基于故障树的某闭锁机构故障原因仿真分析

朱延飞，魏立新

(中国船舶重工集团公司 第七一三研究所， 郑州 450015)

转管武器以其射速高、火力密度大、可靠性高等特点为世界各国所关注，但高发射率的特性使其系统受力非常复杂。转管自动机作为核心部件，机构动作复杂，零部件的运动多属非线性高阶运动，其故障模式多样，故障分析和定位比较困难。

故障树分析主要用于系统的可靠性、安全性分析和风险评价[1]。随着结构系统的日趋复杂，常规的故障分析法已不能很好地求解结构的故障问题，尤其是结构具有明显非线性特征时[2]。用试验加仿真分析的方法解决复杂结构的故障原因分析问题，已成为一个有效的手段和重要的发展趋势。

本文以某转管自动机闭锁机构为研究对象，运用故障树加仿真分析的方法，对炮闩机头闭锁面出现微裂纹及磨损进行了深入分析，建立了原因分析故障树及故障原因动力学模型，通过仿真分析确定了该故障的主要因素，并提出了故障解决措施，试验结果表明故障得到了有效解决。试验与仿真相结合的故障分析方法是故障原因分析行之有效的方法之一，对工程中故障分析及设计具有一定的参考价值。

1 闭锁机构组成及原理

某转管自动机的闭锁机构主要由炮闩、星形体、曲线槽、炮尾等组成，其三维模型如图1所示。炮闩的用途是将炮弹依次送入药室，并闭锁药室，进行发射和退壳[3]。

星形体做圆周运动带动炮闩转动，炮闩滚轮在曲线槽内滚动的作用下使炮闩沿星形体轴向运动，当闩体上的闭锁触发面与闭锁器触发面接触后，闩体沿自身轴线回转，同时，闩体上的闭锁面与炮尾上的闭锁面的相互贴合，保证了炮膛密闭。

图1 闭锁机构三维模型

2 闭锁机构故障现象及原因分析

某转管武器在射击试验过程中自动机工作正常，但在射击完成后维护保养时发现部分炮闩机头闭锁机构局部出现微小裂纹及一定磨损。考虑火炮射击的安全性，停止射击试验，对问题进行故障归零。

闭锁机构是完成自动机的闭锁、实现自动机在运动中内膛刚性结合动作的重要机构，因此，要求闭锁确实可靠[4]、零件不能有裂纹，不能提前开锁等。对应转管武器而言，典型故障表现为：a.闭锁块回转不到位，闭锁时有回弹；b.机头闭锁面强度不够，零件产生裂纹。

本故障现象主要为炮闩机头闭锁面产生微小裂纹及磨损。

通过对闭锁机构零件产生微小裂纹及磨损故障进行分析，造成该现象的可能原因有两方面:一是过载[5]，闭锁面上有非正常阻力，使其内部应力大于强度极限后出现裂纹；二是疲劳[6]，射击过程中，闩体闭锁面在交变载荷作用下产生裂纹及磨损。根据故障树分析法[7-8]，建立其故障树如图2所示。

图2 原因分析故障树

1) 异常过载

外界原因造成炮闩机头闭锁面突然受力增大，造成其内部应力大于强度极限后出现裂纹及变形。闩体在炮箱内沿曲线槽及星形体进行运动，其异常过载为自动机运动过程的过载。

自动机在射击完成后可手动正常转动，说明自动机在故障出现后无卡滞。一般卡滞后，卡滞部位的零部件或弹药将会有明显的压痕或损伤[6]，但检查自动机其它零部件和射击后的药筒均未见损伤或卡滞痕迹。因此可排除自动机卡滞的因素。

2) 零件硬度偏高

对出现裂纹零件进行理化分析，结果显示：尺寸符合图纸要求，硬度略超出图纸上限1.2HRC，金相组织、材质化验无异常，均符合标准要求，裂纹分析结论为交变载荷作用下发生低周疲劳失效。

热处理实测硬度值超出了图纸规定的上限，理论上会降低韧性，是产生脆裂的不利因素，会影响到疲劳寿命。

3 闭锁机构动力学仿真分析

根据自动机分解测绘后的实测数据，对自动机运动零部件进行三维模型的数据更新，将三维模型导入ADAMS并添加运动约束及载荷，进行动力学仿真分析[9-10]，如图3所示。

图3 闭锁机构动力学仿真

1) 炮闩机头闭锁运动学分析

以机头为研究对象，分别仿真计算射速为2 500 r/min及6 000 r/min情况下机头闭锁角度的变化。由图4、图5和图6可知，炮闩机头最终闭锁角度为39.2-40°，能够满足要求，但无论是低射频还是高射频，机头回转闭锁时均有微小的反跳，并随射速的提高反跳加大。炮闩机头闭锁角度发生振荡原因是机头闭锁块与炮尾闭锁块有撞击，加上炮闩机头闭锁面与机头限位凸起有一定间隙所致。

图4 射速2 500 r/min炮闩机头闭锁角随时间变化曲线

图5 射速2 500 r/min炮闩机头闭锁角速度随时间的变化曲线

图6 射速6 000 r/min炮闩机头闭锁角随炮箱转角的变化曲线

2) 炮闩机头闭锁动力学分析

以机头闭锁碰撞为研究对象，分别仿真计算射速为2 500 r/min及6 000 r/min情况下机头闭锁时闭锁面撞击力的变化。

由图7和图8可知： 射速2 500 r/min闭锁时，机头和闭锁块瞬间最大作用力约44 600～47 000 N；射速6 000 r/min闭锁时，机头和闭锁块瞬间作用力可达75 000 N。

图7 射速2 500 r/min闭锁碰撞力随炮箱转角的变化曲线

图8 射速6 000 r/min闭锁碰撞力随炮箱转角的变化曲线

在低射速时，炮闩机头与闭锁块的最大撞击力接近零件的应力强度极限；在高射速情况下，最大撞击力所产生的应力值超过了零件所能承受的最大应力极限，极易发生材料塑性变形。

因此，在高射速情况下，炮闩机头闭锁面与闭锁块的最大撞击力过大是炮闩机头发生裂纹及磨损的主要因素。

炮闩机头随炮闩一起在星形体、炮闩滚轮与炮箱曲线槽的共同作用下作空间近似椭圆运动，机头闭锁面撞击力的大小主要受炮闩滚轮与曲线槽配合运动的影响，其曲线槽的形状、滚轮的大小以及滚轮与曲线槽的配合等因素都会对最终闭锁撞击力的大小产生一定影响，因此，需要对滚轮及曲线槽等做进一步的动力学计算，本文限于篇幅有限不做详细分析。

4 结论

1) 通过对炮闩机头闭锁面产生微小裂纹及磨损故障的主要原因分析、排查，可以确定，炮闩机头硬度值超差及闭锁撞击力过大是炮闩机头发生裂纹及磨损的主要原因。

2) 根据图纸要求，重新加工炮闩机头，保证其热处理硬度值在图纸技术要求范围内，并减小机头闭锁面与闭锁器面的配合间隙，严格控制其尺寸公差。自动机更换新炮闩机头后重新进行射击试验，经过约1 000发弹射击后，未发现有裂纹及严重磨损现象，在随后试验中也未出现此故障，故障得以解决。

3) 故障树加仿真分析的方法能够比较清晰地反映故障成因，系统故障的关系以及各种可能故障的传递途径，已成为故障诊断、技术改进的有效手段。