孫云忠 賀超

（1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖南省湘潭市 411207 2.湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省湘潭市 411207）

擊針是火器的閉鎖機(jī)構(gòu)中撞擊底火的尖鎖，為前端細(xì)，尾端粗的桿型機(jī)構(gòu)，為了提高對底火的打擊強度，擊針的前端直徑較細(xì)，在使用過程中易變形。擊針是身管武器工作的關(guān)鍵重要零部件，其壽命的長短，性能是否可靠對身管武器能否發(fā)揮其作戰(zhàn)效能具有十分重要的影響。國內(nèi)外對擊針的可靠性和壽命均極為重視。

國外對擊針的研究，上世紀(jì)主要集中在對擊針材料，擊針熱表處理工藝上，美國主要采用實彈射擊的方式進(jìn)行性能對比，此種方法耗資不菲。21 世紀(jì)，隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的成熟，美國、法國等國主要武器制造商投入了巨大的精力對擊針的全壽命過程進(jìn)行了大量的模擬預(yù)測，提高擊針使用壽命的主要手段由提高單根擊針壽命變?yōu)樘崆邦A(yù)測擊針壽命并及時更換擊針，一般認(rèn)為火炮擊針在1000 次左右即應(yīng)進(jìn)行更換。

國產(chǎn)的火炮擊針壽命長只有美國、英國擊針壽命的2/3，目前，國內(nèi)對擊針動作模擬和壽命的檢測主要使用軟件模擬方式進(jìn)行。張雅利用有限元對部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，產(chǎn)生了計算疲勞損傷所需的數(shù)據(jù)，再由Kriging 模型模擬結(jié)構(gòu)應(yīng)力函數(shù)，利用Neuber 局部應(yīng)力應(yīng)變分析法求出擊針的疲勞損傷，最后由Kriging 模型結(jié)合蒙特卡洛方法模擬抽樣隨機(jī)因素下的單發(fā)射擊時的損傷大小，擬合了擊針疲勞損傷退化量的分布函數(shù)，并由此退化數(shù)據(jù)分析評估了擊針的可靠性。藺月敬利用有限元分析軟件ABAQUS 對某火炮擊發(fā)機(jī)構(gòu)建立有限元模型，進(jìn)行有限元仿真計算，得到了擊錘與擊針的應(yīng)力、速度、位移等參數(shù)。黃偉對槍炮中桿形擊針的疲勞破斷問題,應(yīng)用彈性應(yīng)力波理論和有限疲勞壽命分析方法相結(jié)合,分析計算了擊針中的應(yīng)力,并對其疲勞壽命進(jìn)行了估算。郝秀平利用有限元分析軟件ANSYS，建立了擊錘撞擊下?lián)翎槕?yīng)力仿真的有限元模型,計算得到了擊針的應(yīng)力、速度、位移等參數(shù)。確定擊針的危險斷面不在擊針的尖端,而在距離尾端約15mm 處。

目前國內(nèi)的擊針動作模擬和壽命檢測系統(tǒng)較少，目前使用的擊針壽命模擬實驗裝置，使用了簡單的交流電機(jī)控制模擬擊針的擊發(fā)，人工裝拆擊針，手持特制的鋼板模擬擊針擊發(fā)炮彈底火的動作，隨后，使用深度尺對鋼板上的凹坑進(jìn)行測量，采用樣板對擊針變形量進(jìn)行檢測。這類裝置存在工人勞動強度大、人為誤差大、檢測速度慢、測精度低等問題，使用期間還發(fā)生過擊針斷裂崩出傷人的事故。

綜上所述，現(xiàn)有擊針壽命檢測方法，均不能滿足自動化、精確化、快速化的要求。采用在原身管武器上對擊針的壽命進(jìn)行模擬的方式，花費巨大，而且擊針的變形量不易測量。簡易的擊針撞擊模擬系統(tǒng)安全性差，檢測效率低，檢測精度差。采用有限元仿真分析的方式，不能完全模擬實際工藝狀態(tài)中出現(xiàn)的誤差對擊針壽命的影響，僅只能作為擊針研發(fā)和壽命預(yù)測的參考，不能作為唯一的評價手段。本課題在前人研究的基礎(chǔ)上，將擊針從原系統(tǒng)匯總獨立出來，搭建擊針撞擊模擬平臺，以經(jīng)濟(jì)、快速、簡單的方式獲取擊針在撞擊底火時擊針的狀態(tài)參數(shù)，提供了一種擊針壽命檢測的方法。

1 結(jié)構(gòu)原理

在線檢測的全自動擊針撞擊模擬裝置，其設(shè)計思路為：采用二維高速投影尺寸測量儀對擊針形變量進(jìn)行測量，激光位移傳感器對擊針撞擊后樣板上的凹坑進(jìn)行測量，為減少樣板裝夾次數(shù)，采用可以X、Y 雙軸移動的滑臺移動樣板，使得一塊樣板至少能進(jìn)行20 次以上的擊針撞擊模擬，設(shè)計時要考慮到拆裝的方便性，更換擊針的方便性，操作的安全性等因素。盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件來搭建裝置模型，減少裝置的制造成本，縮短設(shè)計和制造的周期，提高裝置零件的互換性。

基于以上的設(shè)計思路和理念，本文提出了一種擊針撞擊模擬方案：

如圖1 所示，擊針試驗臺由安裝板、臺架、擊針模擬組件、激光位移傳感器、二維高速投影尺寸測量儀、沖擊樣塊組件和機(jī)械滑臺等組成。

圖1：擊針試驗臺結(jié)構(gòu)組成圖

機(jī)械滑臺和臺架組件通過螺釘固定安裝在安裝板上。

激光位移傳感器、二維高速投影尺寸測量儀和擊針組件通過螺釘和插銷固定在臺架組件上。

沖擊樣塊組件通過螺釘固定在機(jī)械滑臺上。

機(jī)械滑臺可帶動沖擊樣塊組件在X 和Y 方向上在0 ～200mm 的行程內(nèi)運動。

臺架組件的齒條可帶動擊針組件在Z 方向上在0 ～100mm 的行程內(nèi)運動。

擊針模擬組件通過螺釘固定安裝在升降齒條上。

如圖2 所示，擊針模擬組件由凸輪、聯(lián)軸器、壓力傳感器、擊針、撥動子、擊針簧、螺套、電機(jī)安裝座、電機(jī)、彈簧導(dǎo)桿等組成。

圖2：擊針模擬組件方案

電機(jī)安裝座是擊針模擬組件的基座。

電機(jī)通過螺釘固定安裝在電機(jī)安裝座上；

凸輪中部通過軸承安裝在電機(jī)安裝座的安裝孔內(nèi)，尾端通過聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸固定連接，凸輪處與撥動子接觸，凸輪轉(zhuǎn)動時撥動撥動子上下運動；

撥動子通過矩形凸起安裝在電機(jī)安裝座的矩形導(dǎo)槽內(nèi)；

彈簧導(dǎo)桿下端通過螺紋結(jié)構(gòu)固定在撥動子上端，上端套接在螺套內(nèi)；

彈簧套接在彈簧導(dǎo)桿上，一端與撥動子接觸，另一端與螺套接觸

螺套通過螺紋結(jié)構(gòu)旋擰在電機(jī)安裝座的螺紋孔內(nèi)，通過調(diào)節(jié)螺套在螺紋孔內(nèi)的距離，可以調(diào)整擊針簧簧力。

采用這種擊針布置方式的好處是，擊針撞擊測試完成之后，只需要驅(qū)動齒條帶動擊針組件一起向上升到上限位點，將擊針從撥動子的螺紋孔向下旋出，即可拆下?lián)翎?。隨后，逆序從撥動子下方將新的擊針旋入撥動子的螺紋孔內(nèi)，即可完成一次擊針的更換，從而實現(xiàn)拆裝方便的功能要求。

另外，擊針上端的螺套可沿著電機(jī)安裝座的螺紋孔螺旋上下移動，在安裝擊針簧時比較省力，還可以實現(xiàn)對擊針簧簧力的微調(diào)。

2 模擬裝置動力學(xué)仿真分析

2.1 多剛體動力學(xué)的研究方法

多剛體系統(tǒng)動力學(xué)研究的內(nèi)容通常分為兩個部分:運動學(xué)和動力學(xué)。在運動學(xué)的研究范疇內(nèi)，不涉及系統(tǒng)的壓力，只有系統(tǒng)的位置變形和各種速度、加速度等物理量的描述及他們之間關(guān)系的確定。它不僅是在動力學(xué)研究的基礎(chǔ)，而且本身也具有十分重要的意義。多剛體系統(tǒng)動力學(xué)中首先要解決的是書面描述剛體之間的受力和運動系統(tǒng)運動微分方程之間的關(guān)系。由于得到的運動微分方程數(shù)量多，并含有大量的非線性項，一般無法得到確定的解集，所以研究建立系統(tǒng)的多剛體動態(tài)模型，主要任務(wù)是便于計算機(jī)的應(yīng)用與計算。目前，多剛體動力學(xué)已形成系統(tǒng)的研究方法，主要是由牛頓歐拉矢量力學(xué)方法方程表示，通過拉格朗H 方程為代表的分析力學(xué)方法、圖論方法、凱恩方法、變分方法。

2.2 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h3>

建立如圖3 所示的擊針撞擊模擬裝置仿真模型，將模型導(dǎo)入剛體動力學(xué)仿真分析軟件。為了減少計算量，對仿真模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

圖3：剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

（1）忽略零件加工誤差，所有零件均為絕對精確尺寸；

（2）除擊針和樣板，其余零件均為剛體，在運動中這些剛體零件不會變形，也不會發(fā)生磨損；

（3）彈簧的質(zhì)量等效到撥動子上；

（4）裝置中的螺紋連接結(jié)構(gòu)，都具有自鎖性，在整個運動過程中都不會發(fā)生松動；

（5）忽略裝置質(zhì)心變化帶來的抖動。

電機(jī)與ground 施加固定約束，樣板與ground 施加固定副，對撥動子施加滑動副，撥動子與彈簧導(dǎo)桿施加固定約束，撥動子與凸輪施加接觸副，凸輪與電機(jī)施加旋轉(zhuǎn)副，凸輪與撥動子施加接觸副。各構(gòu)件間均視為潤滑良好，靜摩擦系數(shù)取為0.1，動摩擦系數(shù)取為0.05。擊針簧初始壓力設(shè)置為800N，擊針簧使用軟件自帶的功能模塊進(jìn)行建立，擊針簧剛度系數(shù)為20N/mm。擊針和樣板進(jìn)行柔性化處理，網(wǎng)格大小為2mm。

關(guān)鍵零部件運動規(guī)律為：

0 秒，凸輪以50 轉(zhuǎn)/s 速度逆時針轉(zhuǎn)動180°，擊針撞擊樣板；

0.8秒，凸輪以50轉(zhuǎn)/s速度逆時針轉(zhuǎn)動180°，將擊針抬起；

0.9 秒，樣板以100mm/s 的速度后移10mm；

1.1 秒，凸輪以50 轉(zhuǎn)/s 速度逆時針轉(zhuǎn)動180°，擊針撞擊樣板。

2.3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)仿真分析，如圖4 所示，擊針撞擊樣板速度為1831mm/s，與設(shè)計預(yù)期相符合。如圖5 所示，擊針撞擊過程最大應(yīng)力值為200MPa，最大形變量為0.0237mm，撞擊前后，擊針有微小的速度波動，撞擊前的波動是由擊針和撥動子與其他零件高速相互運動產(chǎn)生的摩擦力引起的，撞擊后的速度波動是由擊針與樣板撞擊，樣板產(chǎn)生變形，擊針簧簧力產(chǎn)生變化引起的。

圖4：擊針?biāo)俣?時間規(guī)律

圖5：仿真應(yīng)力云圖

需要指出的是，仿真過程中使用的擊針，其頭部沒有倒角和倒圓角，因此頭部銳邊處，應(yīng)力集中會比較大。

如圖6 所示，撞擊過程中，擊針尾端出現(xiàn)了一定程度的擺動，最大擺動量為0.015mm，平均擺動量為0.007mm，這是由于尾端缺乏徑向約束造成的，這一擺動擺動量很小，對擊針頭部造成的影響可以忽略不計。

圖6：擊針尾端徑向位移規(guī)律

如圖7 所示，在運動過程中，擊針與撥動子的接觸力呈現(xiàn)周期性的變化，主要表現(xiàn)為：凸輪長軸與撥動子接觸時，接觸力為800N左右，與擊針簧簧力相當(dāng)，但是有一定的波動；凸輪長軸與撥動子脫離接觸的過程中，由于凸輪轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于擊針簧恢復(fù)速度，因此凸輪與撥動子的接觸力幾乎是瞬間變?yōu)?。這一設(shè)計確保了凸輪僅會受到極短的外力作用，避免了凸輪軸的變形。

圖7：凸輪與撥動子接觸規(guī)律

針對擊針撞擊仿真的應(yīng)力結(jié)果，本文對擊針進(jìn)行了簡單的壽命仿真分析，經(jīng)仿真，擊針壽命為20000 次，這比擊針實際使用壽命相比數(shù)值偏高，出現(xiàn)這種情況的原因是，仿真過程中，擊針與樣板是絕對垂直的，實際使用過程中擊針與底火不是絕對垂直的，而且擊針還會受到火藥燃?xì)獾臒g，使擊針尖端硬度在使用過程中降低。擊針接觸到的火藥燃?xì)馄渲饕堑谆鸨蛔矒艉蟮谆饸こ霈F(xiàn)破裂，導(dǎo)致底火藥泄露，被底火藥點燃的發(fā)射藥也會從底火殼的裂縫中漏出，燒蝕擊針。這種底火殼被撞裂的情況在實際使用中的概率較小，但一旦出現(xiàn)底火殼撞裂的情況，在這一發(fā)彈的整個內(nèi)彈道過程中，擊針都會承受高溫高壓火藥燃?xì)獾臒g，這一內(nèi)彈道過程，對于槍械來說時間是較短的，通常為幾毫秒，但對于火炮，尤其是大口徑火炮，這一內(nèi)彈道時間通常為10 毫秒左右，時間較長，燒蝕會比較嚴(yán)重。因此我們在實際使用過程中會發(fā)現(xiàn)，火炮擊針的壽命通常不會超過1000，而槍械的擊針壽命通常在10 萬次以上。

3 結(jié)束語

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，建立了一種在線檢測的全自動擊針撞擊模擬裝置，同時采用多剛體動力學(xué)仿真軟件對裝置關(guān)鍵零部件進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治?，結(jié)果表明，各零部件間運動順暢，無阻滯，擊針撞擊速度滿足設(shè)計預(yù)期，是一種具備進(jìn)一步工程化條件的在線檢測的全自動擊針撞擊模擬方案。但是，擊針壽命模擬結(jié)果與實際使用情況相差較多，需要改進(jìn)仿真模型和手段，引入火藥燒蝕，對其壽命進(jìn)行模擬。

在后續(xù)的研究中，擬對發(fā)射過程中，底火殼破裂情況下?lián)翎槦崃︸詈戏抡妫粯影迨軌喊枷葸^程；機(jī)構(gòu)工作過程中裝置整體震動規(guī)律；不同熱處理情況下?lián)翎樧冃吻闆r；不同樣板材料受撞情況對比等多個方面對擊針撞擊模擬裝置進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。