发射装置氮气瓶松动分析及改进

2013-08-26于四宽

机械与电子 2013年8期

于四宽，舒陶

（中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

0 引言

气瓶组件［1］为红外型发射装置的主要组成部分，其主要功能是为导弹红外探测器提供制冷用的高压、高纯氮气，使用过程中要求气瓶可靠连接，不能有松动现象出现。某型发射装置为翼尖侧向悬挂的发射装置，2008年上半年，用户反映该发射装置在挂飞使用后个别气瓶出现松动现象，影响正常的飞行训练。针对气瓶松动故障，必须尽快查明原因，完成改进。改进要求满足以下条件：能够解决问题；外场实施简单方便；周期不能太长。

1 气瓶紧固原理

气瓶在某型发射装置中的安装情况如图1所示。气瓶的前端与电磁阀相连，后端用固紧装置与大梁上的支座组件夹紧固定。其中，固紧装置和支座组件与气瓶接触面粘附有毛毡［2］，毛毡起到保护气瓶筒身不受刮擦和防止气瓶松动的作用。固紧装置的功能有2个：一是压紧气瓶，防止松动；二是上下移动压板，实现气瓶的快速拆装。

图1 气瓶后端紧固示意

图2为固紧装置工作原理图，气瓶的压紧通过上下移动弧形压板与支座之间的距离实现，其中支座位置不动，偏心轴转动时推动轴套带动弧形压板上下移动。碟形弹簧［3］起结构缓冲的作用，压紧力的大小由2组碟形弹簧的弹力决定。气瓶的防松转动，由毛毡与氮气瓶瓶身之间的摩擦力实现。

图3为固紧装置的位置限定工作原理图，偏心轴的位置通过销在键套上的沟槽位置决定。当固紧装置处于工作位置时（即落下位置），由于弹簧力的作用，销和键套不能产生相对运动，即偏心轴不会自己转动。当需要提起弧形压板时，需要操作工具顶进键套，使销移动到键套上的环形沟槽内，此时偏心轴才能转动，进而带动弧形压板向上升起。工作原理可以总结为：气瓶防振靠压紧装置偏心轴和碟形弹簧产生的压紧力；气瓶防转靠毛毡的摩擦阻力产生的阻力矩。其中，摩擦力的大小由压紧力和摩擦系数［4］决定。

图2 固紧装置工作原理

图3 固紧装置的位置限定工作原理

2 气瓶松动机理分析

针对气瓶松动的故障现象，根据发射装置的设计及使用情况将引起故障的可能原因列出，建立故障树，如图4所示。

图4 某型发射装置气瓶松动故障树

3 松动原因分析

根据故障树所列原因，对可能原因进行分析。

3.1 使用问题及外力过大

发射装置已经批量交付部队，使用人员都经过培训，且设计人员到现场确认了操作过程没有问题，因此，可排除使用问题导致故障出现的可能。

该型发射装置是国内首例翼尖侧挂发射装置，外形上与机翼连成一体，其悬挂位置和方式决定了使用环境比下挂发射装置更为苛刻，振动冲击较大，理论上难以掌握和计算，也缺乏经验数据，只能从飞行试验中逐步摸索。由于对翼尖侧挂环境不完全掌握，设计输入采用的是与翼下挂点一致的条件。

3.2 产品问题

3.2.1 制造缺陷

通过清查随行文件和生产交付记录，发现该型发射装置的生产过程严格按照产品规范进行，出厂前经过交检、军检均满足要求，例试中也未出现此故障，说明气瓶松动不是由于制造缺陷造成的。

3.2.2 设计摩擦阻力矩过小

从气瓶固紧装置的机理，可以推测发生气瓶松动的原因是控制气瓶转动的摩擦阻力矩不能有效地阻止气瓶因振动引起的转动。

翼尖侧挂使用条件下，当振动量值过大时，振动引起的气瓶松弛力矩超过了固紧装置产生的摩擦阻力矩，就会产生气瓶松动的现象。

摩擦力矩Mf与摩擦力f及气瓶直径d有关。

摩擦力与摩擦系数μ和正压力FN有关。

式（2）代入式（1）有：

气瓶直径d是由容积决定的，为固定值。根据式（2），摩擦力矩只与正压力和摩擦系数有关。正压力也导致摩擦力过小，进而导致摩擦力矩过小。

根据分析，气瓶松动的主要原因是阻止气瓶旋转的摩擦力矩过小。

4 纠正措施

提高摩擦阻力矩的措施有增大正压力或增大摩擦系数，下面就从这两个方面寻找解决措施。

4.1 提高正压力

造成正压力小的因素有2个：碟形弹簧的力值过小；支座安装位置过低。正压力由碟形弹簧变形产生，碟形弹簧载荷计算公式如下：

K1，K4为针对确定碟形弹簧类型的常数；N为碟形弹簧的载荷（N）；Nc为碟形弹簧压平时的载荷（N）；E 为弹性摸量（MPa）；υ为泊松比；t为厚度；h为碟形弹簧变形量；h0为碟形弹簧压平时的变形量；D为碟形弹簧的外径；C，C1，C2为关于弹簧自身特性的函数。t′／t，对 A，B系列碟簧取0.94，对 C系列取0.96。

根据固紧装置的工作原理可以知，Nc即为式（3）中的正压力FN，根据式（5），Nc与弹性模量E、厚度t、碟形弹簧压平时的变形量h0、碟形弹簧外径D和泊松比有关。提高正压力有2个途径，即提高碟形弹簧的弹力和提升支座安装位置的高度。

4.1.1 提高碟形弹簧的弹力

由于空间所限，碟形弹簧的尺寸不可能无限扩大。材料和外形确定后，弹性模量E和碟形弹簧外径D已经固定，碟形弹簧已经达到了最大力值，除非改用其他弹簧或者机构来提高气瓶的压紧力，利用现有机构很难提高气瓶的压紧力。由此看来，通过提高碟形弹簧的弹力来实现气瓶的压紧力的提高，并以此来消除故障的方法不可行。

4.1.2 提升支座安装位置的高度

提升支座组件安装位置的高度，就是提高式（5）中的碟形弹簧压平时的变形量h0。故障出现之初，曾经采取增加垫片的方式使支座组件的高度提升1 mm，试验后发现故障依然存在，说明支座组件增高1mm后，正压力依然偏小。受空间所限，h0不可能无限增大，另外，支座组件安装位置过高会导致碟形弹簧超出其允许变形的尺寸范围，长期使用将导致碟形弹簧发生疲劳破坏。分析和试验证明，依靠提升支座安装位置的高度来消除故障的方法不可行。

4.2 增大摩擦系数

根据式（3）可知，摩擦力矩Mf与摩擦系数μ成正比关系，摩擦系数的大小直接影响摩擦力矩。经典摩擦理论指出，摩擦系数是包含表面粗糙度等因素在内的综合反映。摩擦副的2种材料确定后，摩擦系数已经固定，无法提升。针对具体使用情况，毛毡在长时间与气瓶表面的摩擦中损耗较大，使其厚度变薄，表面变光滑，导致毛毡对气瓶表面的实际摩擦系数小于初始状态的摩擦系数0.22。

增大摩擦系数的可能途径是改变摩擦副的材料。由于被固定的氮气瓶表面粗糙度不能改变，惟一可行的方法是将毛毡更换为其他材料。

5 改进措施及验证

5.1 针对性措施

根据前文分析，可能采取的针对措施主要有：增大碟形弹簧的弹力；提升支座组件安装位置的高度；更换毛毡为更高摩擦系数、更耐磨的材料。

增大碟形弹簧力值需要重新设计碟形弹簧，同时需要更大的安装空间，现有发射装置的壳体无法提供更大的可用空间，也不符合改进原则。

提高安装位置的措施简单，但受发射装置的壳体空间所限，提高的量有限，不能彻底解决问题。

将毛毡更换为更高摩擦系数、更耐磨的材料是合适的选择。该方案符合改进的原则，外场能够方便快捷地实施，简单易行；完全保持现有的结构形式；没有添加新的零部件。

综合考虑，确定改进方案为将想在使用的毛毡更换为橡胶［2］材料。改进需要考虑的问题：橡胶的摩擦系数；长时间使用时橡胶的耐损耗度（厚度变化）；橡胶与金属件的连接；橡胶老化性能。

经过对比分析，确定牌号为试5171。该种橡胶与气瓶表面之间的摩擦系数（0.9）大与毛毡（0.22）。其主要用途为航空耐油件，广泛用语航空航天领域，在长时间使用过程中，不会发生厚度变薄，耐损耗度较好。橡胶与金属件的连接可采用硫化方式。

根据毛毡和橡胶对气瓶表面的摩擦系数，不改变正压力FN，由式（3）有：

Mf毛为毛毡对气瓶表面的摩擦力矩；Mf橡为橡胶对气瓶表面的摩擦力矩。

根据紧固方式可知，摩擦力有两处，弧形压板与气瓶接触面和支座组件与气瓶接触面。若将毛毡改为橡胶，更改前后摩擦力矩的比值为：

K1为将一处毛毡改为橡胶后摩擦力矩的比值；K2为将两处毛毡改为相交后摩擦力矩的比值。

根据以上分析，提出两种改进方案，方案一更换支座组件上的毛毡，摩擦力矩增大至原来的254%。方案二更换支座组件和弧形压板上的毛毡，摩擦力矩增大至原来的409%。支座组件拆装相对简单；而弧形压板属于固紧装置组件的一部分，更换时需要将整个固紧装置拆散。固紧装置组件结构相对比较复杂，拆装困难，对外场而言工作量很大。

5.2 试验验证

由于方案二产生的摩擦力矩大于方案一。试验验证针对方案一进行。图5为支座组件上毛毡改为橡胶前后的实物对比图。试验验证包括内场试验［5］、外场试验及橡胶老化性能对比试验3个方面。试验项目包括振动试验、冲击试验、抖振试验、高低温试验、霉菌及盐雾试验和橡胶老化性能对比试验。

图5 毛毡改为橡胶前后的实物对比

5.2.1 内场试验

内场试验主要验证振动、冲击和抖振环境下气瓶紧固效果是否良好，气瓶拆装是否顺利，橡胶与支座粘附是否正常；高低温、霉菌及盐雾试验后橡胶是否有严重的气泡、开裂、脱落和其他缺陷，橡胶与支座粘附是否正常。振动、冲击及抖振试验针对按照方案一完成改进后的整台发射装置进行。高低温、霉菌及盐雾试验针对改进后的支座组件进行。

振动、冲击和抖振试验后气瓶紧固良好，没有发生松动现象，拆装正常，橡胶与支座粘附正常；高低温、霉菌及盐雾试验后橡胶没有严重的气泡、开裂、脱落和其他缺陷，橡胶与支座粘附正常。

5.2.2 外场试验

外场试验选择在发生故障的外场站按照原飞行条件进行。验证实际使用条件下，气瓶紧固效果，气瓶拆装是否顺利，橡胶与支座粘附是否正常。

对外场反映气瓶松动的发射装置，按照方案一完成改进。进行10架次飞行后气瓶未发生松动现象，气瓶拆装顺利，橡胶与支座粘附正常。用户对改进措施反映良好，要求尽快实施改进。

5.2.3 橡胶老化性能对比试验

针对橡胶的老化，在北京301所进行了改进后支座上橡胶的加速老化对比试验，结果显示：

a.橡胶没有发生开裂，观察无粉化现象。

b.摩擦系数相对于老化前没有减小，而是增大。

c.橡胶5171与橡胶P127老化速率相当，类比分析橡胶5171的使用寿命满足20年要求。

试验证明方案一可行。确定解决措施为方案一，即将支座组件上的毛毡更改为橡胶。