炮闩系统磨损失效可靠性强化试验技术仿真研究

来源:用户上传      作者: 唐丹 陈敬文

　　【摘要】本文以某型自行火炮炮闩系统为研究对象，针对传统可靠性试验所需时间长的问题，在炮闩系统可靠性评估中引入激发的机制，对炮闩系统进行可靠性强化试验研究。运用多体动力学理论、计算机仿真技术等技术理论，从磨损失效模式对炮闩系统零部件进行强化试验仿真研究，最终确定可行的强化试验技术方案。
　　【关键词】可靠性强化试验;炮闩系统;强化系数;虚拟样机;磨损
　　随着科学技术的飞速发展，机械系统向着结构高度复杂化、功能集成化和动作智能化趋势发展，其动力学行为变得越来越复杂，由此带来的是机械故障率增加，可靠性降低。而可靠性直接反映了系统的质量指标，关系到整个系统运转过程的成败。一个系统，无论其设计思想如何先进、性能指标如何优越、适应性如何强，如果其可靠性很差，实际上就失去了使用价值。对于武器装备，可靠性已经成为与性能同等重要的研制目标，对武器装备的作战能力、部署机动能力、维修人力和使用保障费用等都具有重要影响。
　　一、研究的背景及意义
　　21世纪以来，尽管受到导弹等各种精确制导武器的挑战，享誉“战争之神”的火炮依然深受世界各国的青睐，它们不但在世界军备库中数量众多，而且新的型号还不断问世，由此不难看出火炮的研究仍然方兴未艾。炮闩系统作为火炮关键子系统之一，是一个典型的纯机械系统，其性能的好坏直接决定了火炮作战威力能否正常发挥，并且关系到武器本身完好性和操作人员安全。因此，需要对炮闩系统各机构和零部件的可靠性进行研究，从而获取各机构和零部件的可靠性特征，在发生故障或失效之前采取有效措施，确保人员的安全和火炮顺利完成战斗任务。炮闩系统中机构的可靠性是指机构在规定的工作条件下和规定的时间内完成规定的动作任务的能力，该项性能直接影响其他机构动作过程中的质量及整个系统功能的正常发挥，因而是衡量机构性能优劣的重要指标之一。对于维修人员来说，确定了构件的可靠性，也就明确了维修保养的时机，据此合理筹措备件，在失效发生前及时更换，有助于火炮顺利完成其战斗任务。因此，炮闩系统可靠性研究也就显得尤为重要。
　　二、磨损的特征和机理
　　磨损是机器零件在正常运转过程中不可避免的一种能量耗散的现象。这种耗散主要由摩擦引起。磨损的过程可以描述为由于机械作用和化学反应，在固体的摩擦表面上产生的一种材料逐渐损耗的现象，这种损耗主要表现为固体表面尺寸和形状的改变。只要机器零件的磨损量或磨损率在规定使用期限内不超过允许值，就可以认为是一种允许的正常磨损现象。机器零件的典型的磨损过程一般分为三个阶段：跑合、正常磨损、事故磨损。当材料磨损到零部件的外廓不足以传递运动或传递运动不确实时，可以认为磨损引起零部件寿命终止。
　　磨损是工程构件主要破坏形式之一，也是炮闩的主要故障模式。国家标准GB2889-82给出了磨损的定义：指相互接触的物体在相对运动中表层材料不断损伤的过程，表现为物体尺寸或形状的变化。磨损是影响机械设备可靠性的主要因素之一。磨损是彼此接触的两物体在相对运动中伴随摩擦而产生的必然结果。而摩擦是在外力作用下，发生相对运动或具有相对运动趋势的物体受到与其相接触的物质或介质的阻力作用，在其界面上产生的一种能量转换的现象。按照摩擦表面的润滑状态，摩擦可分为干摩擦、边界摩擦、流体摩擦、混合摩擦;按照摩擦副运动形式可分为滑动摩擦、滚动摩擦;按照摩擦副运动状态可分为静摩擦、动摩擦。据此不难得到，炮闩系统产生的摩擦基本上都属于干摩擦，其中多数为滑动摩擦，少数为滚动摩擦，且运动时要经历从静摩擦到动摩擦，或从动摩擦到静摩擦的转换。按照比较通用的、由布维尔提出的按磨损机理的分类方法，通常把磨损分为五类：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损。考虑炮闩系统中各零部件的实际运动情况，并对零件表面形态研究分析，认为它们基本上都以粘着磨损为主。粘着磨损一般发生在相互滑动（或转动）的干摩擦表面上，其基本物理过程可认为是粘着-剪切-再粘着-再剪切的循环。磨损主要以材料转移的形式表现出来。在炮闩系统中，磨损作用的结构形式主要有三种：非规则外廓的凸轮表面磨损、圆柱磨损和平面磨损，它们的计算有各自的特点，其中非规则外廓的凸轮表面磨损最具有一般意义。近年来，通过对磨损状态和磨屑分析以及对磨损过程的深入研究，提出了一些磨损理论，它们是磨损计算的基础。目前，磨损计算的方法主要有IBM磨损计算法和组合磨损计算法。其中，后者计算的基本原则就是根据机械零件工作性能确定相配合表面所允许的位置变化量，即组合磨损量，然后由组合磨损量计算机械零件的磨损寿命。根据当前摩擦较为通用的磨损量表达式以及在销-盘式摩擦磨损试验机上进行干滑动摩擦磨损试验确定磨损率与工况参数之间的关系，可认为磨损量W主要取决于表面压力p、滑动速度v以及作用时间t，即：
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　　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。
　　三、基于磨损的强化试验仿真
　　强化试验通过提高试验对象的工作应力水平，以达到在短时间内激发试验对象失效的目的，从而对试验对象的可靠性进行快速评估。但是，强化试验中提高应力水平可能产生与实际服役环境中观测结果不同的失效机理。因此，有必要对强化试验机制下的失效机理进行探讨。强化失效机理的研究内容包括自然失效机理、加速失效机理漂移，以及加速失效机理漂移的控制等。对于失效模式为磨损的构件来说，强化试验的具体方案就是通过一定的强化试验技术来加快构件表面的磨损，并且要防止磨损失效这一故障机理的漂移，保证试验数据代表实际操作条件下的可靠性。
　　（一）磨损强化试验机理
　　通过磨损量的计算公式可知，当构件材料确定时，磨损量只与正压力和相对速度有关。由此可知，失效过程是否具有加速性取决于这两个因素能否改变。所以磨损强化试验机理为：通过一定途径提高构件表面正压力和相对运动速度。由于完成某个动作或传递一个运动系统中必然存在迫使研究对象受力的源头，因此，强化试验的首要任务就是分析试验对象的工作原理，并依据机构或构件的受力情况和相对运动参量来确定可行的强化试验技术方案和途径。
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