發(fā)射裝置氮?dú)馄克蓜?dòng)分析及改進(jìn)

于四寬，舒 陶

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

氣瓶組件［1］為紅外型發(fā)射裝置的主要組成部分，其主要功能是為導(dǎo)彈紅外探測器提供制冷用的高壓、高純氮?dú)?，使用過程中要求氣瓶可靠連接，不能有松動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)。某型發(fā)射裝置為翼尖側(cè)向懸掛的發(fā)射裝置，2008年上半年，用戶反映該發(fā)射裝置在掛飛使用后個(gè)別氣瓶出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，影響正常的飛行訓(xùn)練。針對(duì)氣瓶松動(dòng)故障，必須盡快查明原因，完成改進(jìn)。改進(jìn)要求滿足以下條件：能夠解決問題；外場實(shí)施簡單方便；周期不能太長。

1 氣瓶緊固原理

氣瓶在某型發(fā)射裝置中的安裝情況如圖1所示。氣瓶的前端與電磁閥相連，后端用固緊裝置與大梁上的支座組件夾緊固定。其中，固緊裝置和支座組件與氣瓶接觸面粘附有毛氈［2］，毛氈起到保護(hù)氣瓶筒身不受刮擦和防止氣瓶松動(dòng)的作用。固緊裝置的功能有2個(gè)：一是壓緊氣瓶，防止松動(dòng)；二是上下移動(dòng)壓板，實(shí)現(xiàn)氣瓶的快速拆裝。

圖1 氣瓶后端緊固示意

圖2為固緊裝置工作原理圖，氣瓶的壓緊通過上下移動(dòng)弧形壓板與支座之間的距離實(shí)現(xiàn)，其中支座位置不動(dòng)，偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)軸套帶動(dòng)弧形壓板上下移動(dòng)。碟形彈簧［3］起結(jié)構(gòu)緩沖的作用，壓緊力的大小由2組碟形彈簧的彈力決定。氣瓶的防松轉(zhuǎn)動(dòng)，由毛氈與氮?dú)馄科可碇g的摩擦力實(shí)現(xiàn)。

圖3為固緊裝置的位置限定工作原理圖，偏心軸的位置通過銷在鍵套上的溝槽位置決定。當(dāng)固緊裝置處于工作位置時(shí)（即落下位置），由于彈簧力的作用，銷和鍵套不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即偏心軸不會(huì)自己轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)需要提起弧形壓板時(shí)，需要操作工具頂進(jìn)鍵套，使銷移動(dòng)到鍵套上的環(huán)形溝槽內(nèi)，此時(shí)偏心軸才能轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)弧形壓板向上升起。工作原理可以總結(jié)為：氣瓶防振靠壓緊裝置偏心軸和碟形彈簧產(chǎn)生的壓緊力；氣瓶防轉(zhuǎn)靠毛氈的摩擦阻力產(chǎn)生的阻力矩。其中，摩擦力的大小由壓緊力和摩擦系數(shù)［4］決定。

圖2 固緊裝置工作原理

圖3 固緊裝置的位置限定工作原理

2 氣瓶松動(dòng)機(jī)理分析

針對(duì)氣瓶松動(dòng)的故障現(xiàn)象，根據(jù)發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)及使用情況將引起故障的可能原因列出，建立故障樹，如圖4所示。

圖4 某型發(fā)射裝置氣瓶松動(dòng)故障樹

3 松動(dòng)原因分析

根據(jù)故障樹所列原因，對(duì)可能原因進(jìn)行分析。

3.1 使用問題及外力過大

發(fā)射裝置已經(jīng)批量交付部隊(duì)，使用人員都經(jīng)過培訓(xùn)，且設(shè)計(jì)人員到現(xiàn)場確認(rèn)了操作過程沒有問題，因此，可排除使用問題導(dǎo)致故障出現(xiàn)的可能。

該型發(fā)射裝置是國內(nèi)首例翼尖側(cè)掛發(fā)射裝置，外形上與機(jī)翼連成一體，其懸掛位置和方式?jīng)Q定了使用環(huán)境比下掛發(fā)射裝置更為苛刻，振動(dòng)沖擊較大，理論上難以掌握和計(jì)算，也缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只能從飛行試驗(yàn)中逐步摸索。由于對(duì)翼尖側(cè)掛環(huán)境不完全掌握，設(shè)計(jì)輸入采用的是與翼下掛點(diǎn)一致的條件。

3.2 產(chǎn)品問題

3.2.1 制造缺陷

通過清查隨行文件和生產(chǎn)交付記錄，發(fā)現(xiàn)該型發(fā)射裝置的生產(chǎn)過程嚴(yán)格按照產(chǎn)品規(guī)范進(jìn)行，出廠前經(jīng)過交檢、軍檢均滿足要求，例試中也未出現(xiàn)此故障，說明氣瓶松動(dòng)不是由于制造缺陷造成的。

3.2.2 設(shè)計(jì)摩擦阻力矩過小

從氣瓶固緊裝置的機(jī)理，可以推測發(fā)生氣瓶松動(dòng)的原因是控制氣瓶轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力矩不能有效地阻止氣瓶因振動(dòng)引起的轉(zhuǎn)動(dòng)。

翼尖側(cè)掛使用條件下，當(dāng)振動(dòng)量值過大時(shí)，振動(dòng)引起的氣瓶松弛力矩超過了固緊裝置產(chǎn)生的摩擦阻力矩，就會(huì)產(chǎn)生氣瓶松動(dòng)的現(xiàn)象。

摩擦力矩Mf與摩擦力f及氣瓶直徑d有關(guān)。

摩擦力與摩擦系數(shù)μ和正壓力FN有關(guān)。

式（2）代入式（1）有：

氣瓶直徑d是由容積決定的，為固定值。根據(jù)式（2），摩擦力矩只與正壓力和摩擦系數(shù)有關(guān)。正壓力也導(dǎo)致摩擦力過小，進(jìn)而導(dǎo)致摩擦力矩過小。

根據(jù)分析，氣瓶松動(dòng)的主要原因是阻止氣瓶旋轉(zhuǎn)的摩擦力矩過小。

4 糾正措施

提高摩擦阻力矩的措施有增大正壓力或增大摩擦系數(shù)，下面就從這兩個(gè)方面尋找解決措施。

4.1 提高正壓力

造成正壓力小的因素有2個(gè)：碟形彈簧的力值過小；支座安裝位置過低。正壓力由碟形彈簧變形產(chǎn)生，碟形彈簧載荷計(jì)算公式如下：

K1，K4為針對(duì)確定碟形彈簧類型的常數(shù)；N為碟形彈簧的載荷（N）；Nc為碟形彈簧壓平時(shí)的載荷（N）；E 為彈性摸量（MPa）；υ為泊松比；t為厚度；h為碟形彈簧變形量；h0為碟形彈簧壓平時(shí)的變形量；D為碟形彈簧的外徑；C，C1，C2為關(guān)于彈簧自身特性的函數(shù)。t′／t，對(duì) A，B系列碟簧取0.94，對(duì) C系列取0.96。

根據(jù)固緊裝置的工作原理可以知，Nc即為式（3）中的正壓力FN，根據(jù)式（5），Nc與彈性模量E、厚度t、碟形彈簧壓平時(shí)的變形量h0、碟形彈簧外徑D和泊松比有關(guān)。提高正壓力有2個(gè)途徑，即提高碟形彈簧的彈力和提升支座安裝位置的高度。

4.1.1 提高碟形彈簧的彈力

由于空間所限，碟形彈簧的尺寸不可能無限擴(kuò)大。材料和外形確定后，彈性模量E和碟形彈簧外徑D已經(jīng)固定，碟形彈簧已經(jīng)達(dá)到了最大力值，除非改用其他彈簧或者機(jī)構(gòu)來提高氣瓶的壓緊力，利用現(xiàn)有機(jī)構(gòu)很難提高氣瓶的壓緊力。由此看來，通過提高碟形彈簧的彈力來實(shí)現(xiàn)氣瓶的壓緊力的提高，并以此來消除故障的方法不可行。

4.1.2 提升支座安裝位置的高度

提升支座組件安裝位置的高度，就是提高式（5）中的碟形彈簧壓平時(shí)的變形量h0。故障出現(xiàn)之初，曾經(jīng)采取增加墊片的方式使支座組件的高度提升1 mm，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)故障依然存在，說明支座組件增高1mm后，正壓力依然偏小。受空間所限，h0不可能無限增大，另外，支座組件安裝位置過高會(huì)導(dǎo)致碟形彈簧超出其允許變形的尺寸范圍，長期使用將導(dǎo)致碟形彈簧發(fā)生疲勞破壞。分析和試驗(yàn)證明，依靠提升支座安裝位置的高度來消除故障的方法不可行。

4.2 增大摩擦系數(shù)

根據(jù)式（3）可知，摩擦力矩Mf與摩擦系數(shù)μ成正比關(guān)系，摩擦系數(shù)的大小直接影響摩擦力矩。經(jīng)典摩擦理論指出，摩擦系數(shù)是包含表面粗糙度等因素在內(nèi)的綜合反映。摩擦副的2種材料確定后，摩擦系數(shù)已經(jīng)固定，無法提升。針對(duì)具體使用情況，毛氈在長時(shí)間與氣瓶表面的摩擦中損耗較大，使其厚度變薄，表面變光滑，導(dǎo)致毛氈對(duì)氣瓶表面的實(shí)際摩擦系數(shù)小于初始狀態(tài)的摩擦系數(shù)0.22。

增大摩擦系數(shù)的可能途徑是改變摩擦副的材料。由于被固定的氮?dú)馄勘砻娲植诙炔荒芨淖?，惟一可行的方法是將毛氈更換為其他材料。

5 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

5.1 針對(duì)性措施

根據(jù)前文分析，可能采取的針對(duì)措施主要有：增大碟形彈簧的彈力；提升支座組件安裝位置的高度；更換毛氈為更高摩擦系數(shù)、更耐磨的材料。

增大碟形彈簧力值需要重新設(shè)計(jì)碟形彈簧，同時(shí)需要更大的安裝空間，現(xiàn)有發(fā)射裝置的殼體無法提供更大的可用空間，也不符合改進(jìn)原則。

提高安裝位置的措施簡單，但受發(fā)射裝置的殼體空間所限，提高的量有限，不能徹底解決問題。

將毛氈更換為更高摩擦系數(shù)、更耐磨的材料是合適的選擇。該方案符合改進(jìn)的原則，外場能夠方便快捷地實(shí)施，簡單易行；完全保持現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式；沒有添加新的零部件。

綜合考慮，確定改進(jìn)方案為將想在使用的毛氈更換為橡膠［2］材料。改進(jìn)需要考慮的問題：橡膠的摩擦系數(shù)；長時(shí)間使用時(shí)橡膠的耐損耗度（厚度變化）；橡膠與金屬件的連接；橡膠老化性能。

經(jīng)過對(duì)比分析，確定牌號(hào)為試5171。該種橡膠與氣瓶表面之間的摩擦系數(shù)（0.9）大與毛氈（0.22）。其主要用途為航空耐油件，廣泛用語航空航天領(lǐng)域，在長時(shí)間使用過程中，不會(huì)發(fā)生厚度變薄，耐損耗度較好。橡膠與金屬件的連接可采用硫化方式。

根據(jù)毛氈和橡膠對(duì)氣瓶表面的摩擦系數(shù)，不改變正壓力FN，由式（3）有：

Mf毛為毛氈對(duì)氣瓶表面的摩擦力矩；Mf橡為橡膠對(duì)氣瓶表面的摩擦力矩。

根據(jù)緊固方式可知，摩擦力有兩處，弧形壓板與氣瓶接觸面和支座組件與氣瓶接觸面。若將毛氈改為橡膠，更改前后摩擦力矩的比值為：

K1為將一處毛氈改為橡膠后摩擦力矩的比值；K2為將兩處毛氈改為相交后摩擦力矩的比值。

根據(jù)以上分析，提出兩種改進(jìn)方案，方案一更換支座組件上的毛氈，摩擦力矩增大至原來的254%。方案二更換支座組件和弧形壓板上的毛氈，摩擦力矩增大至原來的409%。支座組件拆裝相對(duì)簡單；而弧形壓板屬于固緊裝置組件的一部分，更換時(shí)需要將整個(gè)固緊裝置拆散。固緊裝置組件結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，拆裝困難，對(duì)外場而言工作量很大。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于方案二產(chǎn)生的摩擦力矩大于方案一。試驗(yàn)驗(yàn)證針對(duì)方案一進(jìn)行。圖5為支座組件上毛氈改為橡膠前后的實(shí)物對(duì)比圖。試驗(yàn)驗(yàn)證包括內(nèi)場試驗(yàn)［5］、外場試驗(yàn)及橡膠老化性能對(duì)比試驗(yàn)3個(gè)方面。試驗(yàn)項(xiàng)目包括振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、抖振試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、霉菌及鹽霧試驗(yàn)和橡膠老化性能對(duì)比試驗(yàn)。

圖5 毛氈改為橡膠前后的實(shí)物對(duì)比

5.2.1 內(nèi)場試驗(yàn)

內(nèi)場試驗(yàn)主要驗(yàn)證振動(dòng)、沖擊和抖振環(huán)境下氣瓶緊固效果是否良好，氣瓶拆裝是否順利，橡膠與支座粘附是否正常；高低溫、霉菌及鹽霧試驗(yàn)后橡膠是否有嚴(yán)重的氣泡、開裂、脫落和其他缺陷，橡膠與支座粘附是否正常。振動(dòng)、沖擊及抖振試驗(yàn)針對(duì)按照方案一完成改進(jìn)后的整臺(tái)發(fā)射裝置進(jìn)行。高低溫、霉菌及鹽霧試驗(yàn)針對(duì)改進(jìn)后的支座組件進(jìn)行。

振動(dòng)、沖擊和抖振試驗(yàn)后氣瓶緊固良好，沒有發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象，拆裝正常，橡膠與支座粘附正常；高低溫、霉菌及鹽霧試驗(yàn)后橡膠沒有嚴(yán)重的氣泡、開裂、脫落和其他缺陷，橡膠與支座粘附正常。

5.2.2 外場試驗(yàn)

外場試驗(yàn)選擇在發(fā)生故障的外場站按照原飛行條件進(jìn)行。驗(yàn)證實(shí)際使用條件下，氣瓶緊固效果，氣瓶拆裝是否順利，橡膠與支座粘附是否正常。

對(duì)外場反映氣瓶松動(dòng)的發(fā)射裝置，按照方案一完成改進(jìn)。進(jìn)行10架次飛行后氣瓶未發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象，氣瓶拆裝順利，橡膠與支座粘附正常。用戶對(duì)改進(jìn)措施反映良好，要求盡快實(shí)施改進(jìn)。

5.2.3 橡膠老化性能對(duì)比試驗(yàn)

針對(duì)橡膠的老化，在北京301所進(jìn)行了改進(jìn)后支座上橡膠的加速老化對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示：

a.橡膠沒有發(fā)生開裂，觀察無粉化現(xiàn)象。

b.摩擦系數(shù)相對(duì)于老化前沒有減小，而是增大。

c.橡膠5171與橡膠P127老化速率相當(dāng)，類比分析橡膠5171的使用壽命滿足20年要求。

試驗(yàn)證明方案一可行。確定解決措施為方案一，即將支座組件上的毛氈更改為橡膠。

5.3 外場實(shí)施效果

從2008年11月開始對(duì)出現(xiàn)氣瓶松動(dòng)的發(fā)射裝置陸續(xù)完成改進(jìn)，目前未有此類故障出現(xiàn)。

6 結(jié)束語

針對(duì)某型發(fā)射裝置氣瓶松動(dòng)故障，分析可能導(dǎo)致故障的因素，定位了故障原因，并根據(jù)故障原因及改進(jìn)原則，確定解決方案為將毛氈更換為橡膠。通過理論分析及內(nèi)外場試驗(yàn)，驗(yàn)證了該改進(jìn)措施的有效性。根據(jù)2008年底至今的外場反饋，改進(jìn)后的發(fā)射裝置為出現(xiàn)氣瓶松動(dòng)的現(xiàn)象，說明改進(jìn)是成功的。

［1］廖志忠，徐日洲，吳繼海，等.空空導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

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