某發射裝置尾罩鎖鉤斷裂故障分析

劉 剛，關 雷

( 中國空空導彈研究院，洛陽 471009)

尾罩鎖鉤是通過與殼體上的掛鉤扣合來固定尾罩，保證發射裝置在掛飛過程中后整流罩與殼體的可靠連接。鎖鉤受力示意如圖1 所示。

圖1 鎖鉤受力示意圖

某發射裝置是國內第一種用于飛機翼尖側掛發射導彈的發射裝置，在其掛飛過程中，尾罩鎖鉤多次出現裂紋或者斷裂現象。本文對其鎖鉤故障原因進行了分析，提出改變鎖鉤結構尺寸及材料，增大結構強度的改進措施，改進后沒有再出現鎖鉤斷裂的現象，得到了比較理想的改進效果［1-4］。

1 故障現象及原因分析

1.1 故障現象

通過檢查故障尾罩鎖鉤結構，發現故障現象如下:

1)鎖鉤出現斷裂或裂痕的位置均在鉤子與本體的交界處，如圖2。

2)尾罩上的兩個鎖鉤都是其中一個發生斷裂或裂痕，而另一個正常，沒有兩個鎖鉤同時出現裂紋或斷裂的現象;

3)當把發生故障的尾罩按實際使用狀態擺放后，發現斷裂或裂痕均出現在尾罩下側的鎖鉤上。

1.2 原因分析

從故障現象來看，主要從三個方面著手來分析故障產生的原因，故障分析樹見圖3。

1.2.1 制造缺陷分析

故障發生后，首先對故障件進行了理化分析，并對以往例行試驗產品進行檢查，結果表明故障件不存在制造缺陷，從而排除了制造缺陷原因。

1.2.2 設計因素分析

為了系統調節重心的需求，某發射裝置尾罩長度及重量有所增加，增大了尾罩鎖鉤的負荷，并且用于機翼翼尖處，受力環境嚴酷、復雜，導致尾罩鎖鉤受振動沖擊較大，發射裝置和機翼一體，飛行強度大，導致尾罩鎖鉤工作時間長，容易出現疲勞損傷。

根據斷裂現象均出現在下側鎖鉤的情況，說明發射裝置在使用過程中受到來自同一方向的較大振動和外力。當罩鎖鉤出現較大受力時，隨著使用時間的增加，會因為較大的應力值而產生疲勞裂紋或裂痕，最終會使鎖鉤斷裂。

從鎖鉤的受力示意圖( 圖1)可以看出，鎖鉤主要受拉力F 作用，根據材料力學的原理知道此部位存在應力集中。如果鎖鉤此部位強度不足，就易出現斷裂和裂痕。為了驗證這個推斷，在有限元軟件NASTRAN 中對鎖鉤建模，進行了有限元分析，分析結果如圖4 所示。

圖4 原鎖鉤受力有限元分析圖

從圖中可以看出:在拉力F 作用下，受力最大的地方正好在鎖鉤的圓弧和直線段的交接部位，這也與鎖鉤實際出現斷裂或裂痕的部位相符。

通過以上分析可以看出，某發射裝置鎖鉤鉤子部位存在應力集中，在側掛飛行條件下，力學環境嚴酷，有較大外力作用到鎖鉤上時，會因為結構強度不足而出現斷裂或裂痕; 另外鎖鉤的圓弧部位和直線段交接的部位圓角較小，導致鎖鉤在此部位出現應力集中，加大了鎖鉤斷裂的可能性。

1.2.3 人為因素分析

人為因素主要有兩方面可能，一方面是內場裝配后進行交付試驗過程中，為了從試驗夾具上拆卸方便，存在人為拍打尾罩現象。另一方面是外場維修過程中，為了減小尾罩與殼體大梁的配合間隙，存在用鉗子等工具掰捏鎖鉤現象。這些人為因素可能造成鎖鉤薄弱環節產生裂紋損傷，在隨后的掛飛振動中裂紋擴展從而造成斷裂現象的發生。

根據以上的分析，知道導致某發射裝置尾罩鎖鉤出現故障的主要原因是鎖鉤存在應力集中現象，在產品裝配和維修過程中存在人為不當操作，在鎖鉤薄弱部位產生了微裂紋損傷，在隨后的飛行過程中由于受到振動、沖擊作用，使得鎖鉤微裂紋擴展造成鎖鉤疲勞斷裂。

2 改進措施及試驗驗證

根據上述分析，綜合考慮各方面的影響，對鎖鉤進行以下改進:

1)對鎖鉤鉤子部位進行加寬加厚，分別增加2 mm，并應力集中部位改為R0.5 的圓角，具體見圖5。圖中的豁口部位是為了防止與原扭簧干涉的;

圖5 鎖鉤更改前后比較

2)將原鎖鉤材料45#鋼更換為強度極限高的材料30CrMnSiA，30CrMnSiA 是飛機制造業中使用最廣泛的高強度調質鋼，在淬火高溫回火狀態下具有較高的強度和足夠的韌性，可以滿足相關要求。

對改進設計的鎖鉤在有限元分析軟件NASTRAN 中進行了有限元分析計算，分析表明設計改進后的鎖鉤強度增加40%，計算分析結果如圖6 所示。

圖6 改進后鎖鉤受力有限元分析圖

用裝有改進鎖鉤的某發射裝置進行了振動試驗考核。振動試驗試驗進行了3 次，振動強度要遠高于其規范所規定的功能和耐久振動強度，同時在振動過程中還增加了抖振試驗，振動后拆下尾罩，尾罩鎖鉤如圖7 所示，沒有出現異常。在隨后的掛飛過程中，改進后的鎖鉤也未出現斷裂故障，說明改進后的鎖鉤強度和功能均能滿足使用要求。

圖7 振動試驗后鎖鉤圖

3 結論

1)在產品裝配和維修過程中存在人為不當操作，在鎖鉤薄弱部位產生了微裂紋損傷，在隨后的飛行過程中由于受到較大的振動、沖擊作用，使得鎖鉤微裂紋擴展造成鎖鉤疲勞斷裂;

2)鎖鉤斷裂故障最主要的原因是結構強度不足;

3)改變鎖鉤的結構尺寸和材料，增大結構強度，有效的解決了鎖鉤斷裂故障。

［1］HB7480—1997，空空導彈術語［S］.北京:航空工業總公司，1997.

［2］張堃，陳曉冬. 某發射裝置失效分析［J］. 失效分析與預防，2007，2(1):42 -45.

［3］徐志剛，傅國如. 飛機阻力傘軸頸斷裂分析［J］. 材料工程，2003( 增刊):339 -341.

［4］周新靈，陳嘯. 汽輪機中壓調速汽門門桿斷裂分析［J］.機械工程師，2011(11):131 -132.