某點(diǎn)火器點(diǎn)火藥柱耐沖擊性分析與試驗(yàn)研究

程 翔，黃少波，唐順厚，羅 廣，沈 欣

某點(diǎn)火器點(diǎn)火藥柱耐沖擊性分析與試驗(yàn)研究

程 翔1，黃少波1，唐順厚2，羅 廣2，沈 欣3

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院第四研究所，河南 洛陽，471009；2.四川華川工業(yè)有限公司軍品技術(shù)中心，四川 成都，610106；3. 空裝駐洛陽地區(qū)第一軍代室，河南 洛陽，471009）

針對(duì)某新研點(diǎn)火器進(jìn)行2m跌落試驗(yàn)后點(diǎn)火藥柱出現(xiàn)斷裂問題，進(jìn)行了耐沖擊力分析與試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：因點(diǎn)火器管體加長，支撐墊點(diǎn)接觸設(shè)計(jì)不滿足藥柱緩沖效果，點(diǎn)火藥柱在沖擊過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域并發(fā)生斷裂，通過將支撐墊點(diǎn)接觸改進(jìn)為線接觸，解決了該故障。

點(diǎn)火藥柱；耐沖擊；應(yīng)力集中；支撐墊

點(diǎn)火藥柱是點(diǎn)火器的重要組成部分，在點(diǎn)火器的貯存壽命期限內(nèi)點(diǎn)火藥柱應(yīng)能夠正常工作，輸出規(guī)定的壓力曲線，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)主裝藥。某新研點(diǎn)火器在室溫環(huán)境下進(jìn)行輸出端水平2m跌落試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火藥柱發(fā)生破裂，影響發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥工作安全性。針對(duì)該現(xiàn)象，對(duì)該點(diǎn)火器點(diǎn)火藥柱的耐沖擊性進(jìn)行了分析與試驗(yàn)研究，找出了故障原因，并提出改進(jìn)措施，有效提升了耐沖擊性。

1 問題簡述

點(diǎn)火藥柱組成及示意見圖1。

圖1 點(diǎn)火藥柱

如圖1所示，點(diǎn)火藥柱由4根BPN點(diǎn)火藥壓制后粘接而成，藥柱內(nèi)部為星形，軸向兩側(cè)分別由前、后支架固定，徑向粘接12個(gè)丁腈橡膠支撐墊后與復(fù)合殼體配合（簡稱點(diǎn)接觸），用于緩沖藥柱在振動(dòng)、沖擊環(huán)境下的徑向沖擊。

2m跌落后的點(diǎn)火藥柱X光探傷見圖2。

圖2 2m跌落試驗(yàn)后點(diǎn)火藥柱X光探傷

由圖2所示X光照片可見，2m跌落后點(diǎn)火藥柱出現(xiàn)明顯的裂紋。

2 耐沖擊性分析

點(diǎn)火藥柱斷裂的主因是其耐沖擊性不足，點(diǎn)火藥柱采用前、后支架限位以及徑向點(diǎn)接觸的耐沖擊性措施，該措施已在廠家多個(gè)型號(hào)中成熟應(yīng)用，沖擊、振動(dòng)及跌落試驗(yàn)后尚未發(fā)生類似問題，該情況為首次。分析認(rèn)為影響耐沖擊性主要有：跌落夾具，點(diǎn)火藥柱強(qiáng)度以及藥柱支撐措施。

2.1 跌落夾具分析

新研點(diǎn)火器采用了新設(shè)計(jì)的跌落夾具（簡稱新夾具），相比其它幾個(gè)已定型點(diǎn)火器的跌落夾具（簡稱原夾具，裝配后與產(chǎn)品之間間隙較小）存在不同，如圖3所示。如因夾具因素造成沖擊量級(jí)放大，將使藥柱受更大的沖擊力直至產(chǎn)生裂紋。

圖3 夾具對(duì)比示意圖

采用MSC.dytran仿真分析兩種夾具的輸出端水平2m跌落試驗(yàn)，應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 不同夾具下點(diǎn)火藥柱應(yīng)力云圖

結(jié)果表明采用原夾具時(shí)點(diǎn)火藥柱所受最大應(yīng)力為12.7MPa，采用新夾具時(shí)點(diǎn)火藥柱所受最大應(yīng)力為11.2MPa。由圖4可知，不同夾具對(duì)2m跌落時(shí)點(diǎn)火藥柱的應(yīng)力影響差別較小。采用原夾具進(jìn)行了同批產(chǎn)品的2m跌落試驗(yàn)及X射線照相檢查，見圖5。其點(diǎn)火藥柱與復(fù)合殼體之間間隙0.14mm，結(jié)果發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火藥柱同樣破裂，且效果更為明顯。以上仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，更換跌落試驗(yàn)夾具不影響藥柱的耐沖擊性。

圖5 2m跌落試驗(yàn)后點(diǎn)火藥柱X光探傷（原夾具）

2.2 藥柱強(qiáng)度分析

點(diǎn)火藥柱在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)因受潮、粒度不均勻等工藝、材料因素可能導(dǎo)致自身強(qiáng)度大幅度下降[1]，在沖擊過程發(fā)生斷裂。為分析點(diǎn)火藥柱的強(qiáng)度影響，廠家對(duì)點(diǎn)火藥柱采用LJ-500型拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行徑向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)示意見圖6（藥柱加力方向?qū)?yīng)圖1（b）的星谷）。

圖6 藥柱徑向受力試驗(yàn)示意

對(duì)發(fā)生斷裂的同批點(diǎn)火藥柱分別抽取相同數(shù)量樣品進(jìn)行常溫、烘干后、吸濕后的徑向壓力試驗(yàn)，與新投的合格點(diǎn)火藥柱進(jìn)行對(duì)比。其中烘干試驗(yàn)為70℃保48h，吸濕試驗(yàn)按WJ 1865-1989 火工品藥劑吸濕性測定法[2]進(jìn)行，經(jīng)測試吸濕4h的水分含量為0.99%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。由表1可見，斷裂批BPN藥柱（常溫、烘干）徑向破碎力376~428N，滿足點(diǎn)火藥柱徑向破碎力不小于200N的指標(biāo)要求，與新投批數(shù)據(jù)一致，可排除藥柱工藝、原材料等因素。藥柱如受潮則徑向破碎力大幅度下降，降幅為40.6%～66.1%，且普遍低于指標(biāo)范圍。對(duì)故障產(chǎn)品藥柱進(jìn)行理化分析測量表明藥柱未受潮，點(diǎn)火器密封完好，可排除藥柱受潮因素。分析表明，試驗(yàn)所用藥柱強(qiáng)度正常，不影響藥柱的耐沖擊性。

表1 藥柱徑向破碎力試驗(yàn) （N）

Tab.1 Compression strength test of grain

備注：正常藥柱指標(biāo)要求≥200N（常溫）

2.3 支撐措施分析

藥柱在支撐措施的保障下均勻承受沖擊、振動(dòng)帶來的徑向破碎力，如藥柱支撐措施失效，則藥柱受力類似于懸臂梁，必然出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域并導(dǎo)致出現(xiàn)斷裂[3-4]。經(jīng)分析，可能導(dǎo)致故障的因素如下：（1）支撐墊發(fā)生脫落，造成徑向支撐功能失效，使藥柱處于懸臂梁狀態(tài)，受沖擊力斷裂。（2）前后支架松動(dòng)，使藥柱處于松裝狀態(tài)，受沖擊力斷裂。（3）支撐墊與復(fù)合管體間隙過大，造成徑向支撐功能失效，導(dǎo)致藥柱處于懸臂梁狀態(tài)，受沖擊力斷裂。（4）相比已應(yīng)用點(diǎn)接觸措施的多個(gè)型號(hào)點(diǎn)火器，新研點(diǎn)火器管體顯著加長，懸臂梁效應(yīng)顯著放大，使藥柱受力大幅度增加，原有的點(diǎn)接觸措施緩沖效果不滿足要求，導(dǎo)致藥柱受沖擊力斷裂。對(duì)以上因素進(jìn)行排查，通過X光無損探傷及故障點(diǎn)火器解剖，可直接排除第1、2因素；解剖復(fù)測故障產(chǎn)品，膠墊與管體間隙為0.06mm，滿足小于0.10mm的指標(biāo)要求，因此初步定位在第4因素。

3 故障復(fù)現(xiàn)與改進(jìn)措施

對(duì)點(diǎn)火藥柱支撐墊進(jìn)行改進(jìn)，由徑向12個(gè)支撐墊改為6排支撐墊（簡稱線接觸），以緩解藥柱受沖擊的應(yīng)力集中區(qū)域，改進(jìn)后的點(diǎn)火藥柱網(wǎng)格劃分及受力分析見圖7。

通過對(duì)比圖4（b）、圖7（b）結(jié)果可知，改進(jìn)后藥柱在2m跌落時(shí)所受最大應(yīng)力為3.2MPa，相比改進(jìn)前方案（12.7MPa），藥柱所受最大應(yīng)力降低3.75倍。根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了表2的試驗(yàn)，其中點(diǎn)火藥柱均與故障產(chǎn)品同批次，2m跌落試驗(yàn)后藥柱情況見表2。

圖7 改進(jìn)后的點(diǎn)火藥柱網(wǎng)格劃分及受力分析

表2 失效因素試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Failure diagnosis and results

由表2可見采用線接觸措施的點(diǎn)火藥柱，2m跌落試驗(yàn)后點(diǎn)火藥柱均結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)裂紋、斷裂等現(xiàn)象，點(diǎn)火器在后續(xù)點(diǎn)火試驗(yàn)中均可靠點(diǎn)火，點(diǎn)火壓強(qiáng)峰值、工作時(shí)間等均滿足——指標(biāo)要求。對(duì)比表2序號(hào)1～4，可見雖然夾具因素影響極小可忽略，但當(dāng)間隙放大后，點(diǎn)火藥柱的耐沖擊性大幅度下降，引起藥柱裂紋顯著擴(kuò)展。采用相同夾具時(shí)，對(duì)比序號(hào)4、7、10，在間隙放大及低溫（藥柱變脆，破碎力下降）的極端情況下，線接觸的支撐措施顯著優(yōu)于點(diǎn)接觸，表明支撐措施是影響點(diǎn)火藥柱耐沖擊性的最關(guān)鍵因素，改進(jìn)支撐墊可明顯降低點(diǎn)火藥柱的應(yīng)力水平，有效增加了設(shè)計(jì)裕度。

4 結(jié)論

本文依據(jù)仿真及試驗(yàn)，分析了某點(diǎn)火器點(diǎn)火藥柱經(jīng)2m跌落試驗(yàn)后斷裂問題，發(fā)現(xiàn)因新研點(diǎn)火器管體加長，點(diǎn)火藥柱懸臂梁狀態(tài)受力放大，原有的藥柱點(diǎn)接觸設(shè)計(jì)不能滿足緩沖要求，導(dǎo)致了藥柱斷裂；支撐措施是點(diǎn)火藥柱耐沖擊性的最關(guān)鍵因素，其次是支撐墊與復(fù)合管體的配合間隙；通過將支撐墊由點(diǎn)接觸改進(jìn)為線接觸，使藥柱的最大應(yīng)力降低3.75倍，有效增加了設(shè)計(jì)裕度，在較大間隙、低溫的極限狀態(tài)下滿足藥柱的耐沖擊要求。

[1] 饒?jiān)ザ?張愛華,魏國. BNP點(diǎn)火藥的分析方法研究[J].火工品,2003(2):50-52.

[2] WJ 1865-1989 火工品藥劑吸濕性測定法[S]. 中國人民共和國機(jī)械電子工業(yè)部,1989.

[3] 王凱民.火工品工程[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2014.

[4] 程翔,黃少波,唐順厚.某固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器藥柱斷裂分析與改進(jìn)[ J].火工品,2013(3):5-8.

[5] 邢志浩,王虎干,房雷.某發(fā)動(dòng)機(jī)殼體燒穿故障分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].航空兵器,2013(2):50-52.

Analysis and Experimental Research on Impact-resistant of SRM Ignition Grain

CHENG Xiang1，HUANG Shao-bo1，TANG Shun-hou2，LUO Guang2，SHEN Xin3

（1.China Airborne Missile Academy，Luoyang，471009；2.Huachuan Industry Company，Chengdu，610106；3.The First Military Representative Office in Luoyang of PLA Air Force Equipment Department，Luoyang，471009）

Aimed at the problem that a SRM ignition grain was broken after 2m drop test, the impact-resistant analysis and experimental research were carried out. It showed that because the composite shell of igniter was extended, the point contact for support pad couldn't satisfy the impact-resistant of grain, the stress concentration would appear and make cracking during 2m drop test. By changing point contact to line contact for support pad, the failure is completely removed.

Ignition grain；Impact-resistant；Stress concentration；Support pad

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.003

1003-1480（2020）01-0010-04

2019-09-10

程翔(1983-)，男，高級(jí)工程師，主要從事火工品技術(shù)研究。