基于FMECA的某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)可靠性分析

李定哲，景春溫，管小榮

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 400054）

自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)可靠性主要指自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性。發(fā)射機(jī)構(gòu)的可靠性定義為：自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)在規(guī)定的壽命射彈數(shù)量內(nèi)，在單發(fā)、連發(fā)、保險(xiǎn)及發(fā)射方式轉(zhuǎn)換條件下，完成規(guī)定機(jī)構(gòu)動(dòng)作（包括不到位保險(xiǎn)解脫時(shí)機(jī)、擊錘扣壓與解脫邏輯動(dòng)作、保險(xiǎn)動(dòng)作等），保持充足擊錘打擊能量的能力。自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)的可靠性直接影響射擊功能的正常發(fā)揮，出現(xiàn)異常將導(dǎo)致意外擊發(fā)，產(chǎn)生人員傷亡，甚至影響戰(zhàn)爭勝負(fù)。

FMECA分析方法歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，在各領(lǐng)域有了完整的故障預(yù)測體系，應(yīng)用廣泛。國外起步較早，Chase等利用直接線性法建立了機(jī)構(gòu)的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)誤差模型，通過適當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件，計(jì)算出了機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠度。在20世紀(jì)末，可靠性研究逐漸向集成化、智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展。到21世紀(jì)，可靠性研究已經(jīng)發(fā)展到全面整合階段。目前，新的可靠性研究方法和技術(shù)層出不窮，蓬勃發(fā)展。

國內(nèi)可靠性研究起步較晚，早先可靠性理論基礎(chǔ)薄弱，可靠性數(shù)據(jù)缺乏，并且研究缺乏先導(dǎo)性和系統(tǒng)性，制約著我國可靠性研究的發(fā)展。從20世紀(jì)70年代開始，我國開始重視可靠性的研究，馮元生教授及其科研團(tuán)隊(duì)對可靠性研究作出了重要貢獻(xiàn)。20世紀(jì)80年代，我國引進(jìn)了FMECA分析方法，制定了一系列可靠性工程的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，武器可靠性的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在逐漸細(xì)化與完善。

1 故障模式、影響及危害性分析

故障模式、影響及危害性分析法（FMECA分析法）是GJB 450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》[中重要的可靠性分析方法之一，F(xiàn)MECA分析需要將某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)所有可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行列舉，評估每個(gè)可能發(fā)生的故障對發(fā)射機(jī)構(gòu)的影響。采用多個(gè)評分因素對發(fā)射機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合評分，找到自動(dòng)武器發(fā)射機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)中最為薄弱的環(huán)節(jié)，并對其進(jìn)行可靠性分析，為設(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。

1.1 FMECA評判標(biāo)準(zhǔn)

使用綜合評分法對發(fā)射機(jī)構(gòu)進(jìn)行危害性分析，是通過對所有的故障按照統(tǒng)一的評分因素進(jìn)行評分，采用連續(xù)相乘的方法，即通過式（1）計(jì)算危害度，危害度的數(shù)值越大，則說明該故障的危害程度大，需要優(yōu)先考慮和解決。表1列出了危害等級準(zhǔn)則，表2列出了某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)的故障模式的評定因素及評定標(biāo)準(zhǔn)。

表1 危害等級準(zhǔn)則 Tab.1 Hazard rating

表2 評分因素取值 Tab.2 Evaluation criterion

式中：是各個(gè)評分因素的評分；是評分因素的數(shù)量。

1.2 建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型可以更好地判斷發(fā)射機(jī)構(gòu)中各個(gè)零件之間相互作用、相互約束的關(guān)系，從而能夠更加準(zhǔn)確地判斷各種故障對發(fā)射機(jī)構(gòu)的影響。建立發(fā)射機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，為基礎(chǔ)可靠性的計(jì)算提供依據(jù)，更加直觀地判斷各個(gè)零部件的受力情況，同時(shí)也是定性分析發(fā)射機(jī)構(gòu)任務(wù)可靠性的參考模型。某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)主要由10個(gè)關(guān)鍵的零件組成，如圖1所示。

圖1 某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu) Fig.1 Firing-mechanism diagrammatic drawing

發(fā)射機(jī)構(gòu)是控制擊發(fā)機(jī)構(gòu)待發(fā)和擊發(fā)的機(jī)構(gòu)，在各種使用條件下，發(fā)射機(jī)構(gòu)的動(dòng)作應(yīng)確實(shí)可靠。在單 發(fā)狀態(tài)下，阻鐵將隨扳機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，扣壓扳機(jī)，擊錘將會(huì)解脫扣合，并撞擊擊針，完成擊發(fā)動(dòng)作。在槍機(jī)框后坐的過程中，將擊錘壓倒，擊錘與阻鐵扣合，當(dāng)槍機(jī)框復(fù)進(jìn)，松開扳機(jī)時(shí)，擊錘重新與扳機(jī)扣合，完成單發(fā)。在連發(fā)狀態(tài)下，保險(xiǎn)下端壓住阻鐵，阻鐵不隨扳機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，扣壓扳機(jī)，擊錘將會(huì)解脫扣合，并撞擊擊針，完成擊發(fā)動(dòng)作。在槍機(jī)框后坐的過程中，將擊錘壓倒，若扣住扳機(jī)不放，當(dāng)槍機(jī)框復(fù)進(jìn)到位，不到位保險(xiǎn)被槍機(jī)框壓倒，不到位保險(xiǎn)和阻鐵對擊錘的扣合解脫，將再次擊發(fā)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)武器的連發(fā)功能。

1.3 發(fā)射機(jī)構(gòu)FMECA分析

某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)典型故障的描述和原因見表3。通過表3中對某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)的故障原因分析，嚴(yán)格按照表2的取值標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用危害度計(jì)算公式，對發(fā)射機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障危害性分析。

表3 發(fā)射機(jī)構(gòu)FMECA分析 Tab.3 Firing-mechanism FMECA analysis

由表4可知，某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)故障中危害度最大的故障為在射手錯(cuò)誤操作下導(dǎo)致發(fā)射機(jī)構(gòu)超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)。后文將基于超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)的故障模式對某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

表4 發(fā)射機(jī)構(gòu)危害度綜合評分 Tab.4 Firing-mechanism hazard rating scale

續(xù)表3 發(fā)射機(jī)構(gòu)FMECA分析 Tab.3 Firing-mechanism FMECA analysis

2 某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)可靠性分析

單打連、連發(fā)掛機(jī)故障與超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)故障的原因?yàn)槟匙詣?dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)中部分零部件位置關(guān)系錯(cuò)誤，但部分零部件斷裂也可能導(dǎo)致上述故障的出現(xiàn)，所以需要計(jì)算某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)中零件的基礎(chǔ)可靠性。計(jì)算發(fā)射機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)可靠性應(yīng)使用串聯(lián)模型，即發(fā)射機(jī)構(gòu)中任意某個(gè)零件不可靠，則發(fā)射機(jī)構(gòu)不可靠。通過對某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，由仿真結(jié)果得到受力較大的2個(gè)零件分別為擊錘和單發(fā)阻鐵。

2.1 建立動(dòng)力學(xué)仿真模型

利用Adams軟件建立某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析模型，在槍機(jī)框上添加能夠前后運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)副，在扳機(jī)、單發(fā)阻鐵、擊錘和不到位保險(xiǎn)上添加旋轉(zhuǎn)副，并在扳機(jī)、擊錘、不到位保險(xiǎn)、槍機(jī)框、單發(fā)阻鐵處按照實(shí)際參數(shù)設(shè)置彈簧。仿真模型如圖2所示。

圖2 某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型 Fig.2 Simulation model of the dynamics of an automatic rifle firing mechanism

2.2 建立單發(fā)阻鐵和擊錘的三維模型

利用SOILDWORKS軟件對發(fā)射機(jī)構(gòu)的擊錘和單發(fā)阻鐵進(jìn)行三維建模，單發(fā)阻鐵和擊錘的三維模型如圖3所示。

圖3 三維模型 Fig.3 Three-dimensionalmodel: a) semi-automatic sear; b) hammer

2.3 添加約束和載荷

將Adams仿真中有關(guān)于單發(fā)阻鐵的力全部繪制在同一坐標(biāo)系下。在0.2 s前，單發(fā)阻鐵隨著扳機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并與擊錘產(chǎn)生了接觸；在0.2 s時(shí)刻，扳機(jī)與擊錘解脫扣合；在0.4 s時(shí)刻，擊錘被槍機(jī)框壓下，與單發(fā)阻鐵相互碰撞，此時(shí)各條受力曲線均達(dá)到峰值。 將Adams仿真所得受力圖中的最大力向上取整，得到單發(fā)阻鐵和擊錘所受載荷最大時(shí)的受力情況。單發(fā)阻鐵在擊錘被槍機(jī)框壓下，與單發(fā)阻鐵扣合前相互碰撞，受力最大如圖4所示。

由圖4中數(shù)據(jù)可知，擊錘與單發(fā)阻鐵間碰撞的最大沖擊載荷為462.25 N，單發(fā)阻鐵簧的最大受力為439 N，彈簧扭矩的力矩最低為78.8 N·mm。以仿真分析得到的最大載荷，添加約束和載荷，如圖5所示。在單發(fā)阻鐵頭部添加了與擊錘碰撞產(chǎn)生的力（470 N），在旋轉(zhuǎn)軸處添加了彈簧扭矩和固定約束。

圖4 單發(fā)阻鐵受力 Fig.4 Semi-automatic sear force diagram

圖5 單發(fā)阻鐵約束與載荷情況 Fig.5 Semi-automatic sear force condition

將Adams仿真中有關(guān)于擊錘的力全部繪制在同一坐標(biāo)系下。在0.35 s時(shí)刻，槍機(jī)框后坐撞擊擊錘，達(dá)到第一處受力峰值；在0.4 s時(shí)刻，擊錘被槍機(jī)框壓下，與單發(fā)阻鐵相互碰撞，達(dá)到第二處峰值。這說明在單發(fā)阻鐵承受最大載荷的同時(shí)，擊錘也承受了最大的外部載荷，此時(shí)擊錘承受了與槍機(jī)框的碰撞，并被壓下與單發(fā)阻鐵扣合，同時(shí)也受到了來自不到位保險(xiǎn)的力和擊錘簧所產(chǎn)生的扭矩。其受力情況如圖6所示。

圖6 擊錘受力（未包含與擊針碰撞的力） Fig.6 Hammer force diagram (the force of collision with the striking pin is not included)

由圖6可知，擊錘與單發(fā)阻鐵間碰撞的最大沖擊載荷為462.25 N，擊錘與槍機(jī)框產(chǎn)生碰撞的最大受力為566.5 N，擊錘與不到位保險(xiǎn)產(chǎn)生的碰撞在0.4 s時(shí)的受力為35 N，彈簧扭矩的最大力矩為2 464.07 N·mm。以仿真分析得到的最大載荷，添加約束和載荷，如圖7所示。因?yàn)闃寵C(jī)的后坐速度為8.5~9.0 m/s，為確保擊錘的可靠性，在與槍機(jī)框接觸的部分添加了600 N的力，在與單發(fā)阻鐵接觸的部分添加了470 N的力，并在旋轉(zhuǎn)軸處添加了彈簧扭矩和固定約束。

圖7 擊錘約束與載荷情況 Fig.7 Hammer force condition

2.4 計(jì)算基礎(chǔ)可靠性

圖8 應(yīng)力分析結(jié)果 Fig.8 Force analysis: a) semi-automatic sear; b) hammer

設(shè)機(jī)構(gòu)的功能函數(shù)為：

式中：為材料強(qiáng)度；為零部件受到的極限應(yīng)力，均服從正態(tài)分布。

因此，也服從正態(tài)分布：

可靠度即大于0的概率：

式中：稱為可靠度系數(shù)。

通過代入計(jì)算式（5），求得可靠性系數(shù)分別為=3.397，=3.519。查閱正態(tài)分布概率表得到可靠度=0.999 52，=0.999 55。因此，最終的發(fā)射機(jī)構(gòu)的可靠度為=××100%=99.907%。由此可見，發(fā)射機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)可靠性是非常高的，因此導(dǎo)致發(fā)射機(jī)構(gòu)出現(xiàn)超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)故障的主要原因是機(jī)構(gòu)零件位置錯(cuò)誤，這與FMECA分析結(jié)果一致。

3 超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)故障分析

由發(fā)射機(jī)構(gòu)的FMECA分析得出，超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)是一種危害性非常大的發(fā)射機(jī)構(gòu)故障，它能夠在某自動(dòng)步槍處于保險(xiǎn)位置“0”時(shí)自動(dòng)擊發(fā)。在2004年5月，發(fā)生了一起因射手的錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)構(gòu)超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)而造成走火傷人事故。雖然射手的錯(cuò)誤操作是導(dǎo)致發(fā)射機(jī)構(gòu)故障的直接原因，但是這也說明了某自動(dòng)步槍發(fā)射機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本身就存在相應(yīng)的隱患。由于超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)故障的危害程度非常高，在GJB 3484《槍械性能實(shí)驗(yàn)方法》的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全性實(shí)驗(yàn)中有明確規(guī)定，“槍械需呈待擊發(fā)狀態(tài)，置發(fā)射轉(zhuǎn)換器于保險(xiǎn)位置，進(jìn)行10次試圖超越保險(xiǎn)的空膛擊發(fā)”。在事故發(fā)生之前，用實(shí)驗(yàn)的方式及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并解決。

3.1 超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)故障原理

在單連發(fā)發(fā)射機(jī)構(gòu)中，“0”位置為保險(xiǎn)，“1”位置為單發(fā)狀態(tài)，“2”位置為連發(fā)狀態(tài)。超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)是在扣住扳機(jī)不放的同時(shí)，將保險(xiǎn)從“2”連發(fā)狀態(tài)調(diào)整到“0”保險(xiǎn)狀態(tài)。在連發(fā)狀態(tài)下，單發(fā)阻鐵被快慢機(jī)（保險(xiǎn)）壓住，無法扣住被槍機(jī)框后坐壓下的擊錘，而保險(xiǎn)又會(huì)將扳機(jī)卡在擊發(fā)位置，從而將會(huì)一直保持在連發(fā)狀態(tài)，其機(jī)構(gòu)位置如圖9所示。此時(shí)從外觀上看，某自動(dòng)步槍處于安全的保險(xiǎn)狀態(tài)，然而只要拉動(dòng)自動(dòng)機(jī)，某自動(dòng)步槍就會(huì)自動(dòng)擊發(fā)，并將以連發(fā)狀態(tài)打空彈夾。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)未能起到限制作用，此時(shí)發(fā)射機(jī)構(gòu)任務(wù)不可靠。

圖9 超越保險(xiǎn)異常擊發(fā) Fig.9 Exceedance insurance abnormal firing

超越保險(xiǎn)的故障只有在以“021”順序調(diào)整保險(xiǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)，而“012”順序調(diào)整保險(xiǎn)時(shí)，是不會(huì)出現(xiàn)超越保險(xiǎn)故障的。其原理是，扣住扳機(jī)，將保險(xiǎn)從“1”位置調(diào)整到“0”位置時(shí)，保險(xiǎn)會(huì)將 同時(shí)抬起扳機(jī)與單發(fā)阻鐵，此時(shí)擊錘與單發(fā)阻鐵扣合，避免了超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)故障的發(fā)生。若從“1”位置調(diào)整到“0”位置，要先經(jīng)過“2”位置，保險(xiǎn)會(huì)先抬起單發(fā)阻鐵，而此時(shí)槍機(jī)框后坐，在壓下?lián)翦N時(shí)，同時(shí)會(huì)將保險(xiǎn)重新壓回“1”位置。發(fā)射機(jī)構(gòu)將保持單發(fā)狀態(tài)不變，避免了超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)故障發(fā)生。

3.2 超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)故障的改進(jìn)方法

解決超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)的方法有多種，從使用角度，可以改進(jìn)單發(fā)阻鐵或者扳機(jī)的結(jié)構(gòu)，使射手在扣動(dòng)扳機(jī)的同時(shí)無法同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)；也可以從原理的角度，將保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整順序從“021”改為“012”。改進(jìn)單發(fā)阻鐵的方式較為簡單，在單發(fā)阻鐵或者扳機(jī)的后方添加限制凸臺(tái)即可完成在扣動(dòng)扳機(jī)時(shí)無法轉(zhuǎn)動(dòng)保險(xiǎn)的任務(wù)，如圖10所示。

圖10 限制凸臺(tái) Fig.10 Lug boss

從原理的角度去解決超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)的問題，可以改進(jìn)保險(xiǎn)裝置，將某自動(dòng)步槍的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整順序從“021”改為“012”。單連發(fā)發(fā)射機(jī)構(gòu)各狀態(tài)如圖11所示。雖然改進(jìn)保險(xiǎn)能夠從根本上解決超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)的問題，但是此改進(jìn)將會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)構(gòu)切換狀態(tài)需要調(diào)整的保險(xiǎn)角度大幅增加。

圖11 不同狀態(tài)的發(fā)射機(jī)構(gòu) Fig.11 Launching mechanism in different states: a) safety condition; b) semi-automatic firing condition;c) automatic firing condition

4 結(jié)論

1）在故障模式、影響及危害性分析中，由綜合評分法得出，發(fā)射機(jī)構(gòu)中危害程度最大的故障為超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)。

2）通過動(dòng)力學(xué)建模與仿真，由應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論計(jì)算得出，發(fā)射機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)可靠性高達(dá)99.907%，非常可靠，與FMECA所分析的結(jié)果一致。

3）可以通過改進(jìn)扳機(jī)或者改進(jìn)保險(xiǎn)的方式從不同的角度解決超越保險(xiǎn)異常擊發(fā)的問題，無論使用何種方法，都能夠在射手錯(cuò)誤操作時(shí)起到保護(hù)作用，使得發(fā)射機(jī)構(gòu)的任務(wù)可靠性得到提升。