火炮炮閂擊發(fā)機(jī)構(gòu)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)

楊艷峰，鄭　堅(jiān)，狄長春，王宏凱，王　帥

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊　050003；2.武漢軍械士官學(xué)校，武漢　430075）

火炮炮閂擊發(fā)機(jī)構(gòu)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)

楊艷峰1，鄭堅(jiān)1，狄長春1，王宏凱1，王帥2

（1.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；2.武漢軍械士官學(xué)校，武漢430075）

為提高炮閂的試驗(yàn)效率和可靠性，將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論引入其可靠性研究中。以火炮炮閂為強(qiáng)化試驗(yàn)載體，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對擊發(fā)機(jī)構(gòu)磨損失效進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)研究，依據(jù)受力分析確定了增大擊針簧剛度的強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)，通過仿真試驗(yàn)和分析，結(jié)果表明機(jī)構(gòu)磨損量強(qiáng)化系數(shù)隨強(qiáng)化應(yīng)力水平的提高而變大，所確定的強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)加快了零部件失效進(jìn)程，有利于縮減可靠性試驗(yàn)的時間，為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在裝備機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。

炮閂，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，虛擬樣機(jī)，磨損

0　引言

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種以激發(fā)故障為目的的新型加速應(yīng)力試驗(yàn)技術(shù)方法。通過施加遠(yuǎn)大于技術(shù)條件規(guī)定的應(yīng)力而快速地進(jìn)行試驗(yàn)，并通過改進(jìn)來提高系統(tǒng)的可靠性，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)技術(shù)在時間和經(jīng)費(fèi)上不能與系統(tǒng)研制需求相適應(yīng)的不足。

自20世紀(jì)80年代末誕生以來，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢，其研究廣泛應(yīng)用于電子、通信、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、交通、能源、航空、航天和軍事等領(lǐng)域。如美國波音公司在波音-777、737改型上成功采用強(qiáng)化試驗(yàn)方法［1］。國內(nèi)在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)方面的研究與應(yīng)用比較晚。20世紀(jì)90年代初，一些學(xué)者通過對外訪問、技術(shù)交流等途徑了解到國外對加速可靠性試驗(yàn)的重視。2000年后國內(nèi)陸續(xù)發(fā)表了一些可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)的介紹類、跟蹤研究類文章［2-3］。近幾年，隨著對可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)了解的加深，國內(nèi)開始了獨(dú)立探索和應(yīng)用［4-6］。

目前，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在我國從理論到試驗(yàn)設(shè)備再到具體的實(shí)踐已經(jīng)得到一定的發(fā)展，但是很多理論和技術(shù)研究還不夠深入，應(yīng)用不太成熟。本文主要以炮閂擊發(fā)機(jī)構(gòu)中磨損零部件為例，基于仿真技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)研究。

火炮炮閂是一個典型的純機(jī)械系統(tǒng)，在實(shí)際使用工況下其構(gòu)件的磨損失效是一個相對比較漫長的過程，其可靠性試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的時間和費(fèi)用。為此，通過對機(jī)構(gòu)或零件實(shí)施可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，縮短試驗(yàn)的時間和成本以提高效費(fèi)比，實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)對零件可靠性的評估，這具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　強(qiáng)化試驗(yàn)理論分析

1.1工作原理分析

擊發(fā)機(jī)構(gòu)如圖1所示，復(fù)撥器撥動子及套在其上的撥動子杠桿均安裝在炮尾上，擊針、擊針體、撥動子、撥動子軸、撥動子駐栓以及推桿均安裝在閂體上。

圖1　擊發(fā)機(jī)構(gòu)

在開閂過程中，閂體相對于炮尾下降，帶動閂體上機(jī)構(gòu)一起下降，撥動子軸支臂就與復(fù)撥器撥動子支臂接觸并相互作用，迫使撥動子軸帶動撥動子轉(zhuǎn)動，撥動子轉(zhuǎn)動的同時撥擊針體向后，壓縮擊針簧，儲存擊發(fā)能量，如圖2所示。

圖2　撥動子軸支臂滑過復(fù)撥器撥動子支臂

當(dāng)撥動子轉(zhuǎn)到一定角度時，在推桿簧的作用下，推桿使撥動子駐栓左移，其深槽處卡住撥動子缺口，將擊針保持在待發(fā)位置。隨著閂體繼續(xù)下降，一直到關(guān)閂到位，擊針一直蓄勢待發(fā)，且在上升過程中，兩支臂會發(fā)生第2次碰撞接觸。

1.2失效機(jī)理分析

撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂間相互作用，多次循環(huán)后其外輪廓會出現(xiàn)磨損，到一定程度后將無法使撥動子轉(zhuǎn)過設(shè)計(jì)角度，也就不會撥回?fù)翎樁纬纱l(fā)，直接導(dǎo)致?lián)舭l(fā)機(jī)不起作用，同時標(biāo)志著該機(jī)構(gòu)的失效。

1.3磨損加速性驗(yàn)證

影響零部件磨損的因素有很多，主要可歸結(jié)為兩個方面，一方面是外在因素，如溫度、載荷、滑動速度和滑動距離等；一方面是內(nèi)在因素，即零件自身的物理性能，如所用材料力學(xué)性能、零件表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

對于炮閂擊發(fā)機(jī)構(gòu)而言，其零件所用材料物理性能是確定的，因此，主要考慮外在影響因素。機(jī)構(gòu)在動作過程中，由于磨損零件相互作用時間短，不超過1 s，且是間歇性的，因此，其摩擦磨損產(chǎn)生的熱量會很快散失，不會導(dǎo)致零部件溫度的升高，故不考慮溫度這一影響因素對零部件間摩擦磨損的影響。滑動距離則與摩擦磨損時間相關(guān)，是一個累積量。因此，本文主要圍繞載荷和滑動速度兩個主要因素對零件磨損加速性進(jìn)行分析研究。

依據(jù)目前摩擦磨損理論和試驗(yàn)研究，干滑動摩擦磨損量W主要取決于表面壓力p、滑動速度v以及作用時間t，即［7］：

式中：W是磨損量，即接觸區(qū)域單位面積上的磨損量；KW是工況條件系數(shù)，與材料、表面品質(zhì)和潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)；p、v是（表面）正壓力、速度；m、n是壓力和滑動速度對磨損率的影響指數(shù)；t是磨損時間。

2　強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)及方案確定

對于炮閂強(qiáng)化試驗(yàn)則主要通過改變系統(tǒng)零部件結(jié)構(gòu)性能來實(shí)施。

對擊發(fā)機(jī)構(gòu)零部件進(jìn)行受力分析，如圖3所示。圖中略去閂體對撥動子軸的作用力，僅對影響兩支臂間作用強(qiáng)度的力進(jìn)行分析。

圖3　擊發(fā)機(jī)構(gòu)零部件受力分析

圖3中撥動子軸右端以方頭與撥動子的方孔配合，從而帶動撥動子撥回?fù)翎?。F1即為復(fù)撥器撥動子支臂與撥動子軸支臂間的作用力，F(xiàn)2為撥動子在撥回?fù)翎槙r受到的反作用力?？梢哉f正是由于力F2的存在，兩支臂間會產(chǎn)生相互作用力F1。強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)所要達(dá)到的目的是提高力F1的強(qiáng)度，而力F2是壓縮擊針簧產(chǎn)生的。由此不難得到，只要改變擊針簧的作用效果，就會改變支臂間的作用強(qiáng)度。

依據(jù)擊發(fā)機(jī)構(gòu)受力分析以及動作機(jī)理，確定強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)為：通過加大擊針簧剛度或預(yù)壓力來間接加大支臂間作用強(qiáng)度。

在擊針簧所處空間一定的條件下，要想增加擊針簧的預(yù)壓力，就需要增加擊針簧的預(yù)壓縮量；而在有限的空間內(nèi)改變擊針簧剛度，會使支臂間作用強(qiáng)度變化更明顯。因此，通過加大擊針簧的剛度來提高兩支臂間作用應(yīng)力的水平，加快構(gòu)件表面的磨損，使構(gòu)件的性能加速退化，據(jù)此來實(shí)施強(qiáng)化試驗(yàn)。

由于擊針簧處于擊針體中，其橫向尺寸是不能隨意改變的。在有限的空間中，切變模量、有效圈數(shù)保持不變的條件下，依據(jù)彈簧剛度計(jì)算公式［8］，在MATLAB中編程求擊針簧剛度最優(yōu)解。

式中：G為彈簧材料的切變模量；n為彈簧的有效圈數(shù)（參與變形的圈數(shù)）；d為簧絲的直徑；D2為彈簧的中徑；C為旋繞比。

設(shè)置約束時，旋繞比C取常用范圍5～8。通過計(jì)算，當(dāng)旋繞比C=5時，擊針簧剛度可以達(dá)到極值，是初始值的1.70～1.74倍。因此，在以改變擊針簧剛度指標(biāo)作為強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)時，其剛度最大取為1.7 k。這樣就確定了擊發(fā)機(jī)構(gòu)強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力水平的極限。

具體試驗(yàn)方案為：分別選取應(yīng)力水平k、1.1 k、1.3 k、1.5 k、1.7 k，進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)。

3　強(qiáng)化試驗(yàn)仿真與分析

通過炮閂虛擬樣機(jī)動作仿真試驗(yàn)，測得自動開關(guān)閂過程中擊發(fā)機(jī)構(gòu)在正常應(yīng)力水平k和強(qiáng)化應(yīng)力水平下構(gòu)件間載荷譜和相對運(yùn)動速度譜。圖4、圖5顯示了應(yīng)力水平k、1.3 k和1.7 k下動力學(xué)參量。

圖4　自動開關(guān)閂過程中支臂間碰撞力

圖5　自動開關(guān)閂過程中支臂間相對運(yùn)動速度

在整個仿真過程中，即一次開、關(guān)閂動作，撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂前后發(fā)生兩次接觸：第1次是開閂撥回?fù)翎?；另一次是關(guān)閂過程中撥動子處于待發(fā)狀態(tài)下，兩支臂發(fā)生碰撞和相對滑動。從圖4中可以看出，隨著擊針簧剛度的增加，兩支臂接觸后碰撞力變大，這與預(yù)期增大作用強(qiáng)度的目標(biāo)相一致。圖5中，兩支臂間的相對運(yùn)動量并沒有隨強(qiáng)化應(yīng)力水平的提高而改變，兩次接觸過程中，速度曲線規(guī)律相同，且基本重合。

對于機(jī)械磨損失效強(qiáng)化試驗(yàn)來說，零部件磨損后其外部形態(tài)發(fā)生了改變，表面出現(xiàn)了犁溝或凹坑等磨損形式，同時伴隨著磨屑的產(chǎn)生。因此，可以將不同應(yīng)力水平下機(jī)械磨損量的多少作為衡量強(qiáng)化效果的指標(biāo)。磨損量的強(qiáng)化系數(shù)K可表示為

式中：H和H1分別表示在正常應(yīng)力水平和強(qiáng)化應(yīng)力水平下零部件單次動作的磨損量。

仿真試驗(yàn)測得的載荷譜和相對速度譜是隨時間變化的，為便于計(jì)算磨損量，以仿真采樣間隔作為一個時間微元Δt，在任一時間微元Δt中將接觸壓力和相對速度作為常數(shù)處理。

假設(shè)a為兩零部件整個相互作用過程中載荷譜的采樣點(diǎn)數(shù)，根據(jù)式（1），則某一時間微元Δt（i）內(nèi)零部件的接觸面積S（i）上的磨損量可表示為（i=1，2，3，…，a）

則零部件單次動作總的磨損量為

用α、β分別表示正常應(yīng)力和強(qiáng)化應(yīng)力水平下載荷譜的采樣點(diǎn)數(shù)，那么由上述幾式可得接觸磨損單次動作后磨損量強(qiáng)化系數(shù)為

將仿真所得載荷譜和相對運(yùn)動速度譜以及銷—盤磨損試驗(yàn)得到的磨損量計(jì)算參數(shù)KW、m、n帶入到MATLAB，并依據(jù)磨損量計(jì)算公式進(jìn)行編程計(jì)算，最終得到不同強(qiáng)化應(yīng)力水平下的試驗(yàn)系數(shù)，如表1所示。

表1　強(qiáng)化試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

從表1中得到，隨著強(qiáng)化應(yīng)力水平的提高，撥動子軸支臂與復(fù)撥器撥動子支臂的碰撞力峰值和均值增大，磨損量強(qiáng)化系數(shù)變大。因此，該強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)可以加速機(jī)構(gòu)磨損失效，有助于縮短機(jī)構(gòu)可靠性試驗(yàn)的時間。

4　結(jié)論

本文火炮炮閂擊發(fā)機(jī)構(gòu)磨損失效零部件為試驗(yàn)對象，基于炮閂虛擬樣機(jī)開展了強(qiáng)化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明所確定的改變擊針簧剛度的強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)是可行的，當(dāng)彈簧剛度達(dá)到1.7 k時，磨損量是正常應(yīng)力水平的1.81倍，有效縮短了可靠性試驗(yàn)周期，可以指導(dǎo)實(shí)際可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)研究有助于提高武器裝備機(jī)械系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)水平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性增長。

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Research on Reliability Enhancement Testing Technology of Breech Firing Mechanism

YANG Yan-feng1，ZHENG Jian1，DI Chang-chun1，WANG Hong-kai1，WANG Shuai2
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.Wuhan Ordnance Non Commissioned Officer Academy，Wuhan 430075，China）

To raise the reliability and testing efficiency of breech system，the theory of Reliability Enhancement Testing is introduced into its reliability research.Taking the breech system of gun as the enhancement testing carrier，the enhancement testing on firing mechanism abrasion failure is studied based on virtual prototype technology.According to the force-bearing analysis，the enhancement testing technology，increasing the stiffness of firing spring，is confirmed.Through simulation and analysis，the testing results show that the abrasion enhancement coefficient increases with enhancement stress level. The definite enhancement testing technology could quicken the failure of parts and be propitious to reduce the time of Reliability Testing.The research provides theory and technology support for application of Reliability Enhancement Testing to arm mechanical systems.

breech，reliability enhancement testing，virtual prototype，abrasion

TJ303+.3；TP391.9

A

1002-0640（2016）07-0175-04

2015-06-09

2015-07-15

楊艷峰（1988-）男，河北張北人，博士研究生。研究方向：武器系統(tǒng)可靠性與試驗(yàn)技術(shù)。