炮閂磨損仿真技術(shù)淺析

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)向著結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜化、功能集成化和動(dòng)作智能化趨勢(shì)發(fā)展，其動(dòng)力學(xué)行為變得越來(lái)越復(fù)雜，由此帶來(lái)的是機(jī)械故障率增加，可靠性降低。對(duì)于武器裝備，可靠性已經(jīng)成為與性能同等重要的研制目標(biāo)，對(duì)武器裝備的作戰(zhàn)能力、部署機(jī)動(dòng)能力、維修人力和使用保障費(fèi)用等都具有重要影響。

一、背景及意義

21世紀(jì)以來(lái)，盡管受到導(dǎo)彈等各種精確制導(dǎo)武器的挑戰(zhàn)，享譽(yù)“戰(zhàn)爭(zhēng)之神”的火炮依然深受世界各國(guó)的青睞，它們不但在世界軍備庫(kù)中數(shù)量眾多，而且新的型號(hào)還不斷問(wèn)世，由此不難看出火炮的在各國(guó)武器裝備中依然占有重要地位。

1.炮閂研究的重要性

炮閂作為火炮至關(guān)重要的組成部件，是一個(gè)純機(jī)械系統(tǒng)。其性能的好壞直接決定了火炮作戰(zhàn)威力能否正常發(fā)揮，并且關(guān)系到武器本身完好性和操作人員安全。炮閂中機(jī)構(gòu)的可靠性是指機(jī)構(gòu)在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的動(dòng)作任務(wù)的能力，該項(xiàng)性能直接影響其他機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程中的質(zhì)量及整個(gè)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮，因而是衡量機(jī)構(gòu)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。對(duì)于維修人員來(lái)說(shuō)，確定了構(gòu)件的可靠性，也就明確了維修保養(yǎng)的時(shí)機(jī)，據(jù)此合理籌措備件，在失效發(fā)生前及時(shí)更換，有助于火炮順利完成其戰(zhàn)斗任務(wù)。因此，炮閂可靠性研究也就顯得尤為重要。

2.模擬試驗(yàn)的探索

早在二十世紀(jì)四十年代，以模擬試驗(yàn)為代表的可靠性試驗(yàn)技術(shù)產(chǎn)生，并經(jīng)歷了有單環(huán)境因素到綜合環(huán)境因素的可靠性試驗(yàn)過(guò)程。由于模擬實(shí)驗(yàn)存在周期長(zhǎng)、效率低、耗費(fèi)大的缺點(diǎn)，而且完全真實(shí)地模擬產(chǎn)品的使用環(huán)境往往存在諸多困難，必須開(kāi)發(fā)一種新的經(jīng)濟(jì)有效的替代法來(lái)適應(yīng)這一需求。激發(fā)試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)施加激發(fā)應(yīng)力環(huán)境快速檢測(cè)并清除產(chǎn)品的潛在缺陷。試驗(yàn)所施加的應(yīng)力并不模擬真實(shí)環(huán)境，而以提高激發(fā)效率為目標(biāo)。

二、相關(guān)可靠性試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，激發(fā)試驗(yàn)技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)。激發(fā)試驗(yàn)不以環(huán)境的真實(shí)性模擬為目標(biāo)，而是通過(guò)強(qiáng)化環(huán)境來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，以提高試驗(yàn)效率、降低消耗。

1.國(guó)外研究情況

1988年，G.K.Hobbs提出了高加速壽命試驗(yàn)（HALT）和高加速應(yīng)力篩選試驗(yàn)（HASS），其核心即對(duì)產(chǎn)品施加遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)力，逐步提升應(yīng)力水平，逐漸排除缺陷，又稱為步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。1994年，波音公司將以實(shí)現(xiàn)高效、可靠性增長(zhǎng)為目的的HALT命名為可靠性加速或強(qiáng)化試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱RET）。RET適用于全新研制、服役中可靠性低或需要大修和重新鑒定的產(chǎn)品，注重失效機(jī)理的一致性和試驗(yàn)效率，而不強(qiáng)調(diào)環(huán)境模擬的真實(shí)性。

2.國(guó)內(nèi)研究情況

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)開(kāi)展得比較晚，從20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始進(jìn)行跟蹤研究，由陳奇妙主編的《國(guó)外可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)文集》是較早系統(tǒng)介紹國(guó)外可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)概念的文獻(xiàn)之一，比較新的著作有溫熙森等編著的《可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論與應(yīng)用》，對(duì)近年來(lái)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的重要研究成果以及技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行了論述。國(guó)防科技大學(xué)在可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論專項(xiàng)研究和系統(tǒng)應(yīng)用上去得到成果比較豐碩，如褚衛(wèi)華的模塊級(jí)電子產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法研究，易難等對(duì)某型電源裝置開(kāi)展了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的條件和方法研究，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在我國(guó)從理論到試驗(yàn)設(shè)備再到具體的實(shí)踐已經(jīng)得到一定的發(fā)展，但是很多理論和技術(shù)研究還不夠深入，應(yīng)用不太成熟，需要付出更多的努力去探索。

3.利用仿真技術(shù)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)的可行性

計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，讓越來(lái)越多的構(gòu)想成為現(xiàn)實(shí)。將現(xiàn)實(shí)的物理樣機(jī)或系統(tǒng)的分析研究轉(zhuǎn)移到虛擬樣機(jī)技術(shù)上來(lái)，就是一個(gè)非常典型的應(yīng)用實(shí)例。從實(shí)體建模，到多體動(dòng)力學(xué)仿真，再到結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化等充分發(fā)揮虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，便于全方位、多角度的觀測(cè)和分析。

三、關(guān)于炮閂磨損仿真技術(shù)的基本構(gòu)想

利用專業(yè)軟件，建立模型，爾后根據(jù)磨損的特征和機(jī)理以及強(qiáng)化試驗(yàn)仿真的相關(guān)理論實(shí)現(xiàn)炮閂磨損的強(qiáng)化試驗(yàn)。

1.模型的建立

通過(guò)專業(yè)軟件把火炮部件集成到一個(gè)可視化環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)火炮裝備的建模仿真，計(jì)算機(jī)技術(shù)的價(jià)值得到充分體現(xiàn)。炮閂零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中完成零件的造型任務(wù)會(huì)很艱巨，借助其他比較專業(yè)的三維CAD造型軟件來(lái)建立各個(gè)大小不等、形狀復(fù)雜的零部件的實(shí)體模型，并完成較精確的裝配可以有效減小工作量，然后將模型轉(zhuǎn)換到ADAMS中進(jìn)行試驗(yàn)。

2.磨損的特征和機(jī)理

磨損是機(jī)器零件在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不可避免的一種能量耗散的現(xiàn)象。按照比較通用的、由布維爾提出的按磨損機(jī)理的分類方法，通常把磨損分為五類：粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨損。而根據(jù)炮閂中各零部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況和零件表面形態(tài)，它們基本上都以粘著磨損為主。粘著磨損一般發(fā)生在相互滑動(dòng)（或轉(zhuǎn)動(dòng)）的干摩擦表面上，其基本物理過(guò)程可認(rèn)為是粘著-剪切-再粘著-再剪切的循環(huán)。磨損主要以材料轉(zhuǎn)移的形式表現(xiàn)出來(lái)。在炮閂中，磨損作用的結(jié)構(gòu)形式主要有三種：非規(guī)則外廓的凸輪表面磨損、圓柱磨損和平面磨損，它們的計(jì)算有各自的特點(diǎn)，其中非規(guī)則外廓的凸輪表面磨損最具有一般意義。

3.基于磨損的強(qiáng)化試驗(yàn)仿真

強(qiáng)化試驗(yàn)通過(guò)提高試驗(yàn)對(duì)象的工作應(yīng)力水平，以達(dá)到在短時(shí)間內(nèi)激發(fā)試驗(yàn)對(duì)象失效的目的，從而對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的可靠性進(jìn)行快速評(píng)估。但是，強(qiáng)化試驗(yàn)中提高應(yīng)力水平可能產(chǎn)生與實(shí)際服役環(huán)境中觀測(cè)結(jié)果不同的失效機(jī)理。因此，有必要對(duì)強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)制下的失效機(jī)理進(jìn)行探討。強(qiáng)化失效機(jī)理的研究?jī)?nèi)容包括自然失效機(jī)理、加速失效機(jī)理漂移，以及加速失效機(jī)理漂移的控制等。對(duì)于失效模式為磨損的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，強(qiáng)化試驗(yàn)的具體方案就是通過(guò)一定的強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)來(lái)加快構(gòu)件表面的磨損，并且要防止磨損失效這一故障機(jī)理的漂移，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)代表實(shí)際操作條件下的可靠性。本文主要是進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和可行性探究，不做更進(jìn)一步的分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hobbs G K. Accelerated reliability engineering： HALT and HASS[M]. San Francisco： John Wiley and Sons Inc， 2000.

[2]褚衛(wèi)華. 模塊級(jí)電子產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法研究[D]. 長(zhǎng)沙： 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2003.

[3]榮吉利， 張濤. 航天火工機(jī)構(gòu)可靠性的強(qiáng)化試驗(yàn)驗(yàn)證方法[J]. 宇航學(xué)報(bào)， 2009.

[4]劉賢喜. 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真軟件的實(shí)用化研究[D]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，2001.

作者簡(jiǎn)介：蔡浩（1990-11），男，漢族，河北廊坊大城人，學(xué)歷：本科，講師，輕便火炮修理，教員。