某點火器點火藥柱耐沖擊性分析與試驗研究

程 翔，黃少波，唐順厚，羅 廣，沈 欣

某點火器點火藥柱耐沖擊性分析與試驗研究

程 翔1，黃少波1，唐順厚2，羅 廣2，沈 欣3

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院第四研究所，河南 洛陽，471009；2.四川華川工業(yè)有限公司軍品技術(shù)中心，四川 成都，610106；3. 空裝駐洛陽地區(qū)第一軍代室，河南 洛陽，471009）

針對某新研點火器進行2m跌落試驗后點火藥柱出現(xiàn)斷裂問題，進行了耐沖擊力分析與試驗研究。結(jié)果表明：因點火器管體加長，支撐墊點接觸設(shè)計不滿足藥柱緩沖效果，點火藥柱在沖擊過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域并發(fā)生斷裂，通過將支撐墊點接觸改進為線接觸，解決了該故障。

點火藥柱；耐沖擊；應(yīng)力集中；支撐墊

點火藥柱是點火器的重要組成部分，在點火器的貯存壽命期限內(nèi)點火藥柱應(yīng)能夠正常工作，輸出規(guī)定的壓力曲線，在規(guī)定的時間內(nèi)點燃發(fā)動機主裝藥。某新研點火器在室溫環(huán)境下進行輸出端水平2m跌落試驗后，發(fā)現(xiàn)點火藥柱發(fā)生破裂，影響發(fā)動機裝藥工作安全性。針對該現(xiàn)象，對該點火器點火藥柱的耐沖擊性進行了分析與試驗研究，找出了故障原因，并提出改進措施，有效提升了耐沖擊性。

1 問題簡述

點火藥柱組成及示意見圖1。

圖1 點火藥柱

如圖1所示，點火藥柱由4根BPN點火藥壓制后粘接而成，藥柱內(nèi)部為星形，軸向兩側(cè)分別由前、后支架固定，徑向粘接12個丁腈橡膠支撐墊后與復(fù)合殼體配合（簡稱點接觸），用于緩沖藥柱在振動、沖擊環(huán)境下的徑向沖擊。

2m跌落后的點火藥柱X光探傷見圖2。

圖2 2m跌落試驗后點火藥柱X光探傷

由圖2所示X光照片可見，2m跌落后點火藥柱出現(xiàn)明顯的裂紋。

2 耐沖擊性分析

點火藥柱斷裂的主因是其耐沖擊性不足，點火藥柱采用前、后支架限位以及徑向點接觸的耐沖擊性措施，該措施已在廠家多個型號中成熟應(yīng)用，沖擊、振動及跌落試驗后尚未發(fā)生類似問題，該情況為首次。分析認為影響耐沖擊性主要有：跌落夾具，點火藥柱強度以及藥柱支撐措施。

2.1 跌落夾具分析

新研點火器采用了新設(shè)計的跌落夾具（簡稱新夾具），相比其它幾個已定型點火器的跌落夾具（簡稱原夾具，裝配后與產(chǎn)品之間間隙較小）存在不同，如圖3所示。如因夾具因素造成沖擊量級放大，將使藥柱受更大的沖擊力直至產(chǎn)生裂紋。

圖3 夾具對比示意圖

采用MSC.dytran仿真分析兩種夾具的輸出端水平2m跌落試驗，應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 不同夾具下點火藥柱應(yīng)力云圖

結(jié)果表明采用原夾具時點火藥柱所受最大應(yīng)力為12.7MPa，采用新夾具時點火藥柱所受最大應(yīng)力為11.2MPa。由圖4可知，不同夾具對2m跌落時點火藥柱的應(yīng)力影響差別較小。采用原夾具進行了同批產(chǎn)品的2m跌落試驗及X射線照相檢查，見圖5。其點火藥柱與復(fù)合殼體之間間隙0.14mm，結(jié)果發(fā)現(xiàn)點火藥柱同樣破裂，且效果更為明顯。以上仿真及試驗結(jié)果表明，更換跌落試驗夾具不影響藥柱的耐沖擊性。

圖5 2m跌落試驗后點火藥柱X光探傷（原夾具）

2.2 藥柱強度分析

點火藥柱在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)因受潮、粒度不均勻等工藝、材料因素可能導(dǎo)致自身強度大幅度下降[1]，在沖擊過程發(fā)生斷裂。為分析點火藥柱的強度影響，廠家對點火藥柱采用LJ-500型拉力試驗機進行徑向抗壓強度試驗，試驗示意見圖6（藥柱加力方向?qū)?yīng)圖1（b）的星谷）。

圖6 藥柱徑向受力試驗示意

對發(fā)生斷裂的同批點火藥柱分別抽取相同數(shù)量樣品進行常溫、烘干后、吸濕后的徑向壓力試驗，與新投的合格點火藥柱進行對比。其中烘干試驗為70℃保48h，吸濕試驗按WJ 1865-1989 火工品藥劑吸濕性測定法[2]進行，經(jīng)測試吸濕4h的水分含量為0.99%，試驗數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，斷裂批BPN藥柱（常溫、烘干）徑向破碎力376~428N，滿足點火藥柱徑向破碎力不小于200N的指標要求，與新投批數(shù)據(jù)一致，可排除藥柱工藝、原材料等因素。藥柱如受潮則徑向破碎力大幅度下降，降幅為40.6%～66.1%，且普遍低于指標范圍。對故障產(chǎn)品藥柱進行理化分析測量表明藥柱未受潮，點火器密封完好，可排除藥柱受潮因素。分析表明，試驗所用藥柱強度正常，不影響藥柱的耐沖擊性。

表1 藥柱徑向破碎力試驗 （N）

Tab.1 Compression strength test of grain

備注：正常藥柱指標要求≥200N（常溫）

2.3 支撐措施分析

藥柱在支撐措施的保障下均勻承受沖擊、振動帶來的徑向破碎力，如藥柱支撐措施失效，則藥柱受力類似于懸臂梁，必然出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域并導(dǎo)致出現(xiàn)斷裂[3-4]。經(jīng)分析，可能導(dǎo)致故障的因素如下：（1）支撐墊發(fā)生脫落，造成徑向支撐功能失效，使藥柱處于懸臂梁狀態(tài)，受沖擊力斷裂。（2）前后支架松動，使藥柱處于松裝狀態(tài)，受沖擊力斷裂。（3）支撐墊與復(fù)合管體間隙過大，造成徑向支撐功能失效，導(dǎo)致藥柱處于懸臂梁狀態(tài)，受沖擊力斷裂。（4）相比已應(yīng)用點接觸措施的多個型號點火器，新研點火器管體顯著加長，懸臂梁效應(yīng)顯著放大，使藥柱受力大幅度增加，原有的點接觸措施緩沖效果不滿足要求，導(dǎo)致藥柱受沖擊力斷裂。對以上因素進行排查，通過X光無損探傷及故障點火器解剖，可直接排除第1、2因素；解剖復(fù)測故障產(chǎn)品，膠墊與管體間隙為0.06mm，滿足小于0.10mm的指標要求，因此初步定位在第4因素。

3 故障復(fù)現(xiàn)與改進措施

對點火藥柱支撐墊進行改進，由徑向12個支撐墊改為6排支撐墊（簡稱線接觸），以緩解藥柱受沖擊的應(yīng)力集中區(qū)域，改進后的點火藥柱網(wǎng)格劃分及受力分析見圖7。

通過對比圖4（b）、圖7（b）結(jié)果可知，改進后藥柱在2m跌落時所受最大應(yīng)力為3.2MPa，相比改進前方案（12.7MPa），藥柱所受最大應(yīng)力降低3.75倍。根據(jù)仿真結(jié)果進行了表2的試驗，其中點火藥柱均與故障產(chǎn)品同批次，2m跌落試驗后藥柱情況見表2。

圖7 改進后的點火藥柱網(wǎng)格劃分及受力分析

表2 失效因素試驗結(jié)果

Tab.2 Failure diagnosis and results

由表2可見采用線接觸措施的點火藥柱，2m跌落試驗后點火藥柱均結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)裂紋、斷裂等現(xiàn)象，點火器在后續(xù)點火試驗中均可靠點火，點火壓強峰值、工作時間等均滿足——指標要求。對比表2序號1～4，可見雖然夾具因素影響極小可忽略，但當間隙放大后，點火藥柱的耐沖擊性大幅度下降，引起藥柱裂紋顯著擴展。采用相同夾具時，對比序號4、7、10，在間隙放大及低溫（藥柱變脆，破碎力下降）的極端情況下，線接觸的支撐措施顯著優(yōu)于點接觸，表明支撐措施是影響點火藥柱耐沖擊性的最關(guān)鍵因素，改進支撐墊可明顯降低點火藥柱的應(yīng)力水平，有效增加了設(shè)計裕度。

4 結(jié)論

本文依據(jù)仿真及試驗，分析了某點火器點火藥柱經(jīng)2m跌落試驗后斷裂問題，發(fā)現(xiàn)因新研點火器管體加長，點火藥柱懸臂梁狀態(tài)受力放大，原有的藥柱點接觸設(shè)計不能滿足緩沖要求，導(dǎo)致了藥柱斷裂；支撐措施是點火藥柱耐沖擊性的最關(guān)鍵因素，其次是支撐墊與復(fù)合管體的配合間隙；通過將支撐墊由點接觸改進為線接觸，使藥柱的最大應(yīng)力降低3.75倍，有效增加了設(shè)計裕度，在較大間隙、低溫的極限狀態(tài)下滿足藥柱的耐沖擊要求。

[1] 饒豫鄂,張愛華,魏國. BNP點火藥的分析方法研究[J].火工品,2003(2):50-52.

[2] WJ 1865-1989 火工品藥劑吸濕性測定法[S]. 中國人民共和國機械電子工業(yè)部,1989.

[3] 王凱民.火工品工程[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2014.

[4] 程翔,黃少波,唐順厚.某固體火箭發(fā)動機點火器藥柱斷裂分析與改進[ J].火工品,2013(3):5-8.

[5] 邢志浩,王虎干,房雷.某發(fā)動機殼體燒穿故障分析及改進設(shè)計[J].航空兵器,2013(2):50-52.

Analysis and Experimental Research on Impact-resistant of SRM Ignition Grain

CHENG Xiang1，HUANG Shao-bo1，TANG Shun-hou2，LUO Guang2，SHEN Xin3

（1.China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009；2.Huachuan Industry Company，Chengdu，610106；3.The First Military Representative Office in Luoyang of PLA Air Force Equipment Department，Luoyang，471009）

Aimed at the problem that a SRM ignition grain was broken after 2m drop test, the impact-resistant analysis and experimental research were carried out. It showed that because the composite shell of igniter was extended, the point contact for support pad couldn't satisfy the impact-resistant of grain, the stress concentration would appear and make cracking during 2m drop test. By changing point contact to line contact for support pad, the failure is completely removed.

Ignition grain；Impact-resistant；Stress concentration；Support pad

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.003

1003-1480（2020）01-0010-04

2019-09-10

程翔(1983-)，男，高級工程師，主要從事火工品技術(shù)研究。