基于故障樹(shù)的某閉鎖機(jī)構(gòu)故障原因仿真分析

朱延飛，魏立新

(中國(guó)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(guó)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(dòng)機(jī)作為核心部件，機(jī)構(gòu)動(dòng)作復(fù)雜，零部件的運(yùn)動(dòng)多屬非線性高階運(yùn)動(dòng)，其故障模式多樣，故障分析和定位比較困難。

故障樹(shù)分析主要用于系統(tǒng)的可靠性、安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[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(wèn)題，尤其是結(jié)構(gòu)具有明顯非線性特征時(shí)[2]。用試驗(yàn)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(wèn)題，已成為一個(gè)有效的手段和重要的發(fā)展趨勢(shì)。

本文以某轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)閉鎖機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用故障樹(shù)加仿真分析的方法，對(duì)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(shù)及故障原因動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)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(yàn)結(jié)果表明故障得到了有效解決。試驗(yàn)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(duì)工程中故障分析及設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 閉鎖機(jī)構(gòu)組成及原理

某轉(zhuǎn)管自動(dòng)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(dòng)帶動(dòng)炮閂轉(zhuǎn)動(dòng)，炮閂滾輪在曲線槽內(nèi)滾動(dòng)的作用下使炮閂沿星形體軸向運(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(yàn)過(guò)程中自動(dòng)機(jī)工作正常，但在射擊完成后維護(hù)保養(yǎng)時(shí)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。考慮火炮射擊的安全性，停止射擊試驗(yàn)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行故障歸零。

閉鎖機(jī)構(gòu)是完成自動(dòng)機(jī)的閉鎖、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)中內(nèi)膛剛性結(jié)合動(dòng)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(kāi)鎖等。對(duì)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(shí)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(guò)對(duì)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(guò)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(guò)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(shù)分析法[7-8]，建立其故障樹(shù)如圖2所示。

圖2 原因分析故障樹(shù)

1) 異常過(guò)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(dòng)，其異常過(guò)載為自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的過(guò)載。

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

2) 零件硬度偏高

對(duì)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(yàn)無(wú)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(cè)硬度值超出了圖紙規(guī)定的上限，理論上會(huì)降低韌性，是產(chǎn)生脆裂的不利因素，會(huì)影響到疲勞壽命。

3 閉鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

根據(jù)自動(dòng)機(jī)分解測(cè)繪后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)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(dòng)約束及載荷，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析[9-10]，如圖3所示。

圖3 閉鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真

1) 炮閂機(jī)頭閉鎖運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

以機(jī)頭為研究對(duì)象，分別仿真計(jì)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(wú)論是低射頻還是高射頻，機(jī)頭回轉(zhuǎn)閉鎖時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)力學(xué)分析

以機(jī)頭閉鎖碰撞為研究對(duì)象，分別仿真計(jì)算射速為2 500 r/min及6 000 r/min情況下機(jī)頭閉鎖時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(guò)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(guò)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(dòng)，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(dòng)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(huì)對(duì)最終閉鎖撞擊力的大小產(chǎn)生一定影響，因此，需要對(duì)滾輪及曲線槽等做進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，本文限于篇幅有限不做詳細(xì)分析。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)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(guò)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(dòng)機(jī)更換新炮閂機(jī)頭后重新進(jìn)行射擊試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)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(yàn)中也未出現(xiàn)此故障，故障得以解決。

3) 故障樹(shù)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。