某艦炮揚(yáng)彈系統(tǒng)過載問題研究

鄭 剛，邵中年，羅戰(zhàn)寧

（1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西 西安 710054；2.北方重工集團(tuán)，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

揚(yáng)彈系統(tǒng)是大口徑火炮的重要組成部分，某火炮的揚(yáng)彈系統(tǒng)多次發(fā)生故障，通過認(rèn)真研究和細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)該火炮射擊停射的原因是作為壽命件的保險(xiǎn)鍵被切斷。經(jīng)過對該火炮揚(yáng)彈系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)保險(xiǎn)鍵被剪斷的現(xiàn)象進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)分析和研究，通過采取合理可行的技術(shù)措施與改進(jìn)方案，以保證某火炮長期保持戰(zhàn)斗力，解決揚(yáng)彈系統(tǒng)技術(shù)瓶頸問題。

1 故障現(xiàn)象

某火炮揚(yáng)彈系統(tǒng)在出現(xiàn)意外卡彈時(shí)，為了不造成相關(guān)零件的損壞，原設(shè)計(jì)供彈系統(tǒng)在傳動(dòng)裝置中設(shè)置了保險(xiǎn)鍵，如圖1所示。當(dāng)意外情況出現(xiàn)，傳遞動(dòng)力瞬間增大時(shí)，因過載保險(xiǎn)鍵的傳遞動(dòng)力達(dá)到剪切值被適時(shí)剪斷，從而起到保護(hù)其他零、部件不受損壞的作用［1］。在正常輸彈情況下，傳遞動(dòng)力低于保險(xiǎn)鍵的剪切值，保險(xiǎn)鍵不應(yīng)被剪斷，以保證火炮的正常射擊。但某火炮在沒有出現(xiàn)卡彈等意外情況下，揚(yáng)彈機(jī)在正常揚(yáng)彈過程中，保險(xiǎn)鍵被頻繁剪斷，造成射擊中斷故障，因而保證不了火炮的正常使用。保險(xiǎn)鍵被剪斷說明揚(yáng)彈系統(tǒng)所傳遞的動(dòng)力一定超過了該保險(xiǎn)鍵的剪切許用值，雖然沒有出現(xiàn)明顯卡彈或卡滯等意外現(xiàn)象，但傳動(dòng)裝置的阻力已使傳遞動(dòng)力進(jìn)入超過載工作狀態(tài)。

圖1 保險(xiǎn)鍵位置圖

2 故障原因分析

2.1 機(jī)械傳遞運(yùn)動(dòng)的磨損造成傳動(dòng)鏈空回大

某火炮揚(yáng)彈機(jī)垂直傳送機(jī)構(gòu)和水平傳送機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)為鏈條和鏈輪傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)特點(diǎn)為：炮彈每完成一個(gè)彈位的傳遞，傳動(dòng)系統(tǒng)的鏈輪與鏈條先后做正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的換向運(yùn)動(dòng)，使傳動(dòng)鏈上聯(lián)軸器不斷進(jìn)行正、反向的動(dòng)力傳遞。長期使用后，鏈節(jié)會(huì)因磨損使鏈條的周節(jié)變大，鏈條所有變大的周節(jié)累計(jì)后導(dǎo)致鏈輪傳動(dòng)產(chǎn)生空回量，此空回量會(huì)使傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生瞬間沖擊力，該沖擊力隨空回量的增加而增大。頻繁的換向使安裝在聯(lián)軸器上的保險(xiǎn)鍵不斷承受正、反向的瞬間沖擊，該沖擊力使保險(xiǎn)鍵剪切面的工作條件惡化，保險(xiǎn)鍵承受反復(fù)不斷的沖擊容易產(chǎn)生疲勞斷裂，導(dǎo)致保險(xiǎn)鍵的剪切壽命降低。

2.2 磕碰沖撞引起局部變形及相互運(yùn)動(dòng)表面缺乏潤滑摩擦阻力增大

在炮彈傳遞中，揚(yáng)彈機(jī)垂直傳送機(jī)構(gòu)和水平傳送機(jī)構(gòu)及其傳送通道，參與機(jī)構(gòu)動(dòng)作與運(yùn)動(dòng)的零、部件有很多，而傳送通道、結(jié)構(gòu)件、導(dǎo)軌等局部變形；磕碰引起的毛刺、突起；所有相互運(yùn)動(dòng)零、部件的摩擦表面、運(yùn)動(dòng)副的配合表面若存在不清潔的部位或潤滑不到的部位，都會(huì)使相互運(yùn)動(dòng)不順暢或形成干摩擦產(chǎn)生阻滯，甚至產(chǎn)生憋卡現(xiàn)象，導(dǎo)致相互運(yùn)動(dòng)的表面摩擦阻力增大，所有參與運(yùn)動(dòng)的表面摩擦阻力疊加后，摩擦力不斷增大以致造成傳遞動(dòng)力隨之增大，保險(xiǎn)鍵剪切面的受力也不斷變大，而安裝在聯(lián)軸節(jié)的保險(xiǎn)鍵在超大負(fù)荷的狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)力傳遞，時(shí)間長了易使保險(xiǎn)鍵發(fā)生疲勞磨損和裂紋，也會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)鍵的剪切壽命降低，進(jìn)而發(fā)生斷裂故障影響使用。

2.3 自制保險(xiǎn)鍵壽命低

自制保險(xiǎn)鍵是在俄制保險(xiǎn)鍵的基礎(chǔ)上研制的。國產(chǎn)保險(xiǎn)鍵剪切面的極限剪切值的范圍確定是否合理，當(dāng)前還沒有完整的資料或者標(biāo)準(zhǔn)確定上下限。其保險(xiǎn)鍵的材料和熱處理狀態(tài)直接影響剪切力的大小，此力過大會(huì)造成機(jī)構(gòu)零件的損壞，相反此力過小會(huì)造成傳遞動(dòng)力經(jīng)常超過保險(xiǎn)鍵的許用值，造成保險(xiǎn)鍵被剪斷，使保險(xiǎn)鍵無法達(dá)到保證揚(yáng)彈機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作400 次的壽命指標(biāo)。因此保險(xiǎn)鍵剪切面的極限剪切值的確定必須進(jìn)行深入研究。

3 解決揚(yáng)彈機(jī)系統(tǒng)過載故障的技術(shù)措施

3.1 對火炮揚(yáng)彈系統(tǒng)進(jìn)行全面檢修

分解、檢測傳送裝置的所有相關(guān)零、部件，包括鏈條與鏈輪。根據(jù)檢測結(jié)果，確定磨損嚴(yán)重的零件，用備件進(jìn)行更換；對所有揚(yáng)彈系統(tǒng)參與傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副、鏈輪、鏈條、齒輪、軸承、彈簧帽、滑動(dòng)導(dǎo)軌、傳動(dòng)軸及有相對運(yùn)動(dòng)的零、部件及部位定期進(jìn)行潤滑，擦拭灰塵和雜物的清理；對難以進(jìn)行定期潤滑和擦拭的部位，針對具體情況與條件制定技術(shù)方案，采取措施，保證揚(yáng)彈系統(tǒng)所有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部位能夠進(jìn)行定期潤滑。

3.2 保險(xiǎn)鍵剪切力的確定

某保險(xiǎn)鍵頻繁切斷，其最終原因是保險(xiǎn)鍵所傳遞的動(dòng)力超過或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該保險(xiǎn)鍵的許用剪切值［2］，因此確定保險(xiǎn)鍵的剪切力許用范圍，對于保證保險(xiǎn)鍵的壽命指標(biāo)和解決揚(yáng)彈系統(tǒng)保險(xiǎn)鍵頻繁切斷故障尤為重要。

3.2.1 保險(xiǎn)鍵剪切力的校核與確定原則

嚴(yán)格控制保險(xiǎn)鍵剪切力，并考慮火炮長期服役后輸彈條件的惡化，有必要將剪切力適當(dāng)調(diào)整，使其既要滿足保險(xiǎn)鍵承受揚(yáng)彈機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)作400 次的壽命指標(biāo)，又要確保揚(yáng)彈系統(tǒng)出現(xiàn)卡滯時(shí)對各傳動(dòng)部位的零、部件進(jìn)行可靠保護(hù)。因此剪切力的確定值，既要科學(xué)又要合理可靠。根據(jù)使用要求，我們可以確定保險(xiǎn)鍵原則如下：

原則1：保險(xiǎn)鍵剪切力最大值確定應(yīng)根據(jù)最薄弱處計(jì)算；

原則2：保險(xiǎn)鍵剪切力最小值確定應(yīng)根據(jù)使用要求并具備一定安全系數(shù)下確定。

3.2.2 剪切力許用值的分析

1）根據(jù)原則1，通過對揚(yáng)彈機(jī)垂直傳送裝置和水平傳送裝置的研究與分析，傳動(dòng)鏈中的最薄弱環(huán)節(jié)是水平大滑架傳動(dòng)鏈條［3－4］，該鏈條的極限載荷為21.8kN，經(jīng)過反計(jì)算由水平大滑架傳動(dòng)鏈條折合到聯(lián)軸器保險(xiǎn)鍵上的傳動(dòng)力［5］為28kN。由于鏈條的極限載荷值在設(shè)計(jì)中以留有一定的安全系數(shù)，因此在計(jì)算中只要我們對應(yīng)的保險(xiǎn)鍵小于或等于該計(jì)算值即可確定保險(xiǎn)鍵的最大值。

由保險(xiǎn)鍵應(yīng)在系統(tǒng)出現(xiàn)卡滯時(shí)保護(hù)薄弱環(huán)節(jié)的原則，可得出此處受力應(yīng)為靜力問題，根據(jù)傳遞力矩平衡以及圖2～圖4可列出如下方程。

保險(xiǎn)鍵卡滯時(shí)的剪力（最大剪力）Pb1為

式中：Fm為揚(yáng)彈機(jī)鏈輪極限載荷；R為保險(xiǎn)鍵裝配半徑；Rd為鏈輪的分度圓半徑；n2～n7為減速箱齒輪齒數(shù)。

圖3 保險(xiǎn)鍵傳遞力矩示意圖

2）根據(jù)原則2，通過對揚(yáng)彈機(jī)系統(tǒng)工作原理的分析，揚(yáng)彈機(jī)要想正常工作其保險(xiǎn)鍵最小的傳遞力矩要能滿足其工作要求，因此該問題為動(dòng)平衡問題。根據(jù)圖2～圖4以及功率相等原理，可列出如下方程。

保險(xiǎn)鍵工作時(shí)的剪力（最小剪力）Pb2為

式中：Fd揚(yáng)彈時(shí)鏈條受力（重力和加速力）；md為彈丸質(zhì)量；a揚(yáng)彈加速度；g重力加速度；η1、η2、η3分別為齒輪組之間的傳遞效率。

3）保險(xiǎn)鍵許用力計(jì)算與驗(yàn)證：根據(jù)原則1和原則2，保險(xiǎn)鍵剪力P的取值范圍為：

式中：［τ］為保險(xiǎn)鍵的材料性質(zhì)；A為保險(xiǎn)鍵剪切面積。

為了保證保險(xiǎn)鍵工作具有一定安全性，我們可將保險(xiǎn)鍵的理論取值具體化，我們給其正常工作下的剪力以3倍的安全系數(shù)以保證其能正常工作并能滿足公式（3）的要求。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和1 000余次揚(yáng)彈試驗(yàn)，最終確定了該型艦炮保險(xiǎn)鍵剪切力許用值的上下限：上限為26.15kN，下限為24.83kN。在保險(xiǎn)鍵材料為35＃鋼［6］不變的情況下可根據(jù)公式（4）計(jì)算出保險(xiǎn)銷的剪切面積從而可設(shè)計(jì)出優(yōu)化后的保險(xiǎn)銷。

4 結(jié)論

經(jīng)過對某火炮揚(yáng)彈系統(tǒng)長期的研究和分析，針對保險(xiǎn)鍵因過載被頻繁剪斷的故障，進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究，從故障發(fā)生的根源，有針對性地提出技術(shù)措施與改進(jìn)方案。針對揚(yáng)彈系統(tǒng)傳動(dòng)裝置工作條件的惡化，提出研制保險(xiǎn)鍵的的改進(jìn)措施，并對保險(xiǎn)鍵研制的原則和許用值的上下限進(jìn)行了深入研究，得出了最佳結(jié)果，降低了揚(yáng)彈系統(tǒng)的故障率，延長了保險(xiǎn)鍵的使用壽命，取得了較好的使用效果，為長久保持該艦炮的戰(zhàn)斗力做出了重要貢獻(xiàn)。

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