付彩越，李法忠

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.北海艦隊(duì)參謀部訓(xùn)練處，山東 青島 266071)

某艦炮首發(fā)裝填時保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作故障定位研究

付彩越1，李法忠2

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.北海艦隊(duì)參謀部訓(xùn)練處，山東 青島 266071)

某型艦炮保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可以防止轉(zhuǎn)彈機(jī)在關(guān)閂狀態(tài)或藥筒未抽出狀態(tài)下轉(zhuǎn)彈，從而避免引發(fā)炮彈碰撞閂體或藥筒等安全事故，它是保證射擊任務(wù)順利完成的關(guān)鍵因素。某試驗(yàn)中，該機(jī)構(gòu)在首發(fā)裝填時出現(xiàn)誤動作，轉(zhuǎn)彈機(jī)在轉(zhuǎn)彈過程中卡在了活門與保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上，導(dǎo)致射擊任務(wù)中止。通過故障樹分析，確定了炮尾軸孔和止動器同軸度超差、定位器質(zhì)量大及彈簧1簧力偏小是造成此故障的主要原因。整改方案中對相應(yīng)彈簧進(jìn)行了調(diào)整，并進(jìn)行了多次試驗(yàn)，解決了保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作的故障。

艦炮；保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)；慣性力；故障樹

隨著海軍武器裝備的不斷發(fā)展，艦炮可靠性要求也不斷提高。大口徑艦炮的補(bǔ)供彈及發(fā)射系統(tǒng)是十分復(fù)雜的涉及機(jī)械、電氣、液壓等多學(xué)科技術(shù)專業(yè)一體的先進(jìn)系統(tǒng)，具有使用頻率高，維修保養(yǎng)難等特點(diǎn)，使其成為艦炮中故障發(fā)生較多的子系統(tǒng)。故障樹分析是 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來的一種評估方法，主要用于大型復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、 安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

筆者以某艦炮射擊故障為例，采用故障樹分析法從設(shè)計(jì)、制造、裝配等因素進(jìn)行了分析，建立故障樹模型，從而確定造成產(chǎn)品故障原因的各種可能，及時發(fā)現(xiàn)并排除系統(tǒng)故障，保證研制工作的順利進(jìn)行。

1 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成及原理

某艦炮發(fā)射系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彈機(jī)、活門之前、炮尾后端面對稱設(shè)置了左、右保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，如圖1所示，其目的在于確保關(guān)閂狀態(tài)下或藥筒未完全抽出時，轉(zhuǎn)彈機(jī)不能頂開活門向輸彈線轉(zhuǎn)彈，以免發(fā)生炮彈撞擊等安全問題。

左、右保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組成相同，結(jié)構(gòu)對稱。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

動作原理為：在初始狀態(tài)閂體關(guān)閉時，突耳壓緊彈簧3，并通過止動器、杠桿1使杠桿2支撐在阻礙活門旋轉(zhuǎn)的位置。此時定位器的凸起部進(jìn)入卡鎖的切口，將卡鎖支撐在低位，卡鎖與止動器處于解脫狀態(tài)。

當(dāng)進(jìn)行正常射擊時，后坐運(yùn)動期間，在慣性力的作用下，定位器繞軸轉(zhuǎn)動，在壓緊彈簧1的同時定位器凸起部從卡鎖的切口中轉(zhuǎn)出松開卡鎖，在彈簧2的作用下，卡鎖沿軸線移動鎖住止動器，使止動器保持在收回狀態(tài)，同時開關(guān)鈕轉(zhuǎn)向藥筒抽出區(qū)。復(fù)進(jìn)開閂抽殼時，被抽出藥筒沿排殼通道移動的同時，通過自身底緣迫使開關(guān)鈕轉(zhuǎn)動并壓下卡鎖，卡鎖與止動器解脫，在彈簧1的作用下，定位器凸起部轉(zhuǎn)入卡鎖的切口將卡鎖固定在低位。同時止動器在彈簧3的作用下復(fù)位，向炮口方向伸出，并松開杠桿1，杠桿2在彈簧和彈簧帽的作用下，旋轉(zhuǎn)至讓開活門位置，此時轉(zhuǎn)彈機(jī)抱彈擠開活門轉(zhuǎn)彈。當(dāng)藥筒未抽出時，沒有外力使卡鎖運(yùn)動，止動器仍被卡鎖保持在收回狀態(tài)。杠桿2通過止動器一直處于阻礙活門轉(zhuǎn)動的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)彈機(jī)轉(zhuǎn)彈時，活門阻止轉(zhuǎn)彈機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)彈到輸彈線，如圖3所示。

當(dāng)進(jìn)行人工后坐時，由于沒有慣性力或慣性力小，此力不足以使定位器動作，定位器仍保持在原位，卡鎖與止動器處于解脫狀態(tài)。復(fù)進(jìn)到位開閂，在開閂狀態(tài)下，止動器在彈簧3的作用下，向炮口方向伸出并松開杠桿1，此時杠桿2在彈簧和彈簧帽的作用下，繞軸2順時針旋轉(zhuǎn)至讓開活門位置，轉(zhuǎn)彈機(jī)抱彈擠開活門向輸彈線轉(zhuǎn)彈。

2 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作故障現(xiàn)象

某艦炮在射擊試驗(yàn)過程中保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)工作可靠，但在首發(fā)裝填時偶爾出現(xiàn)轉(zhuǎn)彈機(jī)在轉(zhuǎn)彈過程中卡在了活門與保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)杠桿2上的故障，據(jù)統(tǒng)計(jì)，30次首發(fā)裝填出現(xiàn)故障2次。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)在炮尾復(fù)進(jìn)開閂狀態(tài)下，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)定位器沒有把卡鎖支撐在低位，卡鎖把止動器仍鎖在了收回位置(炮尾后部方向)，同時止動器把杠桿2推向后位擋住了活門轉(zhuǎn)動，致使故障發(fā)生，無法繼續(xù)轉(zhuǎn)彈到輸彈線，嚴(yán)重影響了射擊可靠性。

3 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作故障原因分析

通過對保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作故障進(jìn)行分析，造成杠桿2錯位原因有4點(diǎn)：止動器運(yùn)動卡滯或不復(fù)位；定位器誤動作；杠桿2運(yùn)動卡滯；杠桿1運(yùn)動卡滯。其故障樹[1-2]如圖4所示。

3.1 止動器運(yùn)動卡滯或不復(fù)位

3.1.1 止動器和炮尾孔同軸度超差

1)安裝孔加工不垂直

保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的架體通過3個螺栓被固定在炮尾后面的安裝槽里，而止動器通過架體安裝到炮尾的軸孔內(nèi)，由于炮尾本體材料調(diào)質(zhì)硬度較高，加工直徑小而深的孔容易出現(xiàn)不垂直現(xiàn)象[3]，安裝時會造成止動器和炮尾孔同軸度超差，導(dǎo)致止動器在軸孔中運(yùn)動受阻卡滯。炮尾復(fù)進(jìn)開閂到位后止動器沒有及時從孔中復(fù)位伸出，致使杠桿2仍保持在阻擋活門轉(zhuǎn)動的位置。

經(jīng)檢測，炮尾軸孔相對炮尾后平面的垂直度均符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

2)安裝時同軸度超差

由于保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安裝位置狹小，裝配基準(zhǔn)不容易找，如果裝配時工人過于粗心，很容易使止動器和炮尾軸孔不同軸。如果同軸度超差，止動器在炮尾孔里運(yùn)動就會受阻卡滯，無法及時復(fù)位伸出。

經(jīng)檢測，炮尾軸孔與架體安裝基準(zhǔn)的垂直度超差0.01mm，止動器與炮尾軸孔同軸度超差0.01mm，致使止動器在炮尾軸孔中運(yùn)動卡滯。

3)緊固螺栓松動

保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)經(jīng)過多次的調(diào)試、射擊試驗(yàn)，緊固架體的螺栓很容易受震動而松動，造成安裝基準(zhǔn)不牢固，使止動器和炮尾軸孔不同軸，止動器在炮尾孔里運(yùn)動不靈活，無法及時復(fù)位伸出。拆解檢查發(fā)現(xiàn)，螺栓的鎖固膠和防松措施有效，無松動痕跡。

3.1.2 彈簧3簧力下降或斷裂

炮尾復(fù)進(jìn)到位開閂[4]，止動器在彈簧3的作用下復(fù)位到伸出狀態(tài)，如果彈簧3簧力下降或斷裂都會導(dǎo)致止動器無法及時復(fù)位。經(jīng)檢測，彈簧3符合設(shè)計(jì)要求，亦無斷裂發(fā)生。

3.2 定位器誤動作原因分析

根據(jù)動作原理分析，定位器繞軸旋轉(zhuǎn)的力來自炮尾后坐所受的慣性力和彈簧1的簧力，定位器的受力[5]如圖5所示。

圖5中，F(xiàn)為彈簧1對定位器的作用力；FN、Fv分別為其法向和切向分力；Ff為摩擦阻力；Fc為彈簧2對定位器的壓力；Fb為定位器所受的慣性力；FbN、Fbv分別為Fb法向和切向分力；O為定位器旋轉(zhuǎn)的軸心；A為F的作用點(diǎn)；L為OA的長度；C為Fc的作用點(diǎn)；Lc為OC的長度；B為Fb的作用點(diǎn)；Lb為OB的長度。

在人工后坐時，定位器不能解脫的條件是：力Fb對O點(diǎn)的力矩小于摩擦力Ff對O點(diǎn)的力矩與彈簧力FN對O點(diǎn)的力矩之和，即：

(1)

式中：f為工作面之間的摩擦系數(shù)；FN=Fcosα；FbN=Fbcosβ；Fb=ma，m為定位器的質(zhì)量，a為后坐加速度。

以上式子合并后，得到：

(2)

式(2)為定位器不解脫的必要條件，考慮到安裝保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的空間位置狹小，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不作大的改變，故式中α、β、θ、Lc、Lb、Fc為常數(shù)。力F的大小與m、a的值有關(guān)系。m、a減小可使定位器不解脫。由于a是由后坐復(fù)進(jìn)規(guī)律決定的，暫不作改變，由此定位器質(zhì)量m和彈簧1的作用力F成為造成定位器不解脫的兩個關(guān)鍵原因。

1) 如果定位器質(zhì)量偏大造成所受到的慣性力處于臨界點(diǎn)，會引起人工后坐時觸發(fā)定位器，定位器凸起部從卡鎖的切口中轉(zhuǎn)出，松開卡鎖，在彈簧2的作用下卡鎖沿軸線向炮膛中心方向運(yùn)動，把止動器鎖住保持在收回位置，在止動器的作用下，杠桿2繞軸向后旋轉(zhuǎn)至阻擋活門旋轉(zhuǎn)的位置，最終導(dǎo)致故障出現(xiàn)。由式(2)可知，隨著定位器質(zhì)量m減小，彈簧1對定位器的作用力F隨之增大。定位器質(zhì)量m的減小有利于其在人工后坐或后坐加速度小的狀態(tài)下保持在原有狀態(tài)，定位器凸起仍然與卡鎖切口作用，把卡鎖保持在低位并與止動器解脫，此時止動器在炮尾孔中處于自由狀態(tài)。

2)彈簧1簧力[6]過小可能引起人工后坐時觸發(fā)定位器誤動作。由式(2)可知，直接加大彈簧1的簧力F能保證定位器在人工后坐或后坐加速度小的情況下不解脫。新設(shè)計(jì)彈簧1的示力值為F1=59.3 N，F(xiàn)2=118.5 N。原彈簧1彈的示力值為F1=23.7 N，F(xiàn)2=35.6 N。根據(jù)式(2)對原彈簧 1計(jì)算，原彈簧1在后坐加速度為a=142 m/s2可以解脫，而新設(shè)計(jì)彈簧1需要在后坐加速度為a=637 m/s2才可以解脫。

射擊過程中最小加速度為a=800 m/s2，可確保新設(shè)計(jì)彈簧1在正常射擊過程中解脫，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)工作正常。而在人工后坐時，由于保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作是偶發(fā)的，說明彈簧1在后坐加速度a=142 m/s2時所受的慣性力處于臨界點(diǎn)，工作不是非?？煽?。而新設(shè)計(jì)彈簧1在后坐加速度為a=637 m/s2才可以解脫，通過比較，運(yùn)用新設(shè)計(jì)彈簧可以避免保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在人工后坐時誤動作，提高艦炮的可靠性。

3.3 杠桿2運(yùn)動卡滯

炮尾復(fù)進(jìn)到位開閂，止動器在彈簧3的作用下復(fù)位伸出，杠桿2在彈簧和彈簧帽的作用下，繞軸2順時針旋轉(zhuǎn)至讓開活門的位置。如果杠桿2與軸2配合處有研傷，杠桿2不能繞軸2旋轉(zhuǎn)仍處于阻擋活門的位置，阻止轉(zhuǎn)彈機(jī)轉(zhuǎn)彈。經(jīng)檢測：杠桿2與軸2配合處無研傷，運(yùn)動靈活。

3.4 杠桿1運(yùn)動卡滯

炮尾復(fù)進(jìn)到位開閂，止動器在彈簧3的作用下復(fù)位伸出，由于止動器復(fù)位伸出，杠桿1與止動器作用消除，在帶彈簧的彈簧帽的作用下，杠桿2與杠桿1分別繞軸2和軸1旋轉(zhuǎn)。如果杠桿1與軸1配合處有研傷，杠桿1不能繞軸1旋轉(zhuǎn)仍處于作用杠桿2的位置，杠桿2不能旋轉(zhuǎn)至讓開活門的位置，阻止轉(zhuǎn)彈機(jī)轉(zhuǎn)彈。經(jīng)檢測：杠桿1與軸1配合處無研傷，運(yùn)動靈活。

4 解決措施與實(shí)施效果

通過對保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作故障的所有原因分析、排查，可以確定，炮尾軸孔和止動器同軸度超差、定位器質(zhì)量大及彈簧1簧力偏小是造成保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作的主要原因，故障定位及解決措施如表2所示。定位器質(zhì)量和彈簧1簧力是一對相關(guān)量，受制于定位器的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)等因素約束，不準(zhǔn)備改變其質(zhì)量參數(shù)，重點(diǎn)要解決驗(yàn)證安裝超差和改變簧力兩個方面的問題。

表2 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)故障定位及解決措施對照表

按圖紙要求，調(diào)整架體安裝基準(zhǔn)，使其誤差滿足要求，止動器運(yùn)動靈活，無卡滯，且使用原彈簧1。依次緊固螺栓和配打定位銷。做人工裝填50次，發(fā)現(xiàn)仍有2次保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作，說明調(diào)整止動器和炮尾軸孔的同軸度有一定效果，但未徹底解決。

把新設(shè)計(jì)的彈簧1換到保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上，做人工裝填100次，未發(fā)現(xiàn)有保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作，在隨后試驗(yàn)中也未再出現(xiàn)此故障，故障得以解決。

5 結(jié)論

筆者以保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為研究對象，通過動作原理分析，建立了保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)誤動作的故障樹，并對故障樹進(jìn)行了定性及定量分析，確定出該故障的要因和非要因，最終予以有效解決，保證了該艦炮研制任務(wù)的順利進(jìn)行?？梢钥闯?，故障樹能夠全面、清晰地反映故障成因，系統(tǒng)故障的關(guān)系以及各種可能故障的傳遞途徑，已成為故障診斷、技術(shù)改進(jìn)的有效手段。實(shí)踐證明用故障樹分析法進(jìn)行艦炮系統(tǒng)故障診斷是切實(shí)可行的。

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Study on Location of the False Action of a Navy Gun’s Safety Mechanism in the Case of First Round Loading

FU Caiyue1，LI Fazhong2

(1.713 Research Institute, CSIC， Zhengzhou 450015, Henan, China;2.Training Department of North Sea Fleet Staff, Qingdao 266071, Shandong, China)

The safety device of a certain type of naval gun can prevent ammunition transfer from transferring round under the breechblock closing state or under the state where the cartridge case is not extracted out, which avoids safety accidents such as impact between round and breechblock or cartridge case. Therefore, it is a key factor for ensuring successful completion of firing mission. During the process of one test, the safety device presented false operation when loaded for the first round, and the ammunition transfer accordingly was blocked on the valve and the safety device to end up with suspending of firing mission during the process of transferring. Through failure tree analysis, main causes resulting in this failure are ascertained, which indicates that coaxiality of the breech shaft hole and the retainer is out of tolerance, that locator mass is big, and that spring force of spring 1 is much too little. With the related spring adjusted for the improvement project and with multiple tests accomplished, the breakdown of false operation of the safety device is resolved.

naval gun; safety mechanism; inertia force; fault tree

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.01.018

2016-03-17

付彩越(1973—)，女，高級工程師，主要從事艦炮技術(shù)研究。E-mail：xiaofu713@126.com

TJ39

A

1673-6524(2017)01-0090-05