鱼雷环境应力与工作应力耦合效应研究

佘 阳 ,王斗辉 *,谢章用 ,陆家乐 ,李 劲 ,陈 欢

(1.工业和信息化部电子第五研究所,广东 广州,5 113001;2.中国船舶集团有限公司第705 研究所,陕西 西安,710077)

0 引言

鱼雷是在水中自主航行,搜索、追踪和攻击舰艇和来袭鱼雷等目标的水中兵器,具有隐蔽性强、制导精度高、毁伤威力大等特点,是各国海军的主战兵器之一[1]。近年来,鱼雷行业迅猛发展,已从最初水面舰艇管装发射发展为潜艇管装发射、水面舰艇管装发射、水面舰艇助飞发射以及航空反潜作战平台空投使用,功能越来越复杂,集成度越来越高[2]。产品在实战化环境下受到的内外环境因素众多、失效模式多样、故障机理复杂,通常经历发射振动、入水冲击、雷伞分离冲击、实航工作(负载运动等)、实航水下环境等环境应力与工作应力的耦合作用,直接影响鱼雷的可靠性、工作寿命乃至作战效能。

明确环境应力与工作应力的耦合关系是解决产品寿命和可靠性分析的关键,一直以来备受关注。鱼雷产品结构组成复杂,自身功能多,水下环境恶劣多变,使得环境应力与工作应力之间的耦合关系复杂,对鱼雷产品性能与可靠性的影响程度各异,找出耦合效应下的失效模式与影响,是对产品可靠性分析与改进的重要支撑。鱼雷领域对此已开展了初步研究:文献[3]对碳纤维增强树脂基复合材料在湿热环境下进行寿命预测,当增加弯曲载荷的耦合作用时,弯曲载荷会大大缩减其使用寿命;文献[4]研究表明在鱼雷发射时,舰艇摇摆运动幅值较大会成为影响鱼雷入水参数的主要原因;文献[5]研究表明温度与振动之间的耦合作用会加速焊点疲劳失效,随着温度的升高,焊点的塑性提高,导致焊点的失效模式从脆性断裂向韧性断裂演化。

目前,国内外对鱼雷在环境应力与工作应力耦合效应下的失效模式及影响已进行了部分先导性研究,结果表明:鱼雷在运输、贮存、装载/挂飞以及实航等工作过程中会经历复杂的环境应力,各种应力对鱼雷产品作用必然会发生一系列的“物理时效”变化,使其材料和结构的缺陷或薄弱部位受到更快的腐蚀或破坏,包括元器件、部件和装备性能恶化和功能丧失等。但目前环境应力与工作应力耦合效应的研究存在应力考虑不全面的问题,缺乏系统性的总结。针对这一现状,文章基于历史数据分析和典型案例介绍,结合装备结构,较为系统地总结了鱼雷常用零部件在环境应力和工作应力耦合下的失效模式,包括弹簧、紧固件、焊接件、轴类零件、轴承、齿轮类、转子叶片类、液压系统类以及高分子材料类等,探索研究了失效模式对鱼雷的影响,为鱼雷的可靠性分析和改进提供理论支撑。

1 主要应力因素及影响

1.1 环境应力

鱼雷在工作过程中主要受到的环境应力包括:发射(空投/发射箱)时的温度、力学、大气以及太阳辐射等;空中飞行阶段的温湿度、力学、大气以及太阳辐射等;入水阶段的温度和力学等;水下航行时的温度、力学以及海水环境等[6-8]。具体环境应力分析见表1。

表1 鱼雷工作过程主要环境应力Table 1 Environmental stresses of torpedoes during working

1.2 工作应力

鱼雷在工作过程中经历的工作应力分析见表2。

表2 鱼雷工作过程主要工作应力Table 2 Working stresses of torpedoes during working

1.3 内外应力因素耦合作用影响

鱼雷在工作过程中,从发射出管,到空中飞行、水下航行等环节,会同时承受环境应力和工作应力的耦合作用,环境应力作为外界应力对鱼雷各零部件的材料特性产生一定影响,使零部件缺陷或薄弱部位进一步恶化,同时工作应力进一步加深缺陷和薄弱环节的裂纹、磨损和老化的扩展,最终导致失效或者故障[9-12]。

2 常用零部件环境应力与工作应力耦合效应

分别研究鱼雷常用零部件包括弹簧、紧固件、焊接件、轴类零件、轴承类、齿轮类、转子叶片类、液压系统类以及高分子材料类等在环境应力和工作应力耦合下的失效模式及影响,

2.1 弹簧

鱼雷中的弹簧按其材料特性划分,可分为金属类、非金属类和陶瓷类,且形状多样。弹簧在外力作用下,其内部产生的应力通常包括弯曲应力和扭转应力。

在腐蚀环境条件(高温、高湿、气蚀和酸性条件等)下,弹簧同时承受拉压和扭转的交互应力作用,使裂纹萌生和扩展加速,从而显著降低弹簧的疲劳特性。

高温会使弹簧材料膨胀,从而改变其自由高度和力学参数,如果弹簧同时经历拉压和扭转工作载荷,其力学性能就会发生永久变化,承受能力逐渐降低,导致应力松驰或变形失效。同时,高温会增加弹簧端面和板簧之间的摩擦系数,加速磨损。若再加上外界的振动,最终会发生微颤磨损故障。

低温会使弹簧材料的弹性模量、硬度及强度增加,使其塑性和韧性下降,加之冲击载荷作用往往会使弹簧材料发生脆性断裂失效。

2.2 紧固件

紧固件在鱼雷中应用广泛、种类繁多,一般情况下紧固件会承受到拉压、剪切应力等工作载荷。

在实际工作过程中,紧固件会承受振动作用、工作载荷的交变以及高温条件,致使其材料发生蠕变,造成摩擦力减小,螺纹副中正压力在某一瞬间消失,直至摩擦力为零,从而使螺纹连接失效。

如果鱼雷紧固件处在高温、高湿、高盐雾环境条件下,将会使紧固件危险部位以及有缺陷的部位恶化,如果此时又有振动及交变的工作载荷作用,将会加剧裂纹扩展最终导致腐蚀疲劳失效。同时,钢质紧固件会因生锈降低强度,在工作应力作用下产生断裂或材料剥落;非金属材质的紧固件会发生老化断裂。

2.3 焊接件

焊接件分布在鱼雷壳体、管路和容器等的零部件上,一般承受拉压、扭转等交变工作应力。

根据外场统计发现,在寒冷大风的环境中,焊接件很容易发生脆性断裂。这是由于材料焊接处的塑性变形能力不足以承受由于交变工作应力引起的应变量,同时焊接处有较大应力集中,容易产生裂纹,在振动的作用下裂纹会继续扩展直至发生脆性断裂失效。

高温条件下,汽轮机或燃气轮的叶轮和叶片等运动部件的焊接件经受交变应力作用,会产生循环塑性应变。随着循环加载的继续,裂纹在这些关键区域的薄弱点上成核,开始出现微裂纹。微裂纹在塑性区中扩展,并逐步增长为可检的宏观或工程裂纹。最后裂纹穿过塑性区继续扩展,直至断裂。

温度冲击作用下,焊接部位会产生热胀或冷缩,从而形成强大的内应力,伴随着工作应力和振动将会进一步加速裂纹扩展。

在盐雾环境条件下,鱼雷零部件焊接部位应力集中处以及有缺陷的部位会发生化学或电化学反应,产生腐蚀裂纹,其在交变应力作用以及振动条件下会进一步快速扩展,裂纹根部又进一步腐蚀,致使材料强度降低,当材料强度小于工作载荷和振动共同作用产生的应力时,会发生失效。

2.4 轴类

轴类零件是鱼雷中不可或缺的零部件之一,主要承受弯曲和扭转应力。

鱼雷中某些轴运转速度较高,在启动和运转过程中常常激发出有害振动,轴运转产生的振动会加速其动静部分的磨损和产生偏磨,因为振动使轴与轴瓦接触处产生较大压力,摩擦力增大,致使摩损加剧。在高温、高湿或盐雾条件下,轴类零件的表面粗糙度增加,引起应力集中,在工作应力作用下萌生疲劳裂纹,在长时间的交变载荷和腐蚀环境下会导致腐蚀疲劳失效。

同时,在工作过程中,砂粒、灰尘或其他碎片等外来硬质点会与鱼雷旋转零部件表面接触,按照切削机制使轴件表面产生磨削痕迹,使轴件的尺寸减小或形状改变,进而导致失效。

2.5 轴承

轴承用来支撑转动轴或其他旋转零件,引导旋转运动并承受传递给支架的载荷,在鱼雷中应用最为广泛。

轴承在运转过程中,其滚动体和内外圈等会承受很高的周期性载荷,若轴承承受较大内外振动激励,会加速萌生疲劳裂纹,裂纹进一步扩展会最终导致轴承零部件工作面发生疲劳剥落。

在高温或温度冲击条件下,轴承内的润滑剂黏度也将发生急剧变化,降低润滑剂的润滑特性,同时会对零部件所用材料的金属组织和硬度产生较大影响,在高速重载下将会加剧轴承各零部件之间的磨损。高温条件还会使润滑剂流失,增加锈蚀风险。

2.6 齿轮类

齿轮是鱼雷传递功率和运动的重要部件,一般在有润滑的条件下工作,其承受的主要工作载荷有扭矩以及齿面的啮合力等。

在相同条件下,润滑剂黏度越高越有利于油膜的建立。油膜黏度越高,齿轮接触部分的应力就越均匀,越能有效减缓冲击载荷,并相对降低最大接触应力。但是随着环境温度的升高,润滑油的黏度逐渐降低,导致齿面啮合时的摩擦力增大,同时产生高温,如此恶性循环可能导致齿面因温度过高而烧伤,从而产生麻点剥落或胶合损伤。

鱼雷在工作过程中会产生自激振动并承受外界振动激励,特别是在某一过度转速上,会导致产生较大振动应力。同时与交变的工作应力叠加,使齿轮危险截面产生细小裂纹,随着鱼雷工作循环的不断增加,裂纹会不断扩展最终导致疲劳断裂。

鱼雷齿轮在工作时其润滑剂中可能存在污染物或杂质,会与齿轮材料发生化学或电化学反应,导致齿面产生锈蚀或裂纹,引起应力集中,成为裂纹萌生源。一旦形成裂纹,则裂纹会在腐蚀环境下迅速扩展,使齿轮发生破坏。

齿轮啮合面间如果存在硬质颗粒,啮合面相互滑动会使硬质颗粒压入并滑移形成磨沟,如此反复,会造成较大接触面材料流失,形成磨损。

2.7 转子叶片类

鱼雷的航向传感器叶轮和电动机等均包含转子叶片类零件。转子叶片在高速旋转状态下工作,承受机械离心力及其弯矩、气动力及其弯矩、热应力以及振动应力等工作应力。

转子叶片在工作过程中,在温度交变和应力交变的双重作用下会出现塑性变形,即蠕变损伤。

转子叶片在工作过程中,如果承受较大的振动激励或者在转动过程中产生颤振或扭转共振等,同时叠加工作转动产生的离心力和弯曲应力,将会在叶片危险截面附近产生细小裂纹,并逐渐扩展直至断裂。

在腐蚀环境条件下,转子叶片表面粗糙度会因化学或电化学反应而增加,引起应力集中,在工作应力作用下萌生疲劳裂纹,在长时间的交变载荷和腐蚀环境下将会导致腐蚀疲劳失效。叶片在高速运转过程中,如果有砂尘作用在叶片上,叶片与砂尘相互撞击将会导致叶片表面材料剥落、凹坑等缺陷,致使缺陷处应力集中。在高速运转过程中承受较高工作应力,将会促使缺陷恶化扩展。

2.8 液压系统

某些鱼雷的舵机靠液压驱动,液压系统是极为重要的辅助能源系统,主要包括:供压部分(液压泵)、执行部分(作动筒、液压马达)和控制部分(用于控制系统中的油液流量、压力和执行元件,即各种控制阀类)。液压系统主要承受运动、旋转和拉压等应力作用。

高温条件会导致液压油温度升高、黏度降低、泄漏增加;同时随着液压油的黏度降低,滑阀等移动部件的油膜逐渐变薄直至被切破,摩擦阻力增大,导致磨损加剧。同时,高温也会加速油液氧化变质,并析出沥青物质,降低液压油的使用寿命。析出物还会堵塞阻尼小孔和缝隙式阀口,导致压力阀卡死等情况发生。

液压系统油液污染物分为固体、液体和气体3 种形式。固体颗粒主要由剥落物,胶质,金属粉末,空气中的粉尘、砂子、研磨粉、沉积物和纤维等组成;液体污染物主要指水分、清洗液及其他种类的油液;气体污染物则主要指空气。受固体污染物污染的液压油进入液压系统运动部件配合间隙中,会划伤配合表面,破坏其精度和粗糙度,使油液泄漏增加,油温升高;受液体污染物污染的液压油会加速油品老化,使得油品乳化、润滑等性能明显变化,造成液压系统故障;液压系统中若混入空气,在低压区时空气会从油中逸出并形成气泡,当其运动到高压区时,这些气泡将被高压油击碎,受到急剧压缩而释放出大量热量,引起油温升高。

液压系统承受的振动激励主要包括外界环境激励和自身旋转设备产生的自激振动。液压系统在工作过程中,若外界或自身有较大的振动激励,将会使运动部件撞击支撑座,增大运动摩擦力,降低运动稳定性,加剧磨损泄漏。振动还会使液压系统零部件的危险截面附近萌生裂纹,加之液压系统高压形成的应力,会加速裂纹扩展直至断裂,造成液压油泄漏。

2.9 高分子材料类

鱼雷使用的各类密封胶圈、橡胶软管、绝缘垫等均属于高分子材料零部件,这些高分子材料主要包括航空橡胶板、ABS 树脂、聚甲醛、聚氨酯、碳纤维/酚醛、尼龙和环氧酚醛等。

在高温环境条件下,高分子材料极易发生软化、膨胀、硬化及龟裂。同时在工作应力的作用下,其将产生永久变形,加剧磨损,使其失去固有特性。

化学侵蚀会使弹性体的体积发生很大变化:弹性体膨胀会造成挤压破坏、密封面变形或同轴度误差;弹性体收缩会使密封圈失去过盈配合的作用。密封圈发生腐蚀还会造成泄漏和密封圈材质改性及断裂现象,同时在工作应力作用下会加速密封圈的磨损和断裂。

在振动环境条件下,高分子材料零部件由于普遍较软,很容易造成挤压变形,使其固定预紧力减小,直至松脱。振动环境还会加大高分子材料零部件之间的正压力,增大摩擦力,最终加速其磨损,且磨损不均匀。

3 实例分析

通过统计分析以上9 类零部件的失效历史数据,得出零部件的主要失效模式包括松脱断裂、磨损磨蚀、密封失效、腐蚀锈蚀、机械变形和卡滞堵塞等。其中故障率较高的是松脱断裂、密封失效、腐蚀锈蚀和机械变形4 类失效模式。以下主要针对这4 类失效模式,结合耦合作用下的失效特点,给出具体实例分析。

3.1 松脱断裂失效模式

图1 是某产品在多次试验后壳体内部的裂纹图。沿壳体断口附近切片,并利用木锤沿原断口附近敲击打断,观察断面形貌,发现裂纹具有断面平整、组织细腻致密、无疏松缩裂、表面晶粒粗大以及毛糙分叉的表征,但裂纹断面中存在丝绸纹的氧化膜夹杂,而裂纹起始处也在氧化夹杂集中处,说明壳体裂纹产生原因主要是长期工作应力和高温环境应力引起的疲劳失效。

图1 铸造铝合金壳体贮存失效裂纹Fig.1 Storage failure crack of cast aluminum alloy shell

该类失效模式下环境应力和工作应力的耦合作用特点主要表现为:由于使用频繁,产品经历了多次非周期性振动,尤其是在离开发射平台前,会产生严重的加速度过载,这种振动冲击载荷比其他环境因素对产品的影响严重得多,在振动环境应力和工作应力的耦合作用下容易对产品产生疲劳累积损伤。

3.2 密封失效模式

在鱼雷结构密封材料中常用的硅橡胶6144 产品,具有高弹性、透气性差、密度小等优点。但其在使用过程中也存在密封圈老化,阀密封线缺口,密封部件压痕过深等现象,导致密封失效的问题。

该类失效模式下环境应力和工作应力的耦合作用特点主要表现为:鱼雷中的O 型密封圈或密封垫在高温环境应力和工作应力耦合作用下,随着温度的增加,电子、原子和分子运动速度加快,激发了热力效应,促使橡胶产品在高温下产生裂纹、断裂和膨胀等,导致了产品提前失效。

3.3 腐蚀锈蚀失效模式

图2 是某产品在包装箱密封包装下未发生腐蚀,但在技术阵地期间,在包装密封失效情况下,出现的螺钉电偶腐蚀。在壳体的套接或对接结构中,不同壳体的材料可能不同,不同材料的接触会造成电偶腐蚀。

图2 螺钉电偶腐蚀Fig.2 Corrosion of screw electric couple

该类失效模式下环境应力和工作应力的耦合作用特点主要表现为:产品搁置在沿海地区,在电化学反应引起的腐蚀和盐沉积耦合作用下,应力腐蚀的破坏作用不断加剧,导致金属腐蚀和油漆起泡;同时,盐在水中电离后形成酸碱溶液,游离的酸或碱与金属发生化学反应,电解过程和化学反应可同时发生。

3.4 机械变形失效模式

图3 是某产品芯片外壳沿固有机械损伤处的开裂。由于产品外壳焊接时存在焊接缺陷,使得毛坯产生很大的内应力,这种内应力往往相互平衡,但在振动、高温等环境应力和工作应力耦合作用下,会加速焊接结构的疲劳损伤,造成零件开裂、变形甚至破坏。

图3 芯片外壳变形开裂Fig.3 Deformation and cracks of the chip shell

4 结束语

文中结合鱼雷环境应力与工作应力耦合效应下失效模式及影响的研究现状,系统总结了鱼雷9 种常用零部件在环境应力和工作应力耦合下的失效模式,并对故障率较高的4 类失效模式对鱼雷的影响进行了实例分析,其故障原因主要是随着环境应力的增加,激发了产品的热力效应、电磁效应等,促使产品提前失效,可为鱼雷的可靠性分析、改进以及后续维护保养提供参考依据。

文中未考虑海水压力、海水腐蚀、海水生物、海流、海况等海水环境应力和工作应力的耦合效应,下一步可对海水环境应力和工作应力的耦合效应开展研究。