某轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)異常發(fā)射故障分析

戴 涌,張國平,王茂林,楊 東

(1.國營第497廠，重慶 400071； 2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

1 異常射出1發(fā)彈故障現(xiàn)象

在某自動(dòng)機(jī)研制過程中，短時(shí)間各種點(diǎn)射長度機(jī)構(gòu)均動(dòng)作正常，但在戰(zhàn)斗射速射擊試驗(yàn)時(shí)，連續(xù)6次點(diǎn)射均一切正常，第7次點(diǎn)射(第94發(fā)時(shí))擊發(fā)不響，間隔數(shù)秒該次點(diǎn)射的第1發(fā)彈射出，其后停射，造成射擊安全隱患。射擊時(shí)共裝彈400發(fā)， 5、10、15、33、15、15、10連發(fā)點(diǎn)射為1個(gè)射擊循環(huán)，只要液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到14 MPa立即進(jìn)行射擊。在第1個(gè)射擊循環(huán)的第7次10連發(fā)點(diǎn)射時(shí)、第2個(gè)射擊循環(huán)的第6次15連發(fā)點(diǎn)射時(shí)，出現(xiàn)擊發(fā)不響、隔一段時(shí)間后射出1發(fā)彈出現(xiàn)故障，具體測試數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，該故障有如下特征：

1)射速隨點(diǎn)射次數(shù)增加而不斷降低。

2)擊發(fā)電磁閥通電到首發(fā)彈擊發(fā)之間的時(shí)間間隔ΔtFJ隨點(diǎn)射次數(shù)增加而不斷增長。

3)身管溫度隨點(diǎn)射次數(shù)增加而不斷增加，出現(xiàn)擊發(fā)后不響，隔數(shù)十秒后射出1發(fā)彈出現(xiàn)問題時(shí)身管口部溫度達(dá)到260～347 ℃。

表1 戰(zhàn)斗射速試驗(yàn)時(shí)的測試數(shù)據(jù)

注:1.ΔtFJ為擊發(fā)電磁閥通電到首發(fā)彈擊發(fā)之間的時(shí)間間隔; 2.表中各次點(diǎn)射后的身管口部外側(cè)溫度是用測溫傳感器測得的瞬時(shí)溫度值。

2 異常射出1發(fā)彈故障樹診斷

2.1 轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)工作過程分析

某自動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)膛工作原理，自動(dòng)機(jī)的工作過程如下[1-2]：從膛內(nèi)導(dǎo)出的火藥氣體驅(qū)動(dòng)自動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)件(如轉(zhuǎn)膛滑板等)向后運(yùn)動(dòng)，在輸彈簧的推力作用下，輸彈滑筒帶動(dòng)轉(zhuǎn)膛滑板向前運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)膛滑板通過曲線槽驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)膛軸和齒輪，帶動(dòng)撥彈輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，依次完供彈、輸彈、擊發(fā)、抽拋殼等機(jī)構(gòu)動(dòng)作。轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)是轉(zhuǎn)膛體和身管分離，供彈、輸彈、閉鎖擊發(fā)、抽殼、拋殼等循環(huán)動(dòng)作重疊進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)單管自動(dòng)機(jī)高射速發(fā)射。

身管和轉(zhuǎn)膛體裝在炮箱上，轉(zhuǎn)膛體為四膛結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)膛滑板后坐和復(fù)進(jìn)過程中，轉(zhuǎn)膛體各轉(zhuǎn)動(dòng)45°。轉(zhuǎn)膛滑板復(fù)進(jìn)到距前端40 mm位置，轉(zhuǎn)膛體中的1個(gè)彈膛與身管軸線對齊并保持至轉(zhuǎn)膛滑板復(fù)進(jìn)到零位。每射擊1發(fā)彈，轉(zhuǎn)膛體都要轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其中1個(gè)彈膛與身管中心對齊，彈膛內(nèi)有1個(gè)活動(dòng)的轉(zhuǎn)膛襯套，在火藥氣體推彈彈丸向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，推動(dòng)轉(zhuǎn)膛襯套向前，使其前端面抵在身管襯套的后端面上，防止火藥氣體從兩襯套端面逸出。轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)膛襯套縮回。轉(zhuǎn)膛體的襯套孔和轉(zhuǎn)膛襯套的設(shè)計(jì)應(yīng)保證轉(zhuǎn)膛襯套的運(yùn)動(dòng)靈活性和閉氣性。

2.2 引起異常射出1發(fā)彈故障因素分析

根據(jù)出現(xiàn)擊發(fā)不響、間隔數(shù)十秒后異常射擊1發(fā)彈的故障現(xiàn)象和轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)的工作原理，分析了自動(dòng)機(jī)射擊過程，緊緊圍繞可能產(chǎn)生累積效應(yīng)的因素，堅(jiān)持理論分析為主導(dǎo)，測試和試驗(yàn)驗(yàn)證并舉，采用故障樹診斷方法[3-4]，分析得出異常射擊故障的各種可能原因，可建立如圖1所示的故障樹。

同時(shí)逐一排查故障可能發(fā)生的原因，確定故障發(fā)生的真正部位及原因。利用現(xiàn)有可能的技術(shù)手段，進(jìn)行了大量分析測試工作，包括炮箱位移、主動(dòng)滑板位移、主撥彈輪轉(zhuǎn)速(揚(yáng)彈速率)、輔撥彈輪轉(zhuǎn)角、液壓系統(tǒng)主回路壓力、擊發(fā)油缸壓力、開閂油缸回油壓力(背壓)、擊發(fā)控制信號、阻鐵解脫/抬起極限位置信號、擊發(fā)機(jī)推桿抬起/降落極限位置信號及視頻、供彈機(jī)彈帶運(yùn)動(dòng)視頻、拋鏈狀態(tài)視頻、開閂油缸活塞桿狀態(tài)視頻、彈箱旋轉(zhuǎn)和彈帶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)視頻等20路信號的測試、監(jiān)測和分析。

經(jīng)過反復(fù)檢測排查，發(fā)現(xiàn)射擊過程中電源電壓正常；射擊控制時(shí)序和動(dòng)作信號符合設(shè)計(jì)要求，工作正常；擊發(fā)機(jī)推桿上升到位、回位及時(shí)，擊發(fā)機(jī)構(gòu)(包括擊發(fā)油缸)工作滿足射擊要求；扣機(jī)阻鐵運(yùn)動(dòng)靈活、解脫和復(fù)位可靠。針對抽殼位置的轉(zhuǎn)膛襯套與炮箱摩擦阻力矩偏大問題，在炮箱上產(chǎn)生摩擦阻力矩的部位加工了減阻環(huán)形槽，效果不明顯。針對彈鏈與撥彈機(jī)蓋干涉問題，在撥彈機(jī)蓋上銑出讓位槽，以減小彈鏈背部加強(qiáng)筋與撥彈機(jī)蓋板的摩擦，收效甚微。針對輸彈簧導(dǎo)桿變形問題，將輸彈簧導(dǎo)桿直徑由Ф14 mm增加至Ф17.1 mm以增加導(dǎo)桿的強(qiáng)度和剛度，將導(dǎo)桿前端加長、后端增加限位臺階，使導(dǎo)桿前端插入輸彈機(jī)外筒的中心定位孔以增加導(dǎo)桿對輸彈簧的導(dǎo)向性，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)射速依舊隨多次點(diǎn)射后在逐漸降低，故障現(xiàn)象依舊。因此可以斷定上述因素不是引起異常停射故障的主要原因。

根據(jù)故障現(xiàn)象及其現(xiàn)象特征，初步判定異常射出1發(fā)彈故障的主要原因是轉(zhuǎn)膛體、轉(zhuǎn)膛襯套、炮箱和身管襯套在多次急促點(diǎn)射過程中，溫度急劇上升，導(dǎo)致這些零件熱膨脹變形，使轉(zhuǎn)膛襯套擠到炮箱腔室前端面，增大轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)阻力矩，有可能導(dǎo)致?lián)舭l(fā)不響、間隔數(shù)十秒后異常射擊1發(fā)彈的故障。

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)膛體和轉(zhuǎn)膛襯套熱膨脹可能引起異常發(fā)射故障，采用相關(guān)零件熱膨脹量計(jì)算和結(jié)構(gòu)尺寸鏈計(jì)算、熱膨脹檢測試驗(yàn)方法、射擊驗(yàn)證試驗(yàn)來證明上述原因分析的正確性。

2.3 相關(guān)零件熱膨脹檢測試驗(yàn)

由于條件限制，僅對轉(zhuǎn)膛襯套、身管襯套、轉(zhuǎn)膛體的熱膨脹量進(jìn)行了試驗(yàn)檢測。

轉(zhuǎn)膛襯套和身管襯套的材料為X2NiCoMo18-9-5(熱時(shí)效鋼)，轉(zhuǎn)膛體材料為16Co14Ni10Cr2Mo(AF1410)，炮箱的材料為PCrNi3MoVA(未作熱膨脹試驗(yàn))。

采用電阻爐加熱，采用紅外測溫儀測量試件冷卻過程的溫度，用精度0.02 mm的卡尺測量其長度。

轉(zhuǎn)膛襯套和身管襯套加熱溫度分別為100、160、210、290 ℃，保溫20～30 min出爐后測量每個(gè)加熱溫度下的總長度變化情況(見圖2和圖3)。轉(zhuǎn)膛體加熱到250 ℃，保溫30 min出爐后測量每個(gè)溫度下的總長度變化情況(見圖4)。

按測試結(jié)果回歸得到轉(zhuǎn)膛襯套和身管襯套材料的線膨脹系數(shù)為α=11.03×10-6(材料供應(yīng)單位提供的α=10.10×10-6)，轉(zhuǎn)膛體材料的線膨脹系數(shù)為α=11.83×10-6(材料供應(yīng)單位提供的熱膨脹系數(shù)α=10.40×10-6)。

2.4 相關(guān)零件熱膨脹計(jì)算

轉(zhuǎn)膛襯套、身管襯套、轉(zhuǎn)膛體、炮箱的裝配關(guān)系如圖5所示。根據(jù)尺寸鏈計(jì)算和實(shí)測，相關(guān)部位的間隙和實(shí)測間隙見表2，熱膨脹計(jì)算原始數(shù)據(jù)見表3。

轉(zhuǎn)膛襯套和身管襯套的熱膨脹量計(jì)算按公式(1)計(jì)算。求得轉(zhuǎn)膛襯套的熱膨脹量為Δ1=407.5 μm，身管襯套的熱膨脹量為Δ2=58.4 μm。

Δ=α·l

(1)

炮箱和轉(zhuǎn)膛體的熱膨脹量用有限元方法計(jì)算。求得轉(zhuǎn)膛體的熱膨脹量為Δ3=222.3 μm，炮箱的熱膨脹量為Δ4=193.4 μm。

表2 相關(guān)部位間隙的計(jì)算和實(shí)測結(jié)果

表3 計(jì)算的原始數(shù)據(jù)

炮箱腔室與轉(zhuǎn)膛襯套之間的熱變形過盈量為:

Δgy=Δ1+Δ2+Δ3-Δ4-Δjx=32.3 μm

2.5 熱膨脹量產(chǎn)生的阻力矩計(jì)算分析

由于熱膨脹產(chǎn)生相關(guān)零部件的過盈量與轉(zhuǎn)膛襯套作用于炮箱腔室前端面擠壓力F的計(jì)算公式為：

F=EAΔgy/L

(2)

式中：E為材料彈性模量；A為轉(zhuǎn)膛襯套橫截面面積；Δgy為過盈量；L轉(zhuǎn)膛襯套總長。

當(dāng)E=1.89×105MPa,A=956.4 mm2，Δgy=32.3 μm ,L=155.8 mm時(shí)，求得的擠壓力F為37 474.6 N。取轉(zhuǎn)膛襯套與炮箱腔室前端面的摩擦系數(shù)f=0.15，轉(zhuǎn)膛襯套中心線到轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)軸中心的半徑r=50 mm，則該擠壓力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)阻力矩為：

TR=F·f·r=281.06 N·m

在掛機(jī)位置，兩根輸彈作用于主動(dòng)滑板上的力為Fh=2 800 N。此時(shí)滾輪與轉(zhuǎn)膛滑板曲線槽的壓力角為42.92°，滾輪中心到轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)軸中心的半徑Rgl=95.0 mm，則輸彈簧使轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)的主動(dòng)力矩為：

TR=Fh·ctanβ·Rgl=242.72 N·m

由于熱膨脹產(chǎn)生的轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)阻力矩大于輸彈簧使轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)的主動(dòng)力矩，因此出現(xiàn)擊發(fā)不響、間隔一段時(shí)間射出1發(fā)彈故障現(xiàn)象。只要相關(guān)零部件熱膨脹量達(dá)到一定程度，轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)阻力矩大于主動(dòng)力矩，就會(huì)出現(xiàn)上述類似停射故障，這與1次點(diǎn)射長度和單位時(shí)間內(nèi)射彈發(fā)數(shù)有關(guān)。

3 解決措施

經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)排查驗(yàn)證，在排除引起該故障的其他因素后，確定了引起故障的部位和機(jī)理。其原因是由于轉(zhuǎn)膛體、轉(zhuǎn)膛襯套、身管襯套與炮箱腔室前端面之間的預(yù)留(設(shè)計(jì))間隙較小，在多次長連發(fā)急促點(diǎn)射后，相關(guān)零部件的溫度不斷升高，產(chǎn)生軸向熱膨脹變形，轉(zhuǎn)膛襯套擠壓在炮箱腔室前端面，使轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)阻力矩增大，當(dāng)轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)阻力矩大于輸彈簧賦予轉(zhuǎn)膛體的主動(dòng)力矩時(shí)，即使阻鐵解脫主動(dòng)滑板，主動(dòng)滑板也不會(huì)迅速復(fù)進(jìn)；隨著溫度降低、熱膨脹產(chǎn)生的阻力矩減小，輸彈簧推彈主動(dòng)滑板驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)滑板復(fù)進(jìn)到位擊發(fā)炮彈，從而導(dǎo)致?lián)舭l(fā)后間隔一段時(shí)間異常射擊1發(fā)彈的故障發(fā)生。在相關(guān)零部件的尺寸鏈計(jì)算和身管口部400℃條件下熱變形、受力分析基礎(chǔ)上，確定了解決措施，即將轉(zhuǎn)膛襯套的長度減小0.5 mm，其他零件尺寸不變。

4 故障復(fù)現(xiàn)及改進(jìn)措施驗(yàn)證

為了驗(yàn)證故障定位的準(zhǔn)確性、機(jī)理是否清楚，進(jìn)行了故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。裝100發(fā)訓(xùn)練彈加60發(fā)教練彈， 采用5、10、15、33、15、15、10、7連發(fā)點(diǎn)射方式，只要液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值立即進(jìn)行射擊。在第7次10連發(fā)點(diǎn)射時(shí)，擊發(fā)不響、間隔16.8 s后射出1發(fā)彈，其規(guī)律和特點(diǎn)與表1完全相同，故障得到復(fù)現(xiàn)。

采取改進(jìn)措施后，分別裝110發(fā)訓(xùn)練彈加60發(fā)教練彈和120發(fā)訓(xùn)練彈加60發(fā)教練彈(3次)，按 5、10、15、33、15、15、10、不控方式連發(fā)點(diǎn)射和8個(gè)15發(fā)方式點(diǎn)射，射擊120發(fā)彈累計(jì)時(shí)間ts=46.9～55.5 s，再未出現(xiàn)擊發(fā)不響、間隔數(shù)秒后射出1發(fā)彈故障。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：采取改進(jìn)措施后射速隨點(diǎn)射次數(shù)在不斷增加，后期達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；擊發(fā)啟動(dòng)信號到首發(fā)彈擊發(fā)之間的時(shí)間間隔ΔtFJ在各次點(diǎn)射時(shí)基本相同，說明改進(jìn)措施有效，故障問題得到徹底解決。

針對轉(zhuǎn)膛襯套長度減短0.5 mm會(huì)不會(huì)引起初速下降問題，專門進(jìn)行了長短轉(zhuǎn)膛襯套的初速檢測試驗(yàn)。使用原長度轉(zhuǎn)膛襯套的初速為1 142.1 m/s, 使用長度減短0.5 mm的轉(zhuǎn)膛襯套的初速為1 142.9 m/s，相差0.8 m/s，說明轉(zhuǎn)膛襯套長度減短0.5 mm對初速幾乎沒有影響。

5 結(jié) 論

自動(dòng)機(jī)出現(xiàn)擊發(fā)不響、間隔數(shù)秒后又射出1發(fā)彈故障，可能會(huì)造成射擊安全隱患。根據(jù)該自動(dòng)機(jī)的工作原理，建立了其故障模式，采用故障樹診斷方法，分析了可能產(chǎn)生故障的原因。經(jīng)過多方排查驗(yàn)證，最終原因是轉(zhuǎn)膛體襯套與炮箱的軸向間隙預(yù)留不足，多次點(diǎn)射引起轉(zhuǎn)膛襯套溫度升高而膨脹，導(dǎo)致轉(zhuǎn)膛體摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩大于輸彈簧的驅(qū)動(dòng)力矩，造成異常射出1發(fā)彈故障。故障機(jī)理清楚、定位準(zhǔn)確、采取的解決措施有效，擊發(fā)不響、間隔數(shù)秒后射出1發(fā)彈問題已得到徹底解決。解決該故障問題的思路及方法對其他產(chǎn)品研制具有借鑒意義，同時(shí)建議在自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，受熱運(yùn)動(dòng)零件之間應(yīng)留有適當(dāng)間隙，以保證在射擊規(guī)范規(guī)定條件下自動(dòng)機(jī)正常工作。

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