宋 斌，單奇藝

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引 言

機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射裝置掛裝于飛機(jī)掛點(diǎn)，主要用來(lái)懸掛和發(fā)射空空導(dǎo)彈。導(dǎo)彈在發(fā)射前準(zhǔn)備和發(fā)射時(shí)一般都要通過(guò)導(dǎo)線接入發(fā)射裝置上的插頭來(lái)獲得彈外有關(guān)信號(hào)和電源。插頭支架的作用就是在發(fā)射時(shí)將插頭自動(dòng)拔出，使電路斷開(kāi)，并迅速讓開(kāi)一個(gè)距離，不至妨礙導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)[1-3]。插頭支架能否正常工作，直接關(guān)系到導(dǎo)彈發(fā)射的安全性。

某型飛機(jī)在飛行訓(xùn)練著陸后，地面檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)掛裝于翼尖掛點(diǎn)的某型發(fā)射裝置插頭支架離開(kāi)鎖定工作位置。筆者對(duì)這一故障現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行全面分析，通過(guò)力學(xué)分析找出故障原因，針對(duì)故障原因提出了有效的改進(jìn)措施，為發(fā)射裝置插頭支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

1 工作原理

插頭支架安裝于發(fā)射裝置前端。掛裝導(dǎo)彈時(shí)，抬起插頭支架上滑動(dòng)件的扣板，沿航向滑動(dòng)，露出搖臂上的腰形缺口。壓下?lián)u臂，使導(dǎo)彈剪切插頭上的左、右耳軸進(jìn)入腰形缺口內(nèi)，最后推動(dòng)滑動(dòng)件到鎖定位置?；瑒?dòng)件與搖臂組成的腰形槽鎖住耳軸，工作狀態(tài)如圖1所示。

圖1 插頭支架工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)彈掛飛時(shí)，滑動(dòng)件始終在鎖定位置，以備導(dǎo)彈發(fā)射。

導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，導(dǎo)彈在發(fā)動(dòng)機(jī)的推力作用下向前運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)彈上的耳軸接觸到腰形槽斜面后，耳軸行程被限制無(wú)法與導(dǎo)彈保持同步運(yùn)動(dòng)。隨后耳軸與導(dǎo)彈之間的連接螺釘被剪斷，耳軸脫離導(dǎo)彈沿腰形槽斜面上移，拔出剪切插頭的插針。此時(shí)搖臂獲得耳軸帶來(lái)的沖量，同時(shí)在扭簧作用下，帶著導(dǎo)彈剪切插頭繞軸迅速抬起，讓開(kāi)向前運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)彈，保證發(fā)射安全。

2 故障分析

2.1 初步分析

本次的滑動(dòng)件脫鎖故障發(fā)生在導(dǎo)彈掛飛過(guò)程中。首先滑動(dòng)件上的扣板向上抬起，扣板上的銷(xiāo)軸脫離了搖臂限位孔的約束，從而導(dǎo)致滑動(dòng)件離開(kāi)工作位置?；瑒?dòng)件離開(kāi)工作位置后，無(wú)法與搖臂組成封閉的腰形槽，從而無(wú)法有效鎖住耳軸，搖臂在扭簧2的作用下離開(kāi)工作位置，形成了插頭支架脫鎖的故障現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 插頭支架脫鎖故障示意圖

2.2 故障樹(shù)

滑動(dòng)件扣板抬起是本次脫鎖故障的必要條件。分析脫鎖故障，主要就是找出滑動(dòng)件扣板抬起的原因。將引起故障的可能原因建立故障樹(shù)[2]，如圖3所示。

圖3 插頭支架脫鎖故障樹(shù)

2.3 故障原因排查

(1) 使用原因 經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)操作人員溝通，排除了起飛前插頭支架未鎖住的情況。

(2) 制造原因 對(duì)零件制造和產(chǎn)品裝配過(guò)程進(jìn)行復(fù)查，對(duì)零件尺寸和扭簧力值進(jìn)行復(fù)測(cè)，排除零件缺陷和裝配缺陷。

(3) 設(shè)計(jì)原因 當(dāng)作用在扣板上的轉(zhuǎn)矩超過(guò)扭簧2的承載能力時(shí)，扣板將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)插頭支架工作狀態(tài)時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，判斷插頭支架的承載能力是否滿足要求。

① 基本數(shù)據(jù)

滑動(dòng)件重量m1=0.074 kg ，扣板質(zhì)量m2=0.018 kg，扭簧1剛度k1=1.25 N·mm/(°)，扭簧1安裝變形角α=39°，扭簧1安裝扭矩T1=αk=48.75 N·mm。

② 假設(shè)條件

為了簡(jiǎn)化力學(xué)計(jì)算，設(shè)定假設(shè)條件：1) 不考慮滑動(dòng)件與搖臂之間的摩擦力(摩擦力對(duì)扣板運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，不考慮摩擦力相當(dāng)于對(duì)承載能力加嚴(yán)了考核)；2) 不考慮重力(重力對(duì)扣板運(yùn)動(dòng)的影響很小，可忽略不計(jì))；3) 研究對(duì)象視為剛體。

③ 受力分析

飛機(jī)空中做機(jī)動(dòng)或起飛、著陸時(shí)，發(fā)射裝置會(huì)受到慣性載荷的作用，因此在受力分析中引入慣性力，對(duì)滑動(dòng)件的承載能力進(jìn)行計(jì)算[3-4]。

首先以滑動(dòng)件為研究對(duì)象，受力情況如圖4所示。

圖4 滑動(dòng)件受力圖

F′為滑動(dòng)件的慣性力，作用在滑動(dòng)件的重心O點(diǎn)，F(xiàn)′=m1a,a為慣性過(guò)載；F為搖臂作用在扣板上銷(xiāo)軸的推力；FN為搖臂作用在卡子上的壓力；θ為F′與x方向的夾角，0≤θ≤90°

列出x方向的平衡方程：

F′cosθ-F=0

代入F′=m1a，得到：

F=m1acosθ

以扣板為研究對(duì)象，受力情況如圖5所示。

圖5 扣板受力圖

F1′為扣板的慣性力，作用在扣板的重心O1點(diǎn)，F(xiàn)1′=m2a,a為可承受過(guò)載；T為兩個(gè)扭簧1對(duì)扣板的扭矩，T=2T1=97.5 N·mm；Fa為滑動(dòng)件上的軸對(duì)扣板的作用力；以扣板轉(zhuǎn)動(dòng)軸為圓心，扣板重心位置：x1=18.1 mm;y1=1.8 mm。根據(jù)扣板的重心位置可得出F1′對(duì)O2的力臂值：

L1=x1sinθ-y1cosθ

F對(duì)O2的力臂值L2為已知量，L2=9.4 mm。

列出O2點(diǎn)的力矩平衡方程：

將F=m1acosθ、F1′=m2a和L1=x1sinθ-y1cosθ代入可得：

以θ為變量，對(duì)a求導(dǎo)，通過(guò)計(jì)算得到a取極小值時(shí)：

將數(shù)據(jù)代入可得θ=26.2°，代入后可得amin=132.0 m/s2=13.5 g。

智能快遞柜企業(yè)的快速成熟和規(guī)模擴(kuò)大，為物流行業(yè)進(jìn)入智能化和集約化模式奠定了基礎(chǔ)。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，按照過(guò)去十年及當(dāng)前和未來(lái)十年快遞增速看，未來(lái)末端一定是集約化和智能化作為70%以上的包裹量的處理方式。

即當(dāng)過(guò)載與x方向夾角為26.2°，扣板可承受的綜合過(guò)載最小，為13.5 g。

將θ=0°、θ=90°分別代入，可以得到a|θ=0°=15 g，a|θ=90°=30.5 g，即：當(dāng)過(guò)載與x方向夾角為0°，扣板可承受的水平過(guò)載為15 g；當(dāng)過(guò)載與x方向夾角為90°，扣板可承受的法向過(guò)載為30.5 g。

2.4 故障定位

排除了使用原因和制造原因后，對(duì)插頭支架的滑動(dòng)件機(jī)構(gòu)的承載能力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)GJB150.15A-2009中程序I結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的要求[5]，對(duì)于安裝在飛機(jī)機(jī)翼翼尖的外掛物，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)推薦g值為前15 g、后15 g、上23.2 g、下13.5 g。當(dāng)前滑動(dòng)件的承載能力達(dá)到了試驗(yàn)的最低要求，但是有時(shí)最大機(jī)動(dòng)加速度和最大縱向加速度會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，因此需要對(duì)試驗(yàn)量值乘以適當(dāng)系數(shù)。也就是說(shuō)極限條件下慣性載荷可能會(huì)超出插頭支架的可承受范圍，造成插頭支架脫鎖故障。

3 改進(jìn)措施

脫鎖故障發(fā)生的前提是滑動(dòng)件扣板抬起。解決脫鎖故障，就要提高滑動(dòng)件的承載能力，保證扣板在大過(guò)載環(huán)境下始終處于工作位置。

根據(jù)對(duì)扣板的受力分析，扣板抬起的條件是慣性力F1′和壓力F對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩超過(guò)2個(gè)扭簧1的工作扭矩。因此提高扣板承載能力有2個(gè)方向：①降低慣性力F1′和壓力F的力矩；②提高扭簧的工作扭矩。

經(jīng)過(guò)對(duì)扭簧的初步估算[6]，受目前安裝空間和使用空間的限制，很難進(jìn)一步提高工作扭矩。因此改進(jìn)的主要方向是降低慣性力和壓力的力矩。

3.1 改進(jìn)方案一

調(diào)整扣板形狀，見(jiàn)圖6。將扣板重心調(diào)整到轉(zhuǎn)軸中心位置，慣性力F1′對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩為0，提高扣板抗過(guò)載的能力。

圖6 改進(jìn)后的扣板

改進(jìn)后，扣板質(zhì)量m2′=0.027 kg，滑動(dòng)件質(zhì)量m1′=0.083 kg，L1=0。代入扣板O2點(diǎn)的力矩平衡方程得到：

改進(jìn)后，消除了扣板慣性力F1′的力矩的影響。改進(jìn)前后的對(duì)比如表1所列。

表1 改進(jìn)前后的對(duì)比

可以看出，當(dāng)θ≥40°時(shí)，改進(jìn)后的承載能力有較大的改善；當(dāng)20°≤θ≤40°時(shí)，改進(jìn)后承載能力提升不大；當(dāng)θ≤20°時(shí)，受滑動(dòng)件重量增加的影響，改進(jìn)后的承載能力反而降低，需做進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 改進(jìn)方案二

根據(jù)圖5的滑動(dòng)件受力圖，當(dāng)滑動(dòng)件受慣性力影響產(chǎn)生x向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，此時(shí)搖臂對(duì)滑動(dòng)件產(chǎn)生推力F。如果在滑動(dòng)件銷(xiāo)軸與搖臂的接觸處增加限位特征，可有效避免扣板抬起。

對(duì)扣板的柱銷(xiāo)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在扣板的柱銷(xiāo)下方增加鎖鉤特征。當(dāng)扣板受到搖臂推力抬起時(shí)，鎖鉤可限制扣板進(jìn)一步抬起，保證扣板不離開(kāi)工作位置，如圖7所示。

圖7 柱銷(xiāo)鎖鉤工作原理

3.3 改進(jìn)措施總結(jié)

兩種改進(jìn)措施分別解決了慣性力F1′和壓力F對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩。改進(jìn)措施一可完全消除慣性力F1′的力矩。改進(jìn)措施二沒(méi)有改變推力F的力矩，但是通過(guò)在受力接觸面增加限位，可有效抵消推力F的力矩。兩種改進(jìn)方式同時(shí)落實(shí)，可極大提高滑動(dòng)件的承載能力。

4 驗(yàn)證情況

對(duì)插頭支架改進(jìn)后進(jìn)行了模擬發(fā)射試驗(yàn)，通過(guò)高速攝像記錄發(fā)射過(guò)程，改進(jìn)后的插頭支架扣板工作正常，未出現(xiàn)抬起現(xiàn)象。之后對(duì)6臺(tái)外場(chǎng)的發(fā)射裝置進(jìn)行改進(jìn)，在后續(xù)兩個(gè)多月的飛行試驗(yàn)中，沒(méi)有再出現(xiàn)插頭支架脫鎖的現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)插頭支架脫鎖故障的原因進(jìn)行梳理，對(duì)故障原因逐步排查，摸清了故障機(jī)理。對(duì)插頭支架扣板結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，調(diào)整零件重心到轉(zhuǎn)軸處，并增加鎖鉤特征，極大提升了插頭支架的抗過(guò)載能力。模擬發(fā)射試驗(yàn)及后續(xù)的飛行試驗(yàn)證明改進(jìn)措施有效。

隨著新一代飛機(jī)機(jī)動(dòng)能力的不斷提升，對(duì)機(jī)載外掛物的抗過(guò)載能力有了更高的要求。對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)保證其抗過(guò)載能力有足夠的裕量。在空間允許的情況下使轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重心盡量靠近轉(zhuǎn)軸并設(shè)置合理的限位措施可有效避免類(lèi)似故障的發(fā)生。