某型導彈振動中觸發引信誤動作故障

唐尚華，劉勇濤，朱素英，吳 煒

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

某引信系統配用于某紅外型空空導彈，該型導彈交付過程中需要進行多項振動試驗。其中環境應力篩選的目的是通過向產品施加合理的環境應力，激發并剔除由于產品工藝缺陷和元器件缺陷引起的早期故障，以暴露產品的薄弱環節。

引信系統在進行環境應力篩選試驗Y、Z 向缺陷剔除階段隨機振動試驗中均正常，而X 向在規定的振動量級隨機振動過程中，出現引信執行級誤動作情況。

1 某導彈觸發引信工作環境

1.1 引信篩選試驗系統的組成

引信篩選試驗系統包括被測引信系統、振動臺、振動夾具、測試設備，被測引信系統由近炸引信、觸發引信和自炸引信組成。

1.1.1 振動臺及測試設備

振動臺、測試設備均標定合格，在使用期限內，在對其它產品進行試驗時未出現過故障。

1.1.2 振動夾具

振動夾具包括立式和臥式夾具2 種。立式夾具是適應垂直臺加工的X 向振動夾具，通過引信后端部的卡環與引信聯接，引信上部沒有與夾具固定，裝配固定后重心較高，該夾具未經過夾具檢測試驗。臥式夾具是通過引信前、后端部卡環聯接，引信水平放置，若用其對引信進行X 向振動必須在水平滑臺上進行。2 種夾具見圖1、圖2。

圖1 立式夾具

圖2 臥式夾具

1.1.3 被測引信

被測引信系統的3 種引信并聯共用一個執行級電路。近炸、自炸信號均正常，根據引炸信號無輸出而執行級動作的現象，初步排除近炸、自炸通路故障可能性，確定為觸發引信通路故障。

1.2 故障定位

1.2.1 觸發引信組成及故障定位

觸發引信由觸發開關、外圍電路和執行級模塊組成。其中觸發開關由片簧、觸頭、夾板及印制板組成［1］。片簧一端鉚接觸頭及夾板，另一端通過壓板固定在印制板上，裝調時使觸頭可靠接觸開關印制板，結構如圖3 所示。

圖3 觸發開關結構

觸發開關安裝在引信芯體前端激光發射固定基板上，觸發開關用固定夾固定。

經過檢查，排除外圍電路和執行級模塊、觸發開關固定螺釘松動、觸發開關引出線不可靠等引起故障可能。

為確認故障將觸發開關的接線柱用導線短接，對該引信進行X 向振動試驗，振動中引信執行級無誤動作，將觸發開關接線柱短接線去掉，振動中引信故障現象復現，引信執行級誤動作。

因此故障定位為振動過程中觸發開關誤動作引起引信執行級誤動作。

1.2.2 故障原因初步分析

該批觸發開關已通過規定量級Y 向加強自主飛振動例行試驗，且該觸發開關單獨進行規定量級X 向篩選振動試驗也正常。

用臥式振動夾具進行試驗時，觸發引信狀態與真實情況比較接近。而立式振動夾具由于觸發開關安裝位置重心較高，同時引信X 向振動時Y、Z 向也會有一些附加振動，可能造成觸發開關安裝位置的振動載荷與真實導彈狀態有出入。因此也不排除振動夾具設計不合理的因素。

觸發開關敏感彈目碰撞而動作的功能特性決定了其對振動環境放大情況超出一定范圍后會比較敏感，可能在振動中出現了共振現象。因此有必要運用振動理論來討論該結構系統的共振問題。

2 數值計算模型的建立

2.1 共振分析

振動一般分為兩類:自由振動和強迫振動。自由振動是當沒有外力作用時由系統固有力作用下產生的。系統在自由振動下具有一個或多個固有頻率。固有頻率是動力系統的一個特性［2］。

當結構系統受到隨時間變化的力干擾時，系統將產生強迫振動。如果外界干擾力的頻率與系統的某一階固有頻率相等或相近時，系統將產生共振。共振往往誘導出過大的動態應力，動應力導致結構的嚴重損傷，甚至破壞［3］。

結構共振分析就是防止發生共振的重要措施。結構共振分析包含:①結構系統的固有頻率分析;②干擾源的擾動頻率分析;③檢驗結構固有頻率與干擾頻率間是否有足夠的偏離［3］。

觸發引信中的觸發開關是利用載體碰擊目標時的反作用力或前沖力而閉合，以接通引信電路，使起爆元件發火的裝置。由于觸發引信主要運動件和決定產品性能的零件為觸發開關中的片簧，對片簧進行模態仿真計算，獲得片簧的固有頻率，以分析其動態特性。

2.2 模態分析的基本理論

模態分析是確定結構振動特性的一種近代方法，模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率和模態振型。對于一個具有N 個自由度的線性定常系統，由彈性力學有限元法，可得其運動微分方程［4］

式中:M、C、K 分別為結構的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣分別為結構的加速度向量、速度向量和位移向量;f(t)為激振力向量。

由于模態是機械結構的固有特性，與外部的載荷條件無關，即f(t)=0。因結構阻尼較小，對結構的固有頻率和振型影響甚微，可忽略不計，由此可得到結構的無阻尼自由振動的運動方程

由于彈性體的自由振動總可以分解為一系列的簡諧振動的疊加，為了決定彈性體自由振動的固有頻率及相應的振型，假設簡諧振動的方程為

其中:Φ 是n 階特征向量;ω 是結構振動的固有頻率;t 是時間變量。

將式(3)代入式(2)中，得無阻尼模態分析的運動方程為

式(4)有非零解的條件是其系數行列式等于零，即

式(5)是關于ω 的n 次方程，解此方程可得結構的n 個固有頻率和振型。

2.3 動力學模型的建立

在此，運用有限元分析軟件MSC.Nastran 對觸發引信進行有限元仿真計算。仿真步驟為實體建模、網格劃分、邊界條件設定、材料參數輸入、仿真計算［5-6］。

2.3.1 模型建立

數值模擬仿真首先要建立有限元模型，從而確保在計算過程中反復調整和調用。仿真研究使用MSC.Patran 軟件進行三維零件的輔助建模設計。首先對觸發開關進行一些簡化，只考慮片簧和與之相連的質量塊和質量塊夾，忽略其它零部件的影響。由于片簧與夾板接觸部分近似固定，建模時忽略這一部分。考慮到質量塊和質量塊夾是同種材料，且相互間變形可以忽略，在進行建模時合并為一體。

2.3.2 網格劃分

計算網格劃分的好壞直接關系到數值計算的順利程度，以及反映所關心物理量的基本變化規律。

根據所研究的問題，在計算時運用精度較高的六面體單元對片簧合件進行了網格劃分，計算模型總共劃分體單元5 890 個。網格劃分結果如圖4 所示。

圖4 片簧網格模型

2.3.3 邊界條件

片簧與質量塊和質量塊夾合件之間變形很小，可以忽略，將質量塊合件與片簧固接。

片簧與電路板通過螺釘相連，因此認為其接觸部分是固定的，即約束片簧邊界所有的自由度。

計算時假定觸頭自由，觸頭和電路板之間加一滑動摩擦系數來模擬它們之間的接觸。

2.3.4 材料模型

片簧采用的是QBe2，輕塊和塊夾的材料均為HPb59 -1，材料參數如表1 所示。

表1 材料參數

2.4 計算結果

計算采用的基本單位是mm、g、s，其他單位由該基本單位導出。

對片簧在自由模態下的固有模態和振型進行了仿真，其前3 階頻率見表2 和圖5、6、7。

表2 觸發開關簧片前三階頻率

圖5 一彎振型示意圖

圖6 一扭振型示意圖

圖7 二彎振型示意圖

根據前面的有限元分析計算，可得片簧的前3 階固有頻率為:224 Hz、434 Hz、1 306 Hz。若振動夾具產生的干擾頻率與片簧的固有頻率接近，就有可能發生共振現象。必須采取適當的措施，使振動夾具產生的干擾頻率與片簧合件的固有頻率有一定的差值來防止發生共振。

3 試驗驗證及更改措施

3.1 試驗驗證

為得到觸發開關處的振動輸入情況，驗證是否觸發開關在立式夾具中感受超常振動，采取引信前蓋鉆孔，觸發開關固定基板處粘監測傳感器進行基板振動情況監測，同時對觸發開關觸發輸出信號也引線實時監測。抽取三發觸發開關先進行窄帶隨機振動試驗尋找敏感頻率范圍，再運用正弦定頻振動試驗尋找敏感頻率點，確認觸發開關是否發生共振現象。

3.1.1 觸發開關窄帶隨機振動試驗

分別在垂直臺立式夾具和水平滑臺臥式夾具對三發觸發開關裝成引信系統，夾具上單點或兩點控制進行振動試驗，通過壓縮窄帶隨機振動的方法對各觸發開關進行敏感頻率范圍篩選，監測觸發開關固定處基板上振動情況，用示波器監測觸發開關輸出和執行級情況，控制波形曲線見圖8、9。

圖8 單點控制波形曲線

圖9 兩點控制波形曲線

試驗表明觸發開關固定處存在一定超常振動放大現象，超出規定的試驗條件。在垂直臺立式夾具窄帶(1 000 ～1 500 Hz)隨機振動試驗中三發觸發開關都會出現誤動作，只是振動量級的大小的區別，且引信基板處的振動峰值頻率都在1 150 Hz 和1 300 Hz 頻率附近，而用水平臺臥式夾具試驗時引信基板處的峰值頻率為360 ～620 Hz。

3.1.2 觸發開關敏感頻率驗證試驗

在垂直臺立式夾具對觸發開關裝成引信系統，夾具上2點控制振動，監測觸發開關固定處基板上振動情況，用示波器監測觸發開關輸出和執行級情況。先尋找該觸發開關敏感頻率點，再對其敏感頻率點進行正弦定頻振動，以驗證觸發開關共振及輸出周期性，監測波形曲線如圖10 所示。試驗表明觸發開關在正弦1 150 Hz 定頻振動時輸出有一定的周期性。

由上述試驗可知，觸發開關振動性能在滿足篩選振動條件下存在一定的差異。臥式夾具水平滑臺振動系統對引信結構基板處造成的峰值頻率較低，而立式夾具垂直臺振動系統對引信基板造成的峰值頻率較高，且與觸發開關振動敏感頻率區域接近(理論計算觸發開關的簧片二彎共振頻率約為1 300 Hz)，即發生了共振現象。

3.2 改進方案

更換立式夾具，采用臥式夾具。進行觸發開關X 向篩選振動裕度試驗和觸發開關Y 向自主飛振動裕度試驗。

試驗數據說明原出問題觸發開關在水平滑臺一定量級X 向篩選振動試驗時仍工作正常，大于引信規定的量級要求;出問題觸發開關在水平滑臺Y 向自主飛振動一定量級篩選振動試驗時仍工作正常，大于引信規定的量級要求。

上述試驗表明更換試驗夾具后觸發開關工作正常，有效的防止了共振現象的發生。

圖10 正弦定頻振動波形曲線

4 結束語

經過大量試驗表明觸發開關故障原因是由于立式振動夾具設計不合理。一方面由于夾具連接設計不合理，引信上部與夾具的無固定造成引信Y、Z 向復合振動，另一方面振動系統傳遞給引信基板處的X 向振動量級超常放大，且共振頻率與觸發開關敏感頻率重合致使觸發開關共振引起動作。

因此，在以后的產品試驗設計過程中，必須合理設計振動夾具，以保證其能反映產品真實彈道環境下的工作狀態，從而為產品設計提供依據。

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