火炮炮闩击发机构可靠性强化试验技术

杨艳峰，郑　坚，狄长春，王宏凯，王　帅

（1.军械工程学院，石家庄　050003；2.武汉军械士官学校，武汉　430075）

火炮炮闩击发机构可靠性强化试验技术

杨艳峰1，郑坚1，狄长春1，王宏凯1，王帅2

（1.军械工程学院，石家庄050003；2.武汉军械士官学校，武汉430075）

为提高炮闩的试验效率和可靠性，将可靠性强化试验理论引入其可靠性研究中。以火炮炮闩为强化试验载体，基于虚拟样机技术对击发机构磨损失效进行强化试验研究，依据受力分析确定了增大击针簧刚度的强化试验技术，通过仿真试验和分析，结果表明机构磨损量强化系数随强化应力水平的提高而变大，所确定的强化试验技术加快了零部件失效进程，有利于缩减可靠性试验的时间，为可靠性强化试验在装备机械系统中的应用提供理论和技术支撑。

炮闩，可靠性强化试验，虚拟样机，磨损

0　引言

可靠性强化试验是一种以激发故障为目的的新型加速应力试验技术方法。通过施加远大于技术条件规定的应力而快速地进行试验，并通过改进来提高系统的可靠性，很好地弥补了传统可靠性试验技术在时间和经费上不能与系统研制需求相适应的不足。

自20世纪80年代末诞生以来，可靠性强化试验技术呈现出蓬勃发展的趋势，其研究广泛应用于电子、通信、计算机、医疗、交通、能源、航空、航天和军事等领域。如美国波音公司在波音-777、737改型上成功采用强化试验方法［1］。国内在可靠性强化试验技术方面的研究与应用比较晚。20世纪90年代初，一些学者通过对外访问、技术交流等途径了解到国外对加速可靠性试验的重视。2000年后国内陆续发表了一些可靠性强化试验技术的介绍类、跟踪研究类文章［2-3］。近几年，随着对可靠性强化试验技术了解的加深，国内开始了独立探索和应用［4-6］。

目前，可靠性强化试验在我国从理论到试验设备再到具体的实践已经得到一定的发展，但是很多理论和技术研究还不够深入，应用不太成熟。本文主要以炮闩击发机构中磨损零部件为例，基于仿真技术进行强化试验技术研究。

火炮炮闩是一个典型的纯机械系统，在实际使用工况下其构件的磨损失效是一个相对比较漫长的过程，其可靠性试验需要花费大量的时间和费用。为此，通过对机构或零件实施可靠性强化试验，缩短试验的时间和成本以提高效费比，实现短时间内对零件可靠性的评估，这具有十分重要的现实意义。

1　强化试验理论分析

1.1工作原理分析

击发机构如图1所示，复拨器拨动子及套在其上的拨动子杠杆均安装在炮尾上，击针、击针体、拨动子、拨动子轴、拨动子驻栓以及推杆均安装在闩体上。

图1　击发机构

在开闩过程中，闩体相对于炮尾下降，带动闩体上机构一起下降，拨动子轴支臂就与复拨器拨动子支臂接触并相互作用，迫使拨动子轴带动拨动子转动，拨动子转动的同时拨击针体向后，压缩击针簧，储存击发能量，如图2所示。

图2　拨动子轴支臂滑过复拨器拨动子支臂

当拨动子转到一定角度时，在推杆簧的作用下，推杆使拨动子驻栓左移，其深槽处卡住拨动子缺口，将击针保持在待发位置。随着闩体继续下降，一直到关闩到位，击针一直蓄势待发，且在上升过程中，两支臂会发生第2次碰撞接触。

1.2失效机理分析

拨动子轴支臂与复拨器拨动子支臂间相互作用，多次循环后其外轮廓会出现磨损，到一定程度后将无法使拨动子转过设计角度，也就不会拨回击针而形成待发，直接导致击发机不起作用，同时标志着该机构的失效。

1.3磨损加速性验证

影响零部件磨损的因素有很多，主要可归结为两个方面，一方面是外在因素，如温度、载荷、滑动速度和滑动距离等；一方面是内在因素，即零件自身的物理性能，如所用材料力学性能、零件表面的结构参数等。

对于炮闩击发机构而言，其零件所用材料物理性能是确定的，因此，主要考虑外在影响因素。机构在动作过程中，由于磨损零件相互作用时间短，不超过1 s，且是间歇性的，因此，其摩擦磨损产生的热量会很快散失，不会导致零部件温度的升高，故不考虑温度这一影响因素对零部件间摩擦磨损的影响。滑动距离则与摩擦磨损时间相关，是一个累积量。因此，本文主要围绕载荷和滑动速度两个主要因素对零件磨损加速性进行分析研究。

依据目前摩擦磨损理论和试验研究，干滑动摩擦磨损量W主要取决于表面压力p、滑动速度v以及作用时间t，即［7］：

式中：W是磨损量，即接触区域单位面积上的磨损量；KW是工况条件系数，与材料、表面品质和润滑状态等因素有关；p、v是（表面）正压力、速度；m、n是压力和滑动速度对磨损率的影响指数；t是磨损时间。

2　强化试验技术及方案确定

对于炮闩强化试验则主要通过改变系统零部件结构性能来实施。

对击发机构零部件进行受力分析，如图3所示。图中略去闩体对拨动子轴的作用力，仅对影响两支臂间作用强度的力进行分析。

图3　击发机构零部件受力分析

图3中拨动子轴右端以方头与拨动子的方孔配合，从而带动拨动子拨回击针。F1即为复拨器拨动子支臂与拨动子轴支臂间的作用力，F2为拨动子在拨回击针时受到的反作用力。可以说正是由于力F2的存在，两支臂间会产生相互作用力F1。强化试验技术所要达到的目的是提高力F1的强度，而力F2是压缩击针簧产生的。由此不难得到，只要改变击针簧的作用效果，就会改变支臂间的作用强度。

依据击发机构受力分析以及动作机理，确定强化试验技术为：通过加大击针簧刚度或预压力来间接加大支臂间作用强度。

在击针簧所处空间一定的条件下，要想增加击针簧的预压力，就需要增加击针簧的预压缩量；而在有限的空间内改变击针簧刚度，会使支臂间作用强度变化更明显。因此，通过加大击针簧的刚度来提高两支臂间作用应力的水平，加快构件表面的磨损，使构件的性能加速退化，据此来实施强化试验。

由于击针簧处于击针体中，其横向尺寸是不能随意改变的。在有限的空间中，切变模量、有效圈数保持不变的条件下，依据弹簧刚度计算公式［8］，在MATLAB中编程求击针簧刚度最优解。

式中：G为弹簧材料的切变模量；n为弹簧的有效圈数（参与变形的圈数）；d为簧丝的直径；D2为弹簧的中径；C为旋绕比。

设置约束时，旋绕比C取常用范围5～8。通过计算，当旋绕比C=5时，击针簧刚度可以达到极值，是初始值的1.70～1.74倍。因此，在以改变击针簧刚度指标作为强化试验技术时，其刚度最大取为1.7 k。这样就确定了击发机构强化试验应力水平的极限。

具体试验方案为：分别选取应力水平k、1.1 k、1.3 k、1.5 k、1.7 k，进行强化试验。

3　强化试验仿真与分析

通过炮闩虚拟样机动作仿真试验，测得自动开关闩过程中击发机构在正常应力水平k和强化应力水平下构件间载荷谱和相对运动速度谱。图4、图5显示了应力水平k、1.3 k和1.7 k下动力学参量。

图4　自动开关闩过程中支臂间碰撞力

图5　自动开关闩过程中支臂间相对运动速度

在整个仿真过程中，即一次开、关闩动作，拨动子轴支臂与复拨器拨动子支臂前后发生两次接触：第1次是开闩拨回击针；另一次是关闩过程中拨动子处于待发状态下，两支臂发生碰撞和相对滑动。从图4中可以看出，随着击针簧刚度的增加，两支臂接触后碰撞力变大，这与预期增大作用强度的目标相一致。图5中，两支臂间的相对运动量并没有随强化应力水平的提高而改变，两次接触过程中，速度曲线规律相同，且基本重合。

对于机械磨损失效强化试验来说，零部件磨损后其外部形态发生了改变，表面出现了犁沟或凹坑等磨损形式，同时伴随着磨屑的产生。因此，可以将不同应力水平下机械磨损量的多少作为衡量强化效果的指标。磨损量的强化系数K可表示为

式中：H和H1分别表示在正常应力水平和强化应力水平下零部件单次动作的磨损量。

仿真试验测得的载荷谱和相对速度谱是随时间变化的，为便于计算磨损量，以仿真采样间隔作为一个时间微元Δt，在任一时间微元Δt中将接触压力和相对速度作为常数处理。

假设a为两零部件整个相互作用过程中载荷谱的采样点数，根据式（1），则某一时间微元Δt（i）内零部件的接触面积S（i）上的磨损量可表示为（i=1，2，3，…，a）

则零部件单次动作总的磨损量为

用α、β分别表示正常应力和强化应力水平下载荷谱的采样点数，那么由上述几式可得接触磨损单次动作后磨损量强化系数为

将仿真所得载荷谱和相对运动速度谱以及销—盘磨损试验得到的磨损量计算参数KW、m、n带入到MATLAB，并依据磨损量计算公式进行编程计算，最终得到不同强化应力水平下的试验系数，如表1所示。

表1　强化试验统计表

从表1中得到，随着强化应力水平的提高，拨动子轴支臂与复拨器拨动子支臂的碰撞力峰值和均值增大，磨损量强化系数变大。因此，该强化试验技术可以加速机构磨损失效，有助于缩短机构可靠性试验的时间。

4　结论

本文火炮炮闩击发机构磨损失效零部件为试验对象，基于炮闩虚拟样机开展了强化试验，试验结果证明所确定的改变击针簧刚度的强化试验技术是可行的，当弹簧刚度达到1.7 k时，磨损量是正常应力水平的1.81倍，有效缩短了可靠性试验周期，可以指导实际可靠性强化试验。可靠性强化试验研究有助于提高武器装备机械系统可靠性试验水平，实现系统可靠性增长。

［1］MCLEAN H.The application of accelerated testing methods and theory HALT，HASS and HASA［J］.QualMark Corporation，2000（3）：4-7.

［2］陈循，陶俊勇，张春华.可靠性强化试验与加速寿命试验综述［J］.国防科技大学学报，2002，24（4）：29-32.

［3］蒋培，陈循，张春华，等.可靠性强化试验技术综述［J］.强度与环境，2003，30（1）：59-64.

［4］褚卫华.模块级电子产品可靠性强化试验方法研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2003.

［5］罗敏，姜同敏.用于产品安全加速范围的可靠性强化试验技术［J］.兵工学报，2010，31（1）：79-83.

［6］张仰平，卓继志，李兴林，等.ABLT-7型带座外球面轴承寿命及可靠性强化试验机［J］.轴承，2009（12）：48-50.

［7］张景柱，徐诚，高效生，等.基于虚拟样机技术的装备操纵摩擦元件寿命预测［J］.火炮发射与控制学报，2006（2）：43-45.

［8］杨可桢，程光蕴，李仲生.机械设计基础［M］.北京：高等教育出版社，2006.

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

杨艳峰（1988-）男，河北张北人，博士研究生。研究方向：武器系统可靠性与试验技术。