基于FMECA的某自动步枪发射机构可靠性分析

李定哲，景春温，管小荣

（1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094；2.重庆建设工业（集团）有限责任公司，重庆 400054）

自动步枪发射机构可靠性主要指自动步枪发射机构的动作可靠性。发射机构的可靠性定义为：自动步枪发射机构在规定的寿命射弹数量内，在单发、连发、保险及发射方式转换条件下，完成规定机构动作（包括不到位保险解脱时机、击锤扣压与解脱逻辑动作、保险动作等），保持充足击锤打击能量的能力。自动步枪发射机构的可靠性直接影响射击功能的正常发挥，出现异常将导致意外击发，产生人员伤亡，甚至影响战争胜负。

FMECA分析方法历经半个世纪的发展，在各领域有了完整的故障预测体系，应用广泛。国外起步较早，Chase等利用直接线性法建立了机构的闭环运动学方程，并在此基础上建立了机构运动的相关误差模型，通过适当的假设条件，计算出了机构的动作可靠度。在20世纪末，可靠性研究逐渐向集成化、智能化和自动化方向发展。到21世纪，可靠性研究已经发展到全面整合阶段。目前，新的可靠性研究方法和技术层出不穷，蓬勃发展。

国内可靠性研究起步较晚，早先可靠性理论基础薄弱，可靠性数据缺乏，并且研究缺乏先导性和系统性，制约着我国可靠性研究的发展。从20世纪70年代开始，我国开始重视可靠性的研究，冯元生教授及其科研团队对可靠性研究作出了重要贡献。20世纪80年代，我国引进了FMECA分析方法，制定了一系列可靠性工程的国家技术标准，武器可靠性的国家技术标准正在逐渐细化与完善。

1 故障模式、影响及危害性分析

故障模式、影响及危害性分析法（FMECA分析法）是GJB 450A—2004《装备可靠性工作通用要求》[中重要的可靠性分析方法之一，FMECA分析需要将某自动步枪发射机构所有可能出现的故障进行列举，评估每个可能发生的故障对发射机构的影响。采用多个评分因素对发射机构进行综合评分，找到自动武器发射机构在设计中最为薄弱的环节，并对其进行可靠性分析，为设计的优化改进提供依据。

1.1 FMECA评判标准

使用综合评分法对发射机构进行危害性分析，是通过对所有的故障按照统一的评分因素进行评分，采用连续相乘的方法，即通过式（1）计算危害度，危害度的数值越大，则说明该故障的危害程度大，需要优先考虑和解决。表1列出了危害等级准则，表2列出了某自动步枪发射机构的故障模式的评定因素及评定标准。

表1 危害等级准则 Tab.1 Hazard rating

表2 评分因素取值 Tab.2 Evaluation criterion

式中：是各个评分因素的评分；是评分因素的数量。

1.2 建立机构运动模型

建立机构运动模型可以更好地判断发射机构中各个零件之间相互作用、相互约束的关系，从而能够更加准确地判断各种故障对发射机构的影响。建立发射机构运动模型，为基础可靠性的计算提供依据，更加直观地判断各个零部件的受力情况，同时也是定性分析发射机构任务可靠性的参考模型。某自动步枪发射机构主要由10个关键的零件组成，如图1所示。

图1 某自动步枪发射机构 Fig.1 Firing-mechanism diagrammatic drawing

发射机构是控制击发机构待发和击发的机构，在各种使用条件下，发射机构的动作应确实可靠。在单 发状态下，阻铁将随扳机一起旋转，扣压扳机，击锤将会解脱扣合，并撞击击针，完成击发动作。在枪机框后坐的过程中，将击锤压倒，击锤与阻铁扣合，当枪机框复进，松开扳机时，击锤重新与扳机扣合，完成单发。在连发状态下，保险下端压住阻铁，阻铁不随扳机转动，扣压扳机，击锤将会解脱扣合，并撞击击针，完成击发动作。在枪机框后坐的过程中，将击锤压倒，若扣住扳机不放，当枪机框复进到位，不到位保险被枪机框压倒，不到位保险和阻铁对击锤的扣合解脱，将再次击发，实现自动武器的连发功能。

1.3 发射机构FMECA分析

某自动步枪发射机构典型故障的描述和原因见表3。通过表3中对某自动步枪发射机构的故障原因分析，严格按照表2的取值标准，运用危害度计算公式，对发射机构进行故障危害性分析。

表3 发射机构FMECA分析 Tab.3 Firing-mechanism FMECA analysis

由表4可知，某自动步枪发射机构故障中危害度最大的故障为在射手错误操作下导致发射机构超越保险异常击发。后文将基于超越保险异常击发的故障模式对某自动步枪发射机构进行改进。

表4 发射机构危害度综合评分 Tab.4 Firing-mechanism hazard rating scale

续表3 发射机构FMECA分析 Tab.3 Firing-mechanism FMECA analysis

2 某自动步枪发射机构基础可靠性分析

单打连、连发挂机故障与超越保险异常击发故障的原因为某自动步枪发射机构中部分零部件位置关系错误，但部分零部件断裂也可能导致上述故障的出现，所以需要计算某自动步枪发射机构中零件的基础可靠性。计算发射机构的基础可靠性应使用串联模型，即发射机构中任意某个零件不可靠，则发射机构不可靠。通过对某自动步枪发射机构进行动力学仿真分析，由仿真结果得到受力较大的2个零件分别为击锤和单发阻铁。

2.1 建立动力学仿真模型

利用Adams软件建立某自动步枪发射机构动力学仿真分析模型，在枪机框上添加能够前后运动的移动副，在扳机、单发阻铁、击锤和不到位保险上添加旋转副，并在扳机、击锤、不到位保险、枪机框、单发阻铁处按照实际参数设置弹簧。仿真模型如图2所示。

图2 某自动步枪发射机构动力学仿真模型 Fig.2 Simulation model of the dynamics of an automatic rifle firing mechanism

2.2 建立单发阻铁和击锤的三维模型

利用SOILDWORKS软件对发射机构的击锤和单发阻铁进行三维建模，单发阻铁和击锤的三维模型如图3所示。

图3 三维模型 Fig.3 Three-dimensionalmodel: a) semi-automatic sear; b) hammer

2.3 添加约束和载荷

将Adams仿真中有关于单发阻铁的力全部绘制在同一坐标系下。在0.2 s前，单发阻铁随着扳机转动，并与击锤产生了接触；在0.2 s时刻，扳机与击锤解脱扣合；在0.4 s时刻，击锤被枪机框压下，与单发阻铁相互碰撞，此时各条受力曲线均达到峰值。 将Adams仿真所得受力图中的最大力向上取整，得到单发阻铁和击锤所受载荷最大时的受力情况。单发阻铁在击锤被枪机框压下，与单发阻铁扣合前相互碰撞，受力最大如图4所示。

由图4中数据可知，击锤与单发阻铁间碰撞的最大冲击载荷为462.25 N，单发阻铁簧的最大受力为439 N，弹簧扭矩的力矩最低为78.8 N·mm。以仿真分析得到的最大载荷，添加约束和载荷，如图5所示。在单发阻铁头部添加了与击锤碰撞产生的力（470 N），在旋转轴处添加了弹簧扭矩和固定约束。

图4 单发阻铁受力 Fig.4 Semi-automatic sear force diagram

图5 单发阻铁约束与载荷情况 Fig.5 Semi-automatic sear force condition

将Adams仿真中有关于击锤的力全部绘制在同一坐标系下。在0.35 s时刻，枪机框后坐撞击击锤，达到第一处受力峰值；在0.4 s时刻，击锤被枪机框压下，与单发阻铁相互碰撞，达到第二处峰值。这说明在单发阻铁承受最大载荷的同时，击锤也承受了最大的外部载荷，此时击锤承受了与枪机框的碰撞，并被压下与单发阻铁扣合，同时也受到了来自不到位保险的力和击锤簧所产生的扭矩。其受力情况如图6所示。

图6 击锤受力（未包含与击针碰撞的力） Fig.6 Hammer force diagram (the force of collision with the striking pin is not included)

由图6可知，击锤与单发阻铁间碰撞的最大冲击载荷为462.25 N，击锤与枪机框产生碰撞的最大受力为566.5 N，击锤与不到位保险产生的碰撞在0.4 s时的受力为35 N，弹簧扭矩的最大力矩为2 464.07 N·mm。以仿真分析得到的最大载荷，添加约束和载荷，如图7所示。因为枪机的后坐速度为8.5~9.0 m/s，为确保击锤的可靠性，在与枪机框接触的部分添加了600 N的力，在与单发阻铁接触的部分添加了470 N的力，并在旋转轴处添加了弹簧扭矩和固定约束。

图7 击锤约束与载荷情况 Fig.7 Hammer force condition

2.4 计算基础可靠性

图8 应力分析结果 Fig.8 Force analysis: a) semi-automatic sear; b) hammer

设机构的功能函数为：

式中：为材料强度；为零部件受到的极限应力，均服从正态分布。

因此，也服从正态分布：

可靠度即大于0的概率：

式中：称为可靠度系数。

通过代入计算式（5），求得可靠性系数分别为=3.397，=3.519。查阅正态分布概率表得到可靠度=0.999 52，=0.999 55。因此，最终的发射机构的可靠度为=××100%=99.907%。由此可见，发射机构的基础可靠性是非常高的，因此导致发射机构出现超越保险异常击发故障的主要原因是机构零件位置错误，这与FMECA分析结果一致。

3 超越保险异常击发故障分析

由发射机构的FMECA分析得出，超越保险异常击发是一种危害性非常大的发射机构故障，它能够在某自动步枪处于保险位置“0”时自动击发。在2004年5月，发生了一起因射手的错误操作，导致发射机构超越保险异常击发而造成走火伤人事故。虽然射手的错误操作是导致发射机构故障的直接原因，但是这也说明了某自动步枪发射机构的设计本身就存在相应的隐患。由于超越保险异常击发故障的危害程度非常高，在GJB 3484《枪械性能实验方法》的保险机构安全性实验中有明确规定，“枪械需呈待击发状态，置发射转换器于保险位置，进行10次试图超越保险的空膛击发”。在事故发生之前，用实验的方式及时发现故障并解决。

3.1 超越保险异常击发故障原理

在单连发发射机构中，“0”位置为保险，“1”位置为单发状态，“2”位置为连发状态。超越保险异常击发是在扣住扳机不放的同时，将保险从“2”连发状态调整到“0”保险状态。在连发状态下，单发阻铁被快慢机（保险）压住，无法扣住被枪机框后坐压下的击锤，而保险又会将扳机卡在击发位置，从而将会一直保持在连发状态，其机构位置如图9所示。此时从外观上看，某自动步枪处于安全的保险状态，然而只要拉动自动机，某自动步枪就会自动击发，并将以连发状态打空弹夹。保险机构未能起到限制作用，此时发射机构任务不可靠。

图9 超越保险异常击发 Fig.9 Exceedance insurance abnormal firing

超越保险的故障只有在以“021”顺序调整保险时，会出现超越保险异常击发，而“012”顺序调整保险时，是不会出现超越保险故障的。其原理是，扣住扳机，将保险从“1”位置调整到“0”位置时，保险会将 同时抬起扳机与单发阻铁，此时击锤与单发阻铁扣合，避免了超越保险异常击发故障的发生。若从“1”位置调整到“0”位置，要先经过“2”位置，保险会先抬起单发阻铁，而此时枪机框后坐，在压下击锤时，同时会将保险重新压回“1”位置。发射机构将保持单发状态不变，避免了超越保险异常击发故障发生。

3.2 超越保险异常击发故障的改进方法

解决超越保险异常击发的方法有多种，从使用角度，可以改进单发阻铁或者扳机的结构，使射手在扣动扳机的同时无法同时转动保险机构；也可以从原理的角度，将保险机构调整顺序从“021”改为“012”。改进单发阻铁的方式较为简单，在单发阻铁或者扳机的后方添加限制凸台即可完成在扣动扳机时无法转动保险的任务，如图10所示。

图10 限制凸台 Fig.10 Lug boss

从原理的角度去解决超越保险异常击发的问题，可以改进保险装置，将某自动步枪的保险机构调整顺序从“021”改为“012”。单连发发射机构各状态如图11所示。虽然改进保险能够从根本上解决超越保险异常击发的问题，但是此改进将会导致发射机构切换状态需要调整的保险角度大幅增加。

图11 不同状态的发射机构 Fig.11 Launching mechanism in different states: a) safety condition; b) semi-automatic firing condition;c) automatic firing condition

4 结论

1）在故障模式、影响及危害性分析中，由综合评分法得出，发射机构中危害程度最大的故障为超越保险异常击发。

2）通过动力学建模与仿真，由应力-强度干涉理论计算得出，发射机构的基础可靠性高达99.907%，非常可靠，与FMECA所分析的结果一致。

3）可以通过改进扳机或者改进保险的方式从不同的角度解决超越保险异常击发的问题，无论使用何种方法，都能够在射手错误操作时起到保护作用，使得发射机构的任务可靠性得到提升。