火工品反復(fù)拆裝使用與驗證方法研究

丁 華 ，龍 軍 ，梅 輝 ，雷 波

（1. 第二炮兵駐692廠軍事代表室，四川 瀘州，646005；2. 中國航天科技集團公司七院六九二廠，四川 瀘州，646005）

導(dǎo)彈火工品在實際使用過程中由于使用和維護的需要，存在從彈上拆卸和再次安裝的情況?；鸸て肥且淮涡允褂玫母呖煽啃?、高安全性產(chǎn)品，如果在拆卸和重復(fù)安裝過程中對火工品本身帶來了損傷，將降低火工品在使用中的安全性和可靠性，甚至?xí)斐蓢乐氐氖鹿?；又因為火工品進行過安裝，拆卸后未達到使用壽命就提前退役，這不僅將帶來大量的經(jīng)濟損失，而且會給導(dǎo)彈的維護以及備件更換等帶來困難，因此需要正確評估產(chǎn)品的反復(fù)拆裝使用性能。

1 典型火工品及安裝模式

導(dǎo)彈在運輸、維護、調(diào)試、總裝過程中，需要拆卸連接部件才能開展后續(xù)工作，例如用于尾罩連接、級間連接的爆炸螺栓；有些出于安全考慮，例如用于發(fā)動機點火的起爆器（點火器），需要拆卸起爆器（點火器）以防止發(fā)動機意外工作。在導(dǎo)彈實際安裝使用維護過程中主要是這兩類火工品需要進行反復(fù)拆裝。

起爆器（點火器）安裝方式主要通過輸出端的螺紋與下一級元件的殼體相連，典型安裝結(jié)構(gòu)見圖1。爆炸螺栓的典型安裝結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 起爆器（點火器）典型安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of initiator(igniter) installation

圖2 爆炸螺栓典型安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic of explosive bolt installation

2 可能存在的失效模式

起爆器（點火器）和爆炸螺栓在反復(fù)拆裝使用過程中，安裝面受到力矩，螺紋受到壓力，螺紋根部受到拉扭組合作用力，這些都可能對產(chǎn)品機械性能帶來損傷，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成影響；在實際操作過程中，螺紋、密封面等接觸面之間的摩擦可能會產(chǎn)生多余物，若進入螺紋配合面，將造成螺紋變形而無法拆卸。因此，可能出現(xiàn)的失效模式主要包括：（1）拆卸過程螺紋咬死，無法正常拆下。由于材料的特性，部分材料之間親和力較強，螺紋之間相互咬死；有些螺紋由于加工原因，螺紋齒之間間隙存在偏差，造成螺紋之間咬合不均，這些均容易造成火工品無法正常拆下；（2）拆卸過程螺栓損傷，無法正常安裝。拆卸過程由于施加力矩過快、用力不均或過猛、安裝時有異物夾在螺紋之間，均有可能造成拆卸過程螺紋損傷；（3）反復(fù)拆裝過程中，破壞了產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)，造成產(chǎn)品功能失效。圖1～2中產(chǎn)品裝藥主要通過插塞、金屬卷邊涂膠等方式進行密封，產(chǎn)品反復(fù)拆裝過程中殼體變形和部分接觸面的擠壓，可能造成內(nèi)部密封面局部破壞，后續(xù)溫濕度變化將造成內(nèi)部裝藥受潮，或產(chǎn)品密封性能下降、輸出能量偏低，影響產(chǎn)品性能，最終造成產(chǎn)品功能失效；（4）反復(fù)拆裝過程中，對機械結(jié)構(gòu)造成了損傷，結(jié)構(gòu)強度下降。如圖2所示，產(chǎn)品施加安裝力矩時，承載分離面會產(chǎn)生較大應(yīng)力，當應(yīng)力較大時可能會對機械結(jié)構(gòu)造成損傷，使產(chǎn)品承載和結(jié)構(gòu)強度下降，影響產(chǎn)品性能；（5）反復(fù)拆裝過程中，由于殼體產(chǎn)生應(yīng)變，造成內(nèi)部裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如提高和降低裝藥密度、造成藥劑混藥等，最終影響產(chǎn)品輸出性能。

3 反復(fù)拆裝的影響

根據(jù)上述失效模式分析，反復(fù)拆裝可能的影響主要有3點：一是螺紋損傷或螺紋咬死，造成產(chǎn)品無法正常安裝或拆卸；二是對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造成影響，包括承載結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)；三是對產(chǎn)品裝藥造成影響。

針對第1點，主要從設(shè)計和實際操作兩方面進行控制，在設(shè)計上避免選用親和力較強的材料，在實際操作過程中控制拆裝力矩，并加強接觸面的清理。

針對第2點，對結(jié)構(gòu)的影響可以進行計算分析，通常采用公式計算和仿真分析相結(jié)合的辦法。施加安裝力矩會給起爆器和螺栓殼體施加一個力矩M，由于螺紋作用，力矩還會給螺栓產(chǎn)生一個軸向的拉力F，如圖3所示。根據(jù)計算結(jié)果和破壞力矩試驗驗證情況，結(jié)構(gòu)破壞通常是由于軸向拉力F造成。

圖3 受力示意圖Fig.3 Diagram of endure force

以某190kN爆炸螺栓為例，按照拉力計算其破壞力矩為M=kDF，式中k為轉(zhuǎn)換系數(shù)，通常為0.1～0.3，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)取0.15；D為螺紋直徑，該螺栓為M24×1.5，取22.376；F為其拉斷力，為190kN，則破壞力矩為638N·m。

通過ANSYS軟件仿真計算，固定螺栓本體六方，對螺母施加600N·m安裝力矩時，螺栓頭根部應(yīng)力最大為1 081MPa，達到了材料強度，應(yīng)力分布見圖4。

針對該爆炸螺栓的使用情況，模擬爆炸螺栓的安裝狀態(tài)設(shè)計破壞力矩試驗，進行破壞力矩驗證，其安裝結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。試驗結(jié)果表明破壞力矩為600～640N·m，均為螺栓頭根部結(jié)構(gòu)破壞，螺栓安裝及結(jié)構(gòu)破壞照片見圖6，根據(jù)破壞力矩試驗結(jié)果，可以明確拆裝力矩，一般拆裝力矩不大于破壞力矩的 1/3，此時產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力較小，根據(jù)仿真分析結(jié)果，最大應(yīng)力不超過400MPa，零件之間無明顯位移。

圖4 破壞力矩仿真分析Fig.4 The simulation analysis of failure moment

圖5 破壞力矩試驗示意圖Fig.5 Schematic of failure moment test

圖6 螺栓破壞照片F(xiàn)ig.6 Photos of the destruction of bolt

針對第3點，可以采用仿真計算分析安裝力矩對裝藥結(jié)構(gòu)的影響，計算裝藥部位各點的應(yīng)變情況，從而對裝藥容腔、藥劑位移情況進行分析。以某點火器為例，其安裝示意圖如圖 1所示，其破壞力矩大于60N·m，安裝力矩為20N·m，通過ANSYS軟件仿真計算，裝藥容腔最大應(yīng)變?yōu)?0.01mm，對裝藥容腔變化和藥劑位移影響非常小，不會對產(chǎn)品輸出性能帶來影響，應(yīng)變分布情況見圖7。

圖7 點火器施加力矩內(nèi)部應(yīng)變仿真分析Fig.7 The simulation analysis of internal strain of igniter applied moment

4 反復(fù)拆裝使用措施

針對反復(fù)拆裝過程可能出現(xiàn)的問題，對反復(fù)拆裝使用的火工品進行分析，建議采取下列措施：

（1）不銹鋼材料之間的親和力較強，非常容易造成螺紋咬死，因此內(nèi)外螺紋材料不能都使用不銹鋼；（2）反復(fù)拆裝過程中，施加力矩用力應(yīng)均勻，拆卸下的產(chǎn)品和零件內(nèi)外螺紋應(yīng)進行清理、檢查，擦掉螺紋上的多余物，避免再次安裝時損傷螺紋，造成螺紋咬死；（3）進行破壞力矩試驗，確定的安裝力矩應(yīng)不大于破壞力矩的 1/3，防止安裝力矩過大，造成螺紋、內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)損傷；（4）進行相關(guān)的反復(fù)拆裝試驗，驗證產(chǎn)品的反復(fù)拆裝性能。

5 反復(fù)拆裝驗證

5.1 反復(fù)拆裝驗證方法

起爆器（點火器）和爆炸螺栓在實際工程應(yīng)用過程中，為了驗證其反復(fù)拆裝性能，通常在產(chǎn)品研制過程中選取一定數(shù)量的產(chǎn)品進行反復(fù)拆裝驗證試驗。模擬產(chǎn)品經(jīng)受各種外部環(huán)境，驗證其性能是否能夠滿足使用要求。主要包括：（1）模擬反復(fù)拆裝試驗：試驗時模擬正常使用時安裝和拆卸的過程，出于裕度考慮，試驗反復(fù)拆裝的次數(shù)通常大于需要反復(fù)拆裝使用的次數(shù)；（2）環(huán)境試驗：模擬反復(fù)拆裝后，產(chǎn)品經(jīng)受相關(guān)的自然和力學(xué)環(huán)境；（3）機械強度試驗：模擬反復(fù)拆裝后，驗證產(chǎn)品機械性能是否滿足技術(shù)指標，爆炸螺栓主要進行拉伸破壞載荷試驗，驗證其承載性能；（4）發(fā)火性能試驗：模擬反復(fù)拆裝后，驗證產(chǎn)品發(fā)火性能是否滿足技術(shù)指標。典型試驗程序見表1。

表1 火工品反復(fù)拆裝試驗程序Tab.1 The test program of repeated disassembly of initiating explosive device

5.2 反復(fù)拆裝驗證試驗

以某190kN爆炸螺栓和某點火器為例，介紹反復(fù)拆裝試驗驗證情況。

5.2.1 爆炸螺栓反復(fù)拆裝驗證試驗

為了驗證爆炸螺栓能否能在125N·m安裝力矩下反復(fù)拆裝使用3次，進行了6次125N·m反復(fù)拆裝試驗。試驗共40發(fā)，其中爆炸螺栓成品30發(fā)，螺栓體10發(fā)，試驗程序見表2，試驗照片見圖8。

由圖8及表2可見，40發(fā)產(chǎn)品經(jīng)過反復(fù)拆裝試驗后，各項性能均滿足要求，且與生產(chǎn)數(shù)據(jù)比較無異常。

圖8 爆炸螺栓反復(fù)拆裝試驗照片F(xiàn)ig.8 The photos of verification test of repeated disassembly for explosive bolt

表2 爆炸螺栓反復(fù)拆裝試驗程序Tab.2 The test program of repeated disassembly of explosive bolt

5.2.2 點火器反復(fù)拆裝驗證試驗

為了驗證某點火器能否在20N·m安裝力矩下反復(fù)拆裝使用3次，進行了6次20N·m反復(fù)拆裝試驗。試驗共30發(fā)[1]，試驗程序見表3。

30發(fā)產(chǎn)品經(jīng)過反復(fù)拆裝試驗后，各項性能均滿足要求，且與生產(chǎn)數(shù)據(jù)比較無異常。上述爆炸螺栓和點火器已經(jīng)過某導(dǎo)彈大批量反復(fù)拆裝使用，實際使用過程中，反復(fù)拆裝3次以內(nèi)，安裝使用和工作性能均滿足設(shè)計要求。試驗及實際反復(fù)拆裝效果證明，其安裝力矩不大于其破壞力矩1/3時，具有較好的反復(fù)拆裝性能。

表3 點火器反復(fù)拆裝試驗程序Tab.3 The test program of repeated disassembly of igniter

6 結(jié)束語

反復(fù)拆裝試驗驗證過的產(chǎn)品目前已經(jīng)過大量實際應(yīng)用，未發(fā)現(xiàn)在反復(fù)拆裝使用過程出現(xiàn)異常，表明針對火工品反復(fù)拆裝采取的措施和驗證方法合理有效。但在實際使用過程中應(yīng)注意下列問題：（1）由于火工品具有一次性使用的特點，為保證工作的可靠性，不要過多地追求其反復(fù)拆裝使用次數(shù)；（2）火工品反復(fù)拆裝過程中最常見的失效模式是螺紋咬死，在條件許可的情況下，可在螺紋上涂抹潤滑劑；（3）在反復(fù)拆裝使用過程中發(fā)現(xiàn)連接螺紋、密封面有異常，應(yīng)停止再次安裝使用，防止螺紋咬死或?qū)ζ湫阅茉斐捎绊憽?/p>

[1] GJB 1307A-2004 航天火工裝置通用規(guī)范[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,2004.

[2] 蔡瑞嬌,等.火工品設(shè)計原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1999.