性已經(jīng)成為與性能同等重要的研制目標(biāo)，對武器裝備的作戰(zhàn)能力、部署機動能力、維修人力和使用保障費用等都具有重要影響。

一、背景及意義

21世紀以來，盡管受到導(dǎo)彈等各種精確制導(dǎo)武器的挑戰(zhàn)，享譽“戰(zhàn)爭之神”的火炮依然深受世界各國的青睞，它們不但在世界軍備庫中數(shù)量眾多，而且新的型號還不斷問世，由此不難看出火炮的在各國武器裝備中依然占有重要地位。

1.炮閂研究的重要性

炮閂作為火炮至關(guān)重要的組成部件，是一個純機械系統(tǒng)。其性能的好壞直接決定了火炮作戰(zhàn)威力能否正常發(fā)揮，并且關(guān)系到武器本身完好性和操作人員安全。炮閂中機構(gòu)的可靠性是指機構(gòu)在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的動作任務(wù)的能力，該項性能直接影響其他機構(gòu)動作過程中的質(zhì)量及整個系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，因而是衡量機構(gòu)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。對于維修人員來說，確定了構(gòu)件的可靠性，也就明確了維修保養(yǎng)的時機，據(jù)此合理籌措備件，在失效發(fā)生前及時更換，有助于火炮順利完成其戰(zhàn)斗任務(wù)。因此，炮閂可靠性研究也就顯得尤為重要。

2.模擬試驗的探索

早在二十世紀四十年代，以模擬試驗為代表的可靠性試驗技術(shù)產(chǎn)生，并經(jīng)歷了有單環(huán)境因素到綜合環(huán)境因素的可靠性試驗過程。由于模擬實驗存在周期長、效率低、耗費大的缺點，而且完全真實地模擬產(chǎn)品的使用環(huán)境往往存在諸多困難，必須開發(fā)一種新的經(jīng)濟有效的替代法來適應(yīng)這一需求。激發(fā)試驗應(yīng)運而生，它通過施加激發(fā)應(yīng)力環(huán)境快速檢測并清除產(chǎn)品的潛在缺陷。試驗所施加的應(yīng)力并不模擬真實環(huán)境，而以提高激發(fā)效率為目標(biāo)。

二、相關(guān)可靠性試驗研究現(xiàn)狀

從20世紀80年代后期開始，激發(fā)試驗技術(shù)開始出現(xiàn)。激發(fā)試驗不以環(huán)境的真實性模擬為目標(biāo)，而是通過強化環(huán)境來進行試驗，以提高試驗效率、降低消耗。

1.國外研究情況

1988年，G.K.Hobbs提出了高加速壽命試驗（HALT）和高加速應(yīng)力篩選試驗（HASS），其核心即對產(chǎn)品施加遠超過設(shè)計規(guī)范的應(yīng)力，逐步提升應(yīng)力水平，逐漸排除缺陷，又稱為步進應(yīng)力試驗。1994年，波音公司將以實現(xiàn)高效、可靠性增長為目的的HALT命名為可靠性加速或強化試驗（簡稱RET）。RET適用于全新研制、服役中可靠性低或需要大修和重新鑒定的產(chǎn)品，注重失效機理的一致性和試驗效率，而不強調(diào)環(huán)境模擬的真實性。

2.國內(nèi)研究情況

可靠性強化試驗在國內(nèi)開展得比較晚，從20世紀90年代中后期開始進行跟蹤研究，由陳奇妙主編的《國外可靠性強化試驗技術(shù)文集》是較早系統(tǒng)介紹國外可靠性強化試驗概念的文獻之一，比較新的著作有溫熙森等編著的《可靠性強化試驗理論與應(yīng)用》，對近年來可靠性強化試驗技術(shù)領(lǐng)域的重要研究成果以及技術(shù)創(chuàng)新進行了論述。國防科技大學(xué)在可靠性強化試驗理論專項研究和系統(tǒng)應(yīng)用上去得到成果比較豐碩，如褚衛(wèi)華的模塊級電子產(chǎn)品可靠性強化試驗方法研究，易難等對某型電源裝置開展了可靠性強化試驗的條件和方法研究，從而縮短了試驗時間。

可靠性強化試驗在我國從理論到試驗設(shè)備再到具體的實踐已經(jīng)得到一定的發(fā)展，但是很多理論和技術(shù)研究還不夠深入，應(yīng)用不太成熟，需要付出更多的努力去探索。

3.利用仿真技術(shù)進行可靠性試驗的可行性

計算機技術(shù)的高速發(fā)展，讓越來越多的構(gòu)想成為現(xiàn)實。將現(xiàn)實的物理樣機或系統(tǒng)的分析研究轉(zhuǎn)移到虛擬樣機技術(shù)上來，就是一個非常典型的應(yīng)用實例。從實體建模，到多體動力學(xué)仿真，再到結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等充分發(fā)揮虛擬樣機技術(shù)的優(yōu)勢，便于全方位、多角度的觀測和分析。

三、關(guān)于炮閂磨損仿真技術(shù)的基本構(gòu)想

利用專業(yè)軟件，建立模型，爾后根據(jù)磨損的特征和機理以及強化試驗仿真的相關(guān)理論實現(xiàn)炮閂磨損的強化試驗。

1.模型的建立

通過專業(yè)軟件把火炮部件集成到一個可視化環(huán)境中，實現(xiàn)火炮裝備的建模仿真，計算機技術(shù)的價值得到充分體現(xiàn)。炮閂零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在動力學(xué)仿真軟件ADAMS中完成零件的造型任務(wù)會很艱巨，借助其他比較專業(yè)的三維CAD造型軟件來建立各個大小不等、形狀復(fù)雜的零部件的實體模型，并完成較精確的裝配可以有效減小工作量，然后將模型轉(zhuǎn)換到ADAMS中進行試驗。

2.磨損的特征和機理

磨損是機器零件在正常運轉(zhuǎn)過程中不可避免的一種能量耗散的現(xiàn)象。按照比較通用的、由布維爾提出的按磨損機理的分類方法，通常把磨損分為五類：粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨損。而根據(jù)炮閂中各零部件的實際運動情況和零件表面形態(tài)，它們基本上都以粘著磨損為主。粘著磨損一般發(fā)生在相互滑動（或轉(zhuǎn)動）的干摩擦表面上，其基本物理過程可認為是粘著-剪切-再粘著-再剪切的循環(huán)。磨損主要以材料轉(zhuǎn)移的形式表現(xiàn)出來。在炮閂中，磨損作用的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：非規(guī)則外廓的凸輪表面磨損、圓柱磨損和平面磨損，它們的計算有各自的特點，其中非規(guī)則外廓的凸輪表面磨損最具有一般意義。

3.基于磨損的強化試驗仿真

強化試驗通過提高試驗對象的工作應(yīng)力水平，以達到在短時間內(nèi)激發(fā)試驗對象失效的目的，從而對試驗對象的可靠性進行快速評估。但是，強化試驗中提高應(yīng)力水平可能產(chǎn)生與實際服役環(huán)境中觀測結(jié)果不同的失效機理。因此，有必要對強化試驗機制下的失效機理進行探討。強化失效機理的研究內(nèi)容包括自然失效機理、加速失效機理漂移，以及加速失效機理漂移的控制等。對于失效模式為磨損的構(gòu)件來說，強化試驗的具體方案就是通過一定的強化試驗技術(shù)來加快構(gòu)件表面的磨損，并且要防止磨損失效這一故障機理的漂移，保證試驗數(shù)據(jù)代表實際操作條件下的可靠性。本文主要是進行簡要的分析和可行性探究，不做更進一步的分析。

參考文獻：

[1]Hobbs G K. Accelerated reliability engineering： HALT and HASS[M]. San Francisco： John Wiley and Sons Inc， 2000.

[2]褚衛(wèi)華. 模塊級電子產(chǎn)品可靠性強化試驗方法研究[D]. 長沙： 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2003.

[3]榮吉利， 張濤. 航天火工機構(gòu)可靠性的強化試驗驗證方法[J]. 宇航學(xué)報， 2009.

[4]劉賢喜. 機械系統(tǒng)虛擬樣機仿真軟件的實用化研究[D]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2001.

作者簡介：蔡浩（1990-11），男，漢族，河北廊坊大城人，學(xué)歷：本科，講師，輕便火炮修理，教員。