某型導(dǎo)彈振動(dòng)中觸發(fā)引信誤動(dòng)作故障

唐尚華，劉勇濤，朱素英，吳 煒

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009)

某引信系統(tǒng)配用于某紅外型空空導(dǎo)彈，該型導(dǎo)彈交付過(guò)程中需要進(jìn)行多項(xiàng)振動(dòng)試驗(yàn)。其中環(huán)境應(yīng)力篩選的目的是通過(guò)向產(chǎn)品施加合理的環(huán)境應(yīng)力，激發(fā)并剔除由于產(chǎn)品工藝缺陷和元器件缺陷引起的早期故障，以暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)。

引信系統(tǒng)在進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)Y、Z 向缺陷剔除階段隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中均正常，而X 向在規(guī)定的振動(dòng)量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中，出現(xiàn)引信執(zhí)行級(jí)誤動(dòng)作情況。

1 某導(dǎo)彈觸發(fā)引信工作環(huán)境

1.1 引信篩選試驗(yàn)系統(tǒng)的組成

引信篩選試驗(yàn)系統(tǒng)包括被測(cè)引信系統(tǒng)、振動(dòng)臺(tái)、振動(dòng)夾具、測(cè)試設(shè)備，被測(cè)引信系統(tǒng)由近炸引信、觸發(fā)引信和自炸引信組成。

1.1.1 振動(dòng)臺(tái)及測(cè)試設(shè)備

振動(dòng)臺(tái)、測(cè)試設(shè)備均標(biāo)定合格，在使用期限內(nèi)，在對(duì)其它產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)未出現(xiàn)過(guò)故障。

1.1.2 振動(dòng)夾具

振動(dòng)夾具包括立式和臥式夾具2 種。立式夾具是適應(yīng)垂直臺(tái)加工的X 向振動(dòng)夾具，通過(guò)引信后端部的卡環(huán)與引信聯(lián)接，引信上部沒(méi)有與夾具固定，裝配固定后重心較高，該夾具未經(jīng)過(guò)夾具檢測(cè)試驗(yàn)。臥式夾具是通過(guò)引信前、后端部卡環(huán)聯(lián)接，引信水平放置，若用其對(duì)引信進(jìn)行X 向振動(dòng)必須在水平滑臺(tái)上進(jìn)行。2 種夾具見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 立式夾具

圖2 臥式夾具

1.1.3 被測(cè)引信

被測(cè)引信系統(tǒng)的3 種引信并聯(lián)共用一個(gè)執(zhí)行級(jí)電路。近炸、自炸信號(hào)均正常，根據(jù)引炸信號(hào)無(wú)輸出而執(zhí)行級(jí)動(dòng)作的現(xiàn)象，初步排除近炸、自炸通路故障可能性，確定為觸發(fā)引信通路故障。

1.2 故障定位

1.2.1 觸發(fā)引信組成及故障定位

觸發(fā)引信由觸發(fā)開(kāi)關(guān)、外圍電路和執(zhí)行級(jí)模塊組成。其中觸發(fā)開(kāi)關(guān)由片簧、觸頭、夾板及印制板組成［1］。片簧一端鉚接觸頭及夾板，另一端通過(guò)壓板固定在印制板上，裝調(diào)時(shí)使觸頭可靠接觸開(kāi)關(guān)印制板，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 觸發(fā)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

觸發(fā)開(kāi)關(guān)安裝在引信芯體前端激光發(fā)射固定基板上，觸發(fā)開(kāi)關(guān)用固定夾固定。

經(jīng)過(guò)檢查，排除外圍電路和執(zhí)行級(jí)模塊、觸發(fā)開(kāi)關(guān)固定螺釘松動(dòng)、觸發(fā)開(kāi)關(guān)引出線不可靠等引起故障可能。

為確認(rèn)故障將觸發(fā)開(kāi)關(guān)的接線柱用導(dǎo)線短接，對(duì)該引信進(jìn)行X 向振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)中引信執(zhí)行級(jí)無(wú)誤動(dòng)作，將觸發(fā)開(kāi)關(guān)接線柱短接線去掉，振動(dòng)中引信故障現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)，引信執(zhí)行級(jí)誤動(dòng)作。

因此故障定位為振動(dòng)過(guò)程中觸發(fā)開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作引起引信執(zhí)行級(jí)誤動(dòng)作。

1.2.2 故障原因初步分析

該批觸發(fā)開(kāi)關(guān)已通過(guò)規(guī)定量級(jí)Y 向加強(qiáng)自主飛振動(dòng)例行試驗(yàn)，且該觸發(fā)開(kāi)關(guān)單獨(dú)進(jìn)行規(guī)定量級(jí)X 向篩選振動(dòng)試驗(yàn)也正常。

用臥式振動(dòng)夾具進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，觸發(fā)引信狀態(tài)與真實(shí)情況比較接近。而立式振動(dòng)夾具由于觸發(fā)開(kāi)關(guān)安裝位置重心較高，同時(shí)引信X 向振動(dòng)時(shí)Y、Z 向也會(huì)有一些附加振動(dòng)，可能造成觸發(fā)開(kāi)關(guān)安裝位置的振動(dòng)載荷與真實(shí)導(dǎo)彈狀態(tài)有出入。因此也不排除振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)不合理的因素。

觸發(fā)開(kāi)關(guān)敏感彈目碰撞而動(dòng)作的功能特性決定了其對(duì)振動(dòng)環(huán)境放大情況超出一定范圍后會(huì)比較敏感，可能在振動(dòng)中出現(xiàn)了共振現(xiàn)象。因此有必要運(yùn)用振動(dòng)理論來(lái)討論該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的共振問(wèn)題。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

2.1 共振分析

振動(dòng)一般分為兩類:自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)。自由振動(dòng)是當(dāng)沒(méi)有外力作用時(shí)由系統(tǒng)固有力作用下產(chǎn)生的。系統(tǒng)在自由振動(dòng)下具有一個(gè)或多個(gè)固有頻率。固有頻率是動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)特性［2］。

當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到隨時(shí)間變化的力干擾時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。如果外界干擾力的頻率與系統(tǒng)的某一階固有頻率相等或相近時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生共振。共振往往誘導(dǎo)出過(guò)大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p傷，甚至破壞［3］。

結(jié)構(gòu)共振分析就是防止發(fā)生共振的重要措施。結(jié)構(gòu)共振分析包含:①結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率分析;②干擾源的擾動(dòng)頻率分析;③檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)固有頻率與干擾頻率間是否有足夠的偏離［3］。

觸發(fā)引信中的觸發(fā)開(kāi)關(guān)是利用載體碰擊目標(biāo)時(shí)的反作用力或前沖力而閉合，以接通引信電路，使起爆元件發(fā)火的裝置。由于觸發(fā)引信主要運(yùn)動(dòng)件和決定產(chǎn)品性能的零件為觸發(fā)開(kāi)關(guān)中的片簧，對(duì)片簧進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算，獲得片簧的固有頻率，以分析其動(dòng)態(tài)特性。

2.2 模態(tài)分析的基本理論

模態(tài)分析是確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一種近代方法，模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率和模態(tài)振型。對(duì)于一個(gè)具有N 個(gè)自由度的線性定常系統(tǒng)，由彈性力學(xué)有限元法，可得其運(yùn)動(dòng)微分方程［4］

式中:M、C、K 分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣分別為結(jié)構(gòu)的加速度向量、速度向量和位移向量;f(t)為激振力向量。

由于模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有特性，與外部的載荷條件無(wú)關(guān)，即f(t)=0。因結(jié)構(gòu)阻尼較小，對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響甚微，可忽略不計(jì)，由此可得到結(jié)構(gòu)的無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程

由于彈性體的自由振動(dòng)總可以分解為一系列的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，為了決定彈性體自由振動(dòng)的固有頻率及相應(yīng)的振型，假設(shè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方程為

其中:Φ 是n 階特征向量;ω 是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率;t 是時(shí)間變量。

將式(3)代入式(2)中，得無(wú)阻尼模態(tài)分析的運(yùn)動(dòng)方程為

式(4)有非零解的條件是其系數(shù)行列式等于零，即

式(5)是關(guān)于ω 的n 次方程，解此方程可得結(jié)構(gòu)的n 個(gè)固有頻率和振型。

2.3 動(dòng)力學(xué)模型的建立

在此，運(yùn)用有限元分析軟件MSC.Nastran 對(duì)觸發(fā)引信進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。仿真步驟為實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定、材料參數(shù)輸入、仿真計(jì)算［5-6］。

2.3.1 模型建立

數(shù)值模擬仿真首先要建立有限元模型，從而確保在計(jì)算過(guò)程中反復(fù)調(diào)整和調(diào)用。仿真研究使用MSC.Patran 軟件進(jìn)行三維零件的輔助建模設(shè)計(jì)。首先對(duì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化，只考慮片簧和與之相連的質(zhì)量塊和質(zhì)量塊夾，忽略其它零部件的影響。由于片簧與夾板接觸部分近似固定，建模時(shí)忽略這一部分?？紤]到質(zhì)量塊和質(zhì)量塊夾是同種材料，且相互間變形可以忽略，在進(jìn)行建模時(shí)合并為一體。

2.3.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到數(shù)值計(jì)算的順利程度，以及反映所關(guān)心物理量的基本變化規(guī)律。

根據(jù)所研究的問(wèn)題，在計(jì)算時(shí)運(yùn)用精度較高的六面體單元對(duì)片簧合件進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，計(jì)算模型總共劃分體單元5 890 個(gè)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4 所示。

圖4 片簧網(wǎng)格模型

2.3.3 邊界條件

片簧與質(zhì)量塊和質(zhì)量塊夾合件之間變形很小，可以忽略，將質(zhì)量塊合件與片簧固接。

片簧與電路板通過(guò)螺釘相連，因此認(rèn)為其接觸部分是固定的，即約束片簧邊界所有的自由度。

計(jì)算時(shí)假定觸頭自由，觸頭和電路板之間加一滑動(dòng)摩擦系數(shù)來(lái)模擬它們之間的接觸。

2.3.4 材料模型

片簧采用的是QBe2，輕塊和塊夾的材料均為HPb59 -1，材料參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)

2.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算采用的基本單位是mm、g、s，其他單位由該基本單位導(dǎo)出。

對(duì)片簧在自由模態(tài)下的固有模態(tài)和振型進(jìn)行了仿真，其前3 階頻率見(jiàn)表2 和圖5、6、7。

表2 觸發(fā)開(kāi)關(guān)簧片前三階頻率

圖5 一彎振型示意圖

圖6 一扭振型示意圖

圖7 二彎振型示意圖

根據(jù)前面的有限元分析計(jì)算，可得片簧的前3 階固有頻率為:224 Hz、434 Hz、1 306 Hz。若振動(dòng)夾具產(chǎn)生的干擾頻率與片簧的固有頻率接近，就有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?，使振?dòng)夾具產(chǎn)生的干擾頻率與片簧合件的固有頻率有一定的差值來(lái)防止發(fā)生共振。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及更改措施

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

為得到觸發(fā)開(kāi)關(guān)處的振動(dòng)輸入情況，驗(yàn)證是否觸發(fā)開(kāi)關(guān)在立式夾具中感受超常振動(dòng)，采取引信前蓋鉆孔，觸發(fā)開(kāi)關(guān)固定基板處粘監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行基板振動(dòng)情況監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)觸發(fā)輸出信號(hào)也引線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。抽取三發(fā)觸發(fā)開(kāi)關(guān)先進(jìn)行窄帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)尋找敏感頻率范圍，再運(yùn)用正弦定頻振動(dòng)試驗(yàn)尋找敏感頻率點(diǎn)，確認(rèn)觸發(fā)開(kāi)關(guān)是否發(fā)生共振現(xiàn)象。

3.1.1 觸發(fā)開(kāi)關(guān)窄帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

分別在垂直臺(tái)立式夾具和水平滑臺(tái)臥式夾具對(duì)三發(fā)觸發(fā)開(kāi)關(guān)裝成引信系統(tǒng)，夾具上單點(diǎn)或兩點(diǎn)控制進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)壓縮窄帶隨機(jī)振動(dòng)的方法對(duì)各觸發(fā)開(kāi)關(guān)進(jìn)行敏感頻率范圍篩選，監(jiān)測(cè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)固定處基板上振動(dòng)情況，用示波器監(jiān)測(cè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)輸出和執(zhí)行級(jí)情況，控制波形曲線見(jiàn)圖8、9。

圖8 單點(diǎn)控制波形曲線

圖9 兩點(diǎn)控制波形曲線

試驗(yàn)表明觸發(fā)開(kāi)關(guān)固定處存在一定超常振動(dòng)放大現(xiàn)象，超出規(guī)定的試驗(yàn)條件。在垂直臺(tái)立式夾具窄帶(1 000 ～1 500 Hz)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中三發(fā)觸發(fā)開(kāi)關(guān)都會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，只是振動(dòng)量級(jí)的大小的區(qū)別，且引信基板處的振動(dòng)峰值頻率都在1 150 Hz 和1 300 Hz 頻率附近，而用水平臺(tái)臥式夾具試驗(yàn)時(shí)引信基板處的峰值頻率為360 ～620 Hz。

3.1.2 觸發(fā)開(kāi)關(guān)敏感頻率驗(yàn)證試驗(yàn)

在垂直臺(tái)立式夾具對(duì)觸發(fā)開(kāi)關(guān)裝成引信系統(tǒng)，夾具上2點(diǎn)控制振動(dòng)，監(jiān)測(cè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)固定處基板上振動(dòng)情況，用示波器監(jiān)測(cè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)輸出和執(zhí)行級(jí)情況。先尋找該觸發(fā)開(kāi)關(guān)敏感頻率點(diǎn)，再對(duì)其敏感頻率點(diǎn)進(jìn)行正弦定頻振動(dòng)，以驗(yàn)證觸發(fā)開(kāi)關(guān)共振及輸出周期性，監(jiān)測(cè)波形曲線如圖10 所示。試驗(yàn)表明觸發(fā)開(kāi)關(guān)在正弦1 150 Hz 定頻振動(dòng)時(shí)輸出有一定的周期性。

由上述試驗(yàn)可知，觸發(fā)開(kāi)關(guān)振動(dòng)性能在滿足篩選振動(dòng)條件下存在一定的差異。臥式夾具水平滑臺(tái)振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)引信結(jié)構(gòu)基板處造成的峰值頻率較低，而立式夾具垂直臺(tái)振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)引信基板造成的峰值頻率較高，且與觸發(fā)開(kāi)關(guān)振動(dòng)敏感頻率區(qū)域接近(理論計(jì)算觸發(fā)開(kāi)關(guān)的簧片二彎共振頻率約為1 300 Hz)，即發(fā)生了共振現(xiàn)象。

3.2 改進(jìn)方案

更換立式夾具，采用臥式夾具。進(jìn)行觸發(fā)開(kāi)關(guān)X 向篩選振動(dòng)裕度試驗(yàn)和觸發(fā)開(kāi)關(guān)Y 向自主飛振動(dòng)裕度試驗(yàn)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明原出問(wèn)題觸發(fā)開(kāi)關(guān)在水平滑臺(tái)一定量級(jí)X 向篩選振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)仍工作正常，大于引信規(guī)定的量級(jí)要求;出問(wèn)題觸發(fā)開(kāi)關(guān)在水平滑臺(tái)Y 向自主飛振動(dòng)一定量級(jí)篩選振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)仍工作正常，大于引信規(guī)定的量級(jí)要求。

上述試驗(yàn)表明更換試驗(yàn)夾具后觸發(fā)開(kāi)關(guān)工作正常，有效的防止了共振現(xiàn)象的發(fā)生。

圖10 正弦定頻振動(dòng)波形曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)表明觸發(fā)開(kāi)關(guān)故障原因是由于立式振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)不合理。一方面由于夾具連接設(shè)計(jì)不合理，引信上部與夾具的無(wú)固定造成引信Y、Z 向復(fù)合振動(dòng)，另一方面振動(dòng)系統(tǒng)傳遞給引信基板處的X 向振動(dòng)量級(jí)超常放大，且共振頻率與觸發(fā)開(kāi)關(guān)敏感頻率重合致使觸發(fā)開(kāi)關(guān)共振引起動(dòng)作。

因此，在以后的產(chǎn)品試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須合理設(shè)計(jì)振動(dòng)夾具，以保證其能反映產(chǎn)品真實(shí)彈道環(huán)境下的工作狀態(tài)，從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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