鎖制器開(kāi)鎖力異常原因分析與改進(jìn)

楊學(xué)超，蘇亨鋦，李 琦

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

在無(wú)人機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈過(guò)程中，從指令發(fā)出到導(dǎo)彈離軌，傳感器數(shù)據(jù)顯示導(dǎo)彈在軌時(shí)間超出要求范圍，在推力和導(dǎo)軌長(zhǎng)度為定值的前提下，說(shuō)明導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)受到阻力變大，因?yàn)閷?dǎo)軌間隙配合的摩擦阻力極為穩(wěn)定，故很可能是鎖制器（圖1）的開(kāi)鎖力異常增大，以至于超出設(shè)計(jì)力值，造成導(dǎo)彈在軌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致發(fā)射失敗。

圖1 鎖制器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure figure of lock system

鎖制器是發(fā)射裝置的核心機(jī)構(gòu)，其性能直接影響著發(fā)射裝置的性能和載機(jī)的安全。設(shè)計(jì)鎖制器，其開(kāi)鎖力往往只考慮提供開(kāi)鎖力的彈簧（板簧）力值，而對(duì)導(dǎo)彈滑塊與導(dǎo)軌和前擋件之間的摩擦力考慮不夠。此外，防振片對(duì)導(dǎo)彈滑塊的摩擦也不容忽視。而在工程測(cè)試中，測(cè)力計(jì)測(cè)出的開(kāi)鎖力是彈簧力和滑塊與前擋件的摩擦力共同作用產(chǎn)生的合力，與實(shí)際應(yīng)用時(shí)開(kāi)鎖力值相比偏小。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)推力較小的導(dǎo)彈，其推力往往不易沖開(kāi)鎖制器的束縛而發(fā)生前述現(xiàn)象。

1 原因分析

1.1 生產(chǎn)交付

產(chǎn)品加工過(guò)程受控，零件正常入檢，裝配和調(diào)試過(guò)程受控，各項(xiàng)交付試驗(yàn)符合規(guī)范，故該因素可以排除。

1.2 操作因素

導(dǎo)彈安裝完成后，發(fā)射裝置上的擋彈銷(xiāo)如果未及時(shí)拔出，飛機(jī)起飛上天后帶著擋彈銷(xiāo)，則導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)無(wú)法離軌，由于擋彈銷(xiāo)上有非常明顯的警示標(biāo)志，故該操作失誤的可能性極小。通過(guò)培訓(xùn)合格的操作手可以熟練完成以上操作；因此，操作因素導(dǎo)致該故障的可能性極小，可以排除。

1.3 環(huán)境因素

發(fā)射裝置在風(fēng)沙較大的地帶使用時(shí)，可能有一些雜質(zhì)進(jìn)入鎖制器，將影響鎖制器的開(kāi)鎖力和運(yùn)動(dòng)性能，也能導(dǎo)致該現(xiàn)象；發(fā)射裝置交付后有嚴(yán)格的維護(hù)流程，定時(shí)清理各活動(dòng)機(jī)構(gòu)附著的雜質(zhì)，避免對(duì)鎖制器產(chǎn)生影響，故環(huán)境因素導(dǎo)可能性較小，可以排除。

1.4 設(shè)計(jì)因素

該故障產(chǎn)生的原因主要是開(kāi)鎖力異常增大，與開(kāi)鎖力相關(guān)的主要有彈簧、前擋件、導(dǎo)軌和防振片4 個(gè)零部件，由于測(cè)試條件所限，通常的測(cè)試只關(guān)注彈簧和前擋件對(duì)摩擦力的影響，在實(shí)際過(guò)程中導(dǎo)軌和防振片的作用也不可忽視。文獻(xiàn)[1]中，對(duì)該類(lèi)型的鎖制器工作原理推導(dǎo)出較為完善的數(shù)學(xué)模型，解決工程應(yīng)用的大部分問(wèn)題，該數(shù)學(xué)模型認(rèn)為導(dǎo)彈滑塊與前擋件和導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)相等，沒(méi)有考慮防振片所帶來(lái)的影響，其實(shí)防振片在起作用時(shí)有自鎖的傾向，對(duì)滑塊的作用力N不能簡(jiǎn)單忽略，故該數(shù)學(xué)模型有必要做進(jìn)一步的修正[2-4]。

鎖制器預(yù)開(kāi)鎖和開(kāi)鎖時(shí)的受力分析圖分別見(jiàn)圖2、圖3。一般情況下轉(zhuǎn)角θ比較小，可以認(rèn)為2 種狀態(tài)的X1是相同的，在本研究中的公式推導(dǎo)也未加區(qū)分。

圖3 開(kāi)鎖時(shí)的受力分析Fig.3 Force analysis of unlocking

如圖2，在預(yù)開(kāi)鎖時(shí)，根據(jù)力矩平衡原理，可得到式（1）：

圖2 預(yù)開(kāi)鎖時(shí)的受力分析（θ=0°）Fig.2 Force analysis of pre-unlocking

式中：F1為彈簧的初始?jí)毫Γ籔0為預(yù)開(kāi)鎖時(shí)導(dǎo)彈推力；P0'為預(yù)開(kāi)鎖時(shí)導(dǎo)彈與前擋件的作用力；f1'為導(dǎo)彈滑塊分別與前擋件、防振片和導(dǎo)軌的摩擦力，此處認(rèn)為3 處摩擦系數(shù)μ相等；G為導(dǎo)彈在前滑塊處的重力；N為防振片壓力；P"為導(dǎo)軌的支持力。

由于Y1＞＞b，整理簡(jiǎn)化可得：

F1是彈簧初始力值的一個(gè)依據(jù)，除跟鎖制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)外，與滑塊和鎖制器之間的摩擦系數(shù)密切相關(guān)，因各處所用零件的材料和加工條件相同，其摩擦系數(shù)極為接近。為簡(jiǎn)化計(jì)算，方程式把各處的摩擦系數(shù)認(rèn)為相等。

如圖3 所示，在開(kāi)鎖時(shí)，根據(jù)力矩、受力平衡原理，可得式（3）：

同理可得：

式中：F2為開(kāi)鎖時(shí)彈簧壓力；P為開(kāi)鎖時(shí)導(dǎo)彈推力；θ為開(kāi)鎖時(shí)前擋件抬起角度；其他定義與式（1）相同。

對(duì)于設(shè)計(jì)定型的鎖制器，F(xiàn)2、G、X1、Y1、b、θ都是定值或難以改動(dòng)。為了利于開(kāi)鎖，可以從減小摩擦系數(shù)μ和防振片壓力N進(jìn)行改進(jìn)。

鎖制器是發(fā)射裝置中全壽命周期重復(fù)使用的機(jī)構(gòu)，隨著服役壽命的增長(zhǎng)，零件磨損嚴(yán)重，其摩擦系數(shù)μ會(huì)增大，防振片自鎖傾向也會(huì)增加，這都會(huì)導(dǎo)致其開(kāi)鎖力P的急劇增大，消耗更多的導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)能量，造成在軌時(shí)間長(zhǎng)，更有極端情況下甚至超出發(fā)動(dòng)機(jī)推力，從而影響導(dǎo)彈的正常發(fā)射[5-6]。該型鎖制器的防振片是采用自鎖原理設(shè)計(jì)的，在某些極端情況下會(huì)壓死導(dǎo)彈滑塊（N?G），此時(shí)鎖制器的開(kāi)鎖力P也會(huì)急劇增大。

2 改進(jìn)措施

根據(jù)故障原因分析，前3 種因素按照嚴(yán)格的規(guī)范或使用維護(hù)都是可以避免的；在某些狀況下，由于設(shè)計(jì)因素先天不足，可能導(dǎo)致鎖制器的開(kāi)鎖力不正常，故改進(jìn)從減少配合面摩擦系數(shù)μ和防振片正壓力N兩個(gè)方面采取措施。

2.1 減小配合面摩擦系數(shù)

導(dǎo)彈滑塊分別與前擋件、防振片和導(dǎo)軌的都存在摩擦力，尤其是與前擋件處，導(dǎo)彈在掛飛時(shí)滑塊與前擋件、防振片等不斷撞擊、摩擦，會(huì)造成前擋件不斷磨損，產(chǎn)生的碎屑會(huì)大大增加二者之間的摩擦系數(shù)，圖4 為掛飛試驗(yàn)后前擋件處的磨損情況[7-9]。

圖4 前擋件處磨損情況Fig.4 Wear of front fender

1）改善接觸面粗糙度。提高零件表面質(zhì)量，這樣就減小配合面的摩擦系數(shù)，缺點(diǎn)是隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)，表面粗糙度會(huì)增加。

2）噴涂潤(rùn)滑劑。在摩擦副上噴涂潤(rùn)滑劑是一種行之有效的方法，常用的二硫化鉬干膜潤(rùn)滑劑是由超微細(xì)二硫化鉬為基礎(chǔ)材料制成的，噴涂后對(duì)金屬表面的所有細(xì)孔、凹坑、劃痕和其他微孔缺陷進(jìn)行填充，能在金屬表面形成一層干燥薄膜，極大地降低負(fù)載工況下的摩擦，降低摩擦系數(shù)，減少部件的磨損和咬結(jié)；缺點(diǎn)是潤(rùn)滑膜耐久性較差，飛行若干架次后，須重新噴涂。

3）合理的硬度匹配。故障件中所用材料較為接近，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損，特別是前擋件與滑塊配合面，其生成的碎屑會(huì)造成摩擦系數(shù)急劇上升的情況，二者之間要有合理的硬度匹配以減少磨損[10-11]。因?yàn)榍皳跫橹貜?fù)使用的零件，其硬度應(yīng)略高于導(dǎo)彈滑塊，如果滑塊硬度高于或接近前擋件，則前擋件有可能產(chǎn)生壓痕或塑性變形，則會(huì)產(chǎn)生開(kāi)鎖力急劇增大的情況。試驗(yàn)件將二者的洛氏硬度差設(shè)計(jì)在6～10 左右，既可減輕前擋件的磨損，也能較好保證二者摩擦系數(shù)的穩(wěn)定。

2.2 采用小間隙減振

采用自鎖原理設(shè)計(jì)的防振片，在某些情況會(huì)壓死導(dǎo)彈滑塊，也會(huì)造成開(kāi)鎖力P的增大，如果采取小間隙減振，式（1）、式（2）中的N將不復(fù)存在，也將有利于鎖制器的正常開(kāi)鎖。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

1）在試驗(yàn)開(kāi)始前，用測(cè)力計(jì)對(duì)開(kāi)鎖力進(jìn)行測(cè)試，并調(diào)整鎖制器開(kāi)鎖力規(guī)定范圍（700±50）N。將模擬彈緩緩向前推直至鎖制器完全開(kāi)鎖（原理示意圖見(jiàn)圖5），在推動(dòng)過(guò)程中記錄顯示器上顯示的最大數(shù)值P1。

圖5 模擬發(fā)射試驗(yàn)簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic diagram of simulation launching test

2）將發(fā)射裝置掛彈安裝于振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，模擬導(dǎo)彈在飛機(jī)上的掛飛情況，按照等效的負(fù)載條件及時(shí)間進(jìn)行振動(dòng)（圖6）；振動(dòng)后將發(fā)射裝置及模擬彈一并轉(zhuǎn)移至模擬發(fā)射臺(tái)上（圖7），按照上述方法記錄數(shù)值P2。

圖6 振動(dòng)試驗(yàn)Fig.6 Vibration test

圖7 模擬發(fā)射試驗(yàn)Fig.7 Simulation launching test

3.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)改進(jìn)措施分別對(duì)鎖制器前擋件和防振片進(jìn)行更改[11-12]，由于導(dǎo)彈滑塊硬度約為HRC 40，前擋件的材料及熱處理硬度從HRC 41 提高至HRC 47，并熱鍍（或噴涂）二硫化鉬的方法減少摩擦；防振片采用小間隙減振，2 種零件分更改前后共4 種工況（表1）進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每種工況重復(fù)試驗(yàn)3 次，對(duì)明顯不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test data N

表1 中加*的數(shù)據(jù)表示，因防止開(kāi)鎖力過(guò)大損壞設(shè)備，沒(méi)有繼續(xù)加載時(shí)傳感器的最大讀數(shù)，在沒(méi)有潤(rùn)滑的情況下，即1、3 工況產(chǎn)生開(kāi)鎖力異常增大的情況(P＞2 kN)，超過(guò)正常開(kāi)鎖力的2 倍以上，可能導(dǎo)致導(dǎo)彈發(fā)射不出去的故障；而防振片更改與否，試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化不大，主要因?yàn)樵谀壳霸囼?yàn)條件下，防振片自鎖的可能性很小，故對(duì)開(kāi)鎖力的影響不明顯。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test conditions

4 結(jié)論

1）通過(guò)樹(shù)形分析方法列舉鎖制器開(kāi)鎖力異常的各種原因，建立修正的開(kāi)鎖力計(jì)算數(shù)學(xué)模型，從模型中推導(dǎo)出開(kāi)鎖力異常增大的各種影響因子。

2）設(shè)計(jì)開(kāi)鎖力驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證原理分析的正確性，最后得出前擋件配合面的摩擦系數(shù)變化是導(dǎo)致開(kāi)鎖力異常故障的主因，在產(chǎn)品中增加潤(rùn)滑措施后，經(jīng)多次試驗(yàn)沒(méi)有發(fā)生力值驟增和自鎖現(xiàn)象，改進(jìn)措施可靠有效。