火工品反复拆装使用与验证方法研究

丁 华 ，龙 军 ，梅 辉 ，雷 波

（1. 第二炮兵驻692厂军事代表室，四川 泸州，646005；2. 中国航天科技集团公司七院六九二厂，四川 泸州，646005）

导弹火工品在实际使用过程中由于使用和维护的需要，存在从弹上拆卸和再次安装的情况。火工品是一次性使用的高可靠性、高安全性产品，如果在拆卸和重复安装过程中对火工品本身带来了损伤，将降低火工品在使用中的安全性和可靠性，甚至会造成严重的事故；又因为火工品进行过安装，拆卸后未达到使用寿命就提前退役，这不仅将带来大量的经济损失，而且会给导弹的维护以及备件更换等带来困难，因此需要正确评估产品的反复拆装使用性能。

1 典型火工品及安装模式

导弹在运输、维护、调试、总装过程中，需要拆卸连接部件才能开展后续工作，例如用于尾罩连接、级间连接的爆炸螺栓；有些出于安全考虑，例如用于发动机点火的起爆器（点火器），需要拆卸起爆器（点火器）以防止发动机意外工作。在导弹实际安装使用维护过程中主要是这两类火工品需要进行反复拆装。

起爆器（点火器）安装方式主要通过输出端的螺纹与下一级元件的壳体相连，典型安装结构见图1。爆炸螺栓的典型安装结构见图2。

图1 起爆器（点火器）典型安装结构示意图Fig.1 Structure schematic of initiator(igniter) installation

图2 爆炸螺栓典型安装结构示意图Fig.2 Structure schematic of explosive bolt installation

2 可能存在的失效模式

起爆器（点火器）和爆炸螺栓在反复拆装使用过程中，安装面受到力矩，螺纹受到压力，螺纹根部受到拉扭组合作用力，这些都可能对产品机械性能带来损伤，对内部结构造成影响；在实际操作过程中，螺纹、密封面等接触面之间的摩擦可能会产生多余物，若进入螺纹配合面，将造成螺纹变形而无法拆卸。因此，可能出现的失效模式主要包括：（1）拆卸过程螺纹咬死，无法正常拆下。由于材料的特性，部分材料之间亲和力较强，螺纹之间相互咬死；有些螺纹由于加工原因，螺纹齿之间间隙存在偏差，造成螺纹之间咬合不均，这些均容易造成火工品无法正常拆下；（2）拆卸过程螺栓损伤，无法正常安装。拆卸过程由于施加力矩过快、用力不均或过猛、安装时有异物夹在螺纹之间，均有可能造成拆卸过程螺纹损伤；（3）反复拆装过程中，破坏了产品密封结构，造成产品功能失效。图1～2中产品装药主要通过插塞、金属卷边涂胶等方式进行密封，产品反复拆装过程中壳体变形和部分接触面的挤压，可能造成内部密封面局部破坏，后续温湿度变化将造成内部装药受潮，或产品密封性能下降、输出能量偏低，影响产品性能，最终造成产品功能失效；（4）反复拆装过程中，对机械结构造成了损伤，结构强度下降。如图2所示，产品施加安装力矩时，承载分离面会产生较大应力，当应力较大时可能会对机械结构造成损伤，使产品承载和结构强度下降，影响产品性能；（5）反复拆装过程中，由于壳体产生应变，造成内部装药结构发生变化。如提高和降低装药密度、造成药剂混药等，最终影响产品输出性能。

3 反复拆装的影响

根据上述失效模式分析，反复拆装可能的影响主要有3点：一是螺纹损伤或螺纹咬死，造成产品无法正常安装或拆卸；二是对产品结构造成影响，包括承载结构和密封结构；三是对产品装药造成影响。

针对第1点，主要从设计和实际操作两方面进行控制，在设计上避免选用亲和力较强的材料，在实际操作过程中控制拆装力矩，并加强接触面的清理。

针对第2点，对结构的影响可以进行计算分析，通常采用公式计算和仿真分析相结合的办法。施加安装力矩会给起爆器和螺栓壳体施加一个力矩M，由于螺纹作用，力矩还会给螺栓产生一个轴向的拉力F，如图3所示。根据计算结果和破坏力矩试验验证情况，结构破坏通常是由于轴向拉力F造成。

图3 受力示意图Fig.3 Diagram of endure force

以某190kN爆炸螺栓为例，按照拉力计算其破坏力矩为M=kDF，式中k为转换系数，通常为0.1～0.3，根据经验数据取0.15；D为螺纹直径，该螺栓为M24×1.5，取22.376；F为其拉断力，为190kN，则破坏力矩为638N·m。

通过ANSYS软件仿真计算，固定螺栓本体六方，对螺母施加600N·m安装力矩时，螺栓头根部应力最大为1 081MPa，达到了材料强度，应力分布见图4。

针对该爆炸螺栓的使用情况，模拟爆炸螺栓的安装状态设计破坏力矩试验，进行破坏力矩验证，其安装结构示意图见图5。试验结果表明破坏力矩为600～640N·m，均为螺栓头根部结构破坏，螺栓安装及结构破坏照片见图6，根据破坏力矩试验结果，可以明确拆装力矩，一般拆装力矩不大于破坏力矩的 1/3，此时产品内部应力较小，根据仿真分析结果，最大应力不超过400MPa，零件之间无明显位移。

图4 破坏力矩仿真分析Fig.4 The simulation analysis of failure moment

图5 破坏力矩试验示意图Fig.5 Schematic of failure moment test

图6 螺栓破坏照片Fig.6 Photos of the destruction of bolt

针对第3点，可以采用仿真计算分析安装力矩对装药结构的影响，计算装药部位各点的应变情况，从而对装药容腔、药剂位移情况进行分析。以某点火器为例，其安装示意图如图 1所示，其破坏力矩大于60N·m，安装力矩为20N·m，通过ANSYS软件仿真计算，装药容腔最大应变为 0.01mm，对装药容腔变化和药剂位移影响非常小，不会对产品输出性能带来影响，应变分布情况见图7。

图7 点火器施加力矩内部应变仿真分析Fig.7 The simulation analysis of internal strain of igniter applied moment

4 反复拆装使用措施

针对反复拆装过程可能出现的问题，对反复拆装使用的火工品进行分析，建议采取下列措施：

（1）不锈钢材料之间的亲和力较强，非常容易造成螺纹咬死，因此内外螺纹材料不能都使用不锈钢；（2）反复拆装过程中，施加力矩用力应均匀，拆卸下的产品和零件内外螺纹应进行清理、检查，擦掉螺纹上的多余物，避免再次安装时损伤螺纹，造成螺纹咬死；（3）进行破坏力矩试验，确定的安装力矩应不大于破坏力矩的 1/3，防止安装力矩过大，造成螺纹、内部密封结构和机械结构损伤；（4）进行相关的反复拆装试验，验证产品的反复拆装性能。

5 反复拆装验证

5.1 反复拆装验证方法

起爆器（点火器）和爆炸螺栓在实际工程应用过程中，为了验证其反复拆装性能，通常在产品研制过程中选取一定数量的产品进行反复拆装验证试验。模拟产品经受各种外部环境，验证其性能是否能够满足使用要求。主要包括：（1）模拟反复拆装试验：试验时模拟正常使用时安装和拆卸的过程，出于裕度考虑，试验反复拆装的次数通常大于需要反复拆装使用的次数；（2）环境试验：模拟反复拆装后，产品经受相关的自然和力学环境；（3）机械强度试验：模拟反复拆装后，验证产品机械性能是否满足技术指标，爆炸螺栓主要进行拉伸破坏载荷试验，验证其承载性能；（4）发火性能试验：模拟反复拆装后，验证产品发火性能是否满足技术指标。典型试验程序见表1。

表1 火工品反复拆装试验程序Tab.1 The test program of repeated disassembly of initiating explosive device

5.2 反复拆装验证试验

以某190kN爆炸螺栓和某点火器为例，介绍反复拆装试验验证情况。

5.2.1 爆炸螺栓反复拆装验证试验

为了验证爆炸螺栓能否能在125N·m安装力矩下反复拆装使用3次，进行了6次125N·m反复拆装试验。试验共40发，其中爆炸螺栓成品30发，螺栓体10发，试验程序见表2，试验照片见图8。

由图8及表2可见，40发产品经过反复拆装试验后，各项性能均满足要求，且与生产数据比较无异常。

图8 爆炸螺栓反复拆装试验照片Fig.8 The photos of verification test of repeated disassembly for explosive bolt

表2 爆炸螺栓反复拆装试验程序Tab.2 The test program of repeated disassembly of explosive bolt

5.2.2 点火器反复拆装验证试验

为了验证某点火器能否在20N·m安装力矩下反复拆装使用3次，进行了6次20N·m反复拆装试验。试验共30发[1]，试验程序见表3。

30发产品经过反复拆装试验后，各项性能均满足要求，且与生产数据比较无异常。上述爆炸螺栓和点火器已经过某导弹大批量反复拆装使用，实际使用过程中，反复拆装3次以内，安装使用和工作性能均满足设计要求。试验及实际反复拆装效果证明，其安装力矩不大于其破坏力矩1/3时，具有较好的反复拆装性能。

表3 点火器反复拆装试验程序Tab.3 The test program of repeated disassembly of igniter

6 结束语

反复拆装试验验证过的产品目前已经过大量实际应用，未发现在反复拆装使用过程出现异常，表明针对火工品反复拆装采取的措施和验证方法合理有效。但在实际使用过程中应注意下列问题：（1）由于火工品具有一次性使用的特点，为保证工作的可靠性，不要过多地追求其反复拆装使用次数；（2）火工品反复拆装过程中最常见的失效模式是螺纹咬死，在条件许可的情况下，可在螺纹上涂抹润滑剂；（3）在反复拆装使用过程中发现连接螺纹、密封面有异常，应停止再次安装使用，防止螺纹咬死或对其性能造成影响。

[1] GJB 1307A-2004 航天火工装置通用规范[S].国防科学技术工业委员会,2004.

[2] 蔡瑞娇,等.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社,1999.