周銀鶴
(中國船舶重工集團公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)
艦炮行程開關(guān)的作用是為艦炮各個機構(gòu)提供行程到位的信號,實現(xiàn)各個機構(gòu)的順序控制、定位控制和位置狀態(tài)檢測等。行程開關(guān)是一種高精度、高可靠性的元器件,在國家重點型號艦炮系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用,它是實現(xiàn)艦炮自動化運行不可缺少的重要部分,其可靠性直接關(guān)系到艦炮的作戰(zhàn)性能。因此,對于高自動化、智能化的艦炮來說,研究并提高行程開關(guān)的可靠性具有非常重要的現(xiàn)實意義。
在使用行程開關(guān)的過程中,不可避免地會出現(xiàn)一些故障。作為艦炮電氣控制系統(tǒng)中的重要組成部分,一些重要位置的行程開關(guān)一旦出現(xiàn)問題,會直接導(dǎo)致艦炮發(fā)生停射故障,影響艦炮的作戰(zhàn)性能。
以某型號艦炮為例,全炮安裝有近50只行程開關(guān),它們的可靠性對該系統(tǒng)的正常運行起著舉足輕重的作用。為了提高它們的可靠性,設(shè)計者做了大量的工作,盡管如此,仍頻頻發(fā)生由行程開關(guān)引起的故障。該型號艦炮調(diào)試、試驗和服役使用過程中的故障統(tǒng)計顯示,由行程開關(guān)引起的非正常性故障占該艦炮電氣系統(tǒng)故障的37.7%,因此,在該型號艦炮的可靠性改進(jìn)中,將行程開關(guān)列為可靠性急需提高的可增長單元。
當(dāng)前部隊實戰(zhàn)化考核已成常態(tài),艦炮裝備使用強度顯著增大,會經(jīng)常性、大強度、高標(biāo)準(zhǔn)使用。從現(xiàn)役某型號艦炮行程開關(guān)的性能來看,存在可靠性短板制約艦炮作戰(zhàn)性能發(fā)揮的情況。歷次裝備調(diào)試、使用過程中行程開關(guān)出現(xiàn)的或可能出現(xiàn)的故障主要有以下2個:①微動開關(guān)損壞;②開關(guān)觸頭壓縮后不復(fù)位。從故障模式和發(fā)生頻率來看,在艦炮全自動化發(fā)展的今天,行程開關(guān)現(xiàn)有的可靠性已不能完全滿足軍事需求,還有很大的提升空間。行程開關(guān)的狀況到底如何,下面從其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部工作環(huán)境入手進(jìn)行分析。
2.1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析
圖1為某型艦炮行程開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
圖1 行程開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)外力P作用壓頭后,通過壓桿壓縮復(fù)位彈簧,同時,定值壓簧壓縮簧力被釋放,并且推動擺臂轉(zhuǎn)動,擺臂作用于微動開關(guān)觸頭并直抵開關(guān)芯體,受力情況如圖2所示。
圖2 開關(guān)內(nèi)部受力狀態(tài)
分析圖1、圖2可知,該結(jié)構(gòu)有2個隱患:①在理想的正常情況下,擺臂在定值壓簧的推動下壓動微動開關(guān)觸頭,直至撞擊到微動開關(guān)芯體。此時,微動開關(guān)芯體要毫無意義地承受P1、P2這樣具有一定破壞性的沖擊力。②當(dāng)擺臂與壓頭之間的相對串動因受到某種因素的影響而不太自如時,外力則會由量變到質(zhì)變,直接施壓于微動開關(guān)芯體上。這對芯體來說是強大的,不可接受的,微動開關(guān)破損是難免的。從行程開關(guān)實際使用情況統(tǒng)計來看,僅在10套產(chǎn)品的試驗、調(diào)試中,開關(guān)芯體損壞的就不少于5只,占開關(guān)使用總數(shù)(46×10)的1.1%,這一點已明顯成為了影響行程開關(guān)可靠性指標(biāo)的薄弱點。
由圖1可知,行程開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,外力作用到壓頭后,推動彈簧座,使復(fù)位彈簧進(jìn)一步壓縮,定值壓簧釋放預(yù)壓力,克服擺臂與彈簧座間的摩擦力以及擺臂轉(zhuǎn)動軸處的摩擦力,推動微動開關(guān)觸頭。在此要注意以下3點:①力的傳遞環(huán)節(jié)比較多,所以,增加了諸多引發(fā)故障的原因。②擺臂與彈簧座接觸處的圓角修磨不好,會增大擺臂轉(zhuǎn)動時與彈簧座間的軸向力,甚至發(fā)生自鎖,使擺臂轉(zhuǎn)動困難。③這種2個彈簧相互作用的結(jié)構(gòu)不但對同軸度的加工要求比較高,而且工作中容易發(fā)生彈簧失穩(wěn)的情況,長時間工作,彈簧會發(fā)生側(cè)向彎曲和永久變形。在歷次裝備的調(diào)試、試驗中,行程開關(guān)多次因該隱患發(fā)生故障。
2.1.2 外力傳遞機構(gòu)分析
行程開關(guān)采用直動式的外力傳遞機構(gòu)形式。行程開關(guān)壓頭為球頭,它與不同形式的取信號機構(gòu)直接作用。如圖3所示,當(dāng)行程開關(guān)承受取信號機構(gòu)為切向的外力長期作用時,球頭表面會因沖擊產(chǎn)生堆疊,作用形式由點接觸變?yōu)槊娼佑|,作用摩擦力因此增大,觸頭和與之連接的桿承受的徑向力隨之增大,從而導(dǎo)致壓桿與開關(guān)殼體接觸處表面產(chǎn)生夾傷和毛刺。另外,當(dāng)壓桿承受的彎曲應(yīng)力過大時,會導(dǎo)致壓桿發(fā)生折彎。這2種情況都會造成壓桿運動不靈活,導(dǎo)致壓頭復(fù)位阻力增大,甚至不復(fù)位。
圖3 開關(guān)外力傳遞機構(gòu)形式
該型行程開關(guān)僅有直動式一種結(jié)構(gòu)形式,受空間、結(jié)構(gòu)等因素的限制,某些位置不得不采用承受切向力的外力傳遞方式,并且應(yīng)用在承受切向力的位置處的開關(guān)占全炮開關(guān)數(shù)量的46%.以某大型試驗為例,由該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的行程開關(guān)故障形式有壓桿彎曲、折斷、殼體斷裂、壓頭損壞等,超過行程開關(guān)總故障的80%,這直接影響產(chǎn)品的可靠性。
任何事物都有兩面性,設(shè)計者從主觀方面對行程開關(guān)高低溫環(huán)境、振動環(huán)境下的工作情況進(jìn)行了設(shè)計考慮。
下面針對常被人們忽視的行程開關(guān)的客觀工作環(huán)境進(jìn)行分析。設(shè)計者對開關(guān)的結(jié)構(gòu)和主觀工作環(huán)境總是有極高的要求,但對行程開關(guān)放置問題的處理就比較隨便,只要信號能被采集出來,也就很少再去研究其工作環(huán)境。
如圖3(a)所示,取信號機構(gòu)往往是以油缸為動力的,因未做過多考慮,采用的是全炮統(tǒng)一的液壓站的壓力,油缸動作迅猛,帶動取信號機構(gòu)高速撞擊開關(guān)壓頭,壓頭部位承受的切向力是驚人的,長期以往,壓桿發(fā)生彎曲甚至折斷是顯而易見的。如圖3(b)所示,取信號的凸輪機構(gòu)以0.8 m/s的線速度圍繞中心圓運動,凸輪凸臺撞擊開關(guān)的速度大于1 m/s。在如此高速的撞擊下,凸輪作用到開關(guān)壓頭上的切向力和分解到軸向的力也是很大的。在這樣未做過多考慮的惡劣環(huán)境中工作,瞬間的撞擊力隨著壓桿傳遞到殼體上,導(dǎo)致殼體碎裂也是可以想象的。
前面從行程開關(guān)本身結(jié)構(gòu)和外部工作環(huán)境入手作了主觀和客觀方面的分析,那么,提高行程開關(guān)可靠性的途徑和方法也同樣可以從2個方面著手。完成這項工作的總體思路是“化簡結(jié)構(gòu),定量撥動”。以科學(xué)的技術(shù)設(shè)計手段化簡機構(gòu),必然會降低開關(guān)故障率,提高可靠性?!岸繐軇印钡母拍钍菑V義的,通用于內(nèi)部和外部的“標(biāo)定數(shù)值位移”,以實現(xiàn)壓頭和壓桿的定量位移,避免開關(guān)被頂壞。
表1所列標(biāo)定位移量就是理想的“定量撥動”量。如果嚴(yán)格遵守這一“標(biāo)定量”,那么,設(shè)計時就有了明確的指標(biāo),檢驗有了根據(jù),產(chǎn)品質(zhì)量可靠性將大大提高。
表1 開關(guān)撥動量參考數(shù)據(jù)
化簡行程開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu),實現(xiàn)定量撥動,優(yōu)化力的傳遞路徑,可以避免中間傳遞故障的發(fā)生。
圖4所示結(jié)構(gòu)采用了“化簡結(jié)構(gòu),定量撥動“的設(shè)計思路,壓桿受外力作用后定量壓縮微動開關(guān)觸頭,并且精簡了開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這樣改動后,開關(guān)將會變得更加穩(wěn)定和可靠,其壽命將大大延長,可靠性將會大大提高。
3.3.1 改進(jìn)行程開關(guān)外部受力結(jié)構(gòu)
在實際工作中,先從外力傳遞環(huán)境入手開始改進(jìn)。針對圖3所示工作環(huán)境,改進(jìn)型采用滾輪式和搖臂式開關(guān)壓頭,設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖4 開關(guān)內(nèi)部簡化結(jié)構(gòu)
圖5 滾輪式、搖臂式開關(guān)觸頭
從圖5中可以看出,當(dāng)行程開關(guān)壓頭受切向力撞擊時,滾輪轉(zhuǎn)動,此時的摩擦阻力可以大大減小,從而避免了開關(guān)受到大力沖擊被撞壞。
3.3.2 改進(jìn)采集信號機構(gòu)
由于設(shè)計者未過多考慮采集信號機構(gòu)運動時的轉(zhuǎn)速、加速度等客觀條件,導(dǎo)致信號采集時行程開關(guān)常常受到不必要的取信號機構(gòu)的高速撞擊。因此,可以針對性地做一些工作,比如調(diào)節(jié)油缸的流量,以降低速度,設(shè)計減速傳遞機構(gòu)等,使取信號機構(gòu)撞擊行程開關(guān)觸頭的速度小于0.5 m/s的經(jīng)驗標(biāo)定值,從而有效提高行程開關(guān)的可靠性。
本文從某型艦炮行程開關(guān)常見故障入手,從主客觀2個方面分析了開關(guān)存在的問題,并從內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部工作環(huán)境2個方面提出了提高行程開關(guān)可靠性的途徑和方法。設(shè)計者可根據(jù)該思路設(shè)計需要提高運行可靠性的其他開關(guān)型產(chǎn)品。