某導彈氣動跟蹤力矩器卡死問題探討

1.1 故障現象

某型導彈測試過程中，出現多例不跟蹤故障， 經分解檢查，發現均為力矩器下端球與襯套卡死。 進一步檢查發現，下端球工作直徑上附著有較多 多余物，經電鏡分析發現，其成份與襯套成份相 同。同時，襯套工作表面有比較多的劃痕（如圖3 所示），這些劃痕與下端球上的固體附著物緊緊咬 合（如圖4所示），造成卡死。

1.2 原因分析

故障樹分析方法（FTA）是通過對可能造成產 品故障的硬件、軟件、環境和人為因素進行分析， 從而確定產品故障原因的各種可能組合方式或發 生概率的一種分析技術。

本文采用故障樹下行分析法，對力矩器卡死 故障的各種因素進行分析，該故障樹如圖5所示。

由圖5可知，可能造成力矩器卡死的底事件共 10個。通過調查分析，可以明顯排除8個因素，即 產品軟件故障、設備軟件故障、人為操作失誤、零件清洗不良、環境不潔凈、下端球脫落物、零件加 工超差、零件裝調超差。

由于襯套和下端球間隙非常小，根據尺寸鏈 計算，其直徑方向間隙為0.00675～0.01529mm， 在不斷高速摩擦運動的情況下，這樣的間隙極易 受到多余物困擾，甚至微米級顆粒物的進入也會 造成致命影響。經過調查分析，產品裝配環境潔凈 度良好，零件清洗良好，排除了這兩個因素引入多 余物的可能。下面針對“氣路多余物”、“襯套脫落 物”兩種因素（圖5中標★部分）進行重點分析。

1.2.1 氣路多余物分析

由于微米級的多余物可導致卡死，所以對氣 路中多余物的研究必須細化到微米級以下。工藝 上要求系統工作前對氣路進行10min的吹洗，吹 洗后氣體多余物含量必須準確測試。

由于目前對高壓、大流量氣體顆粒物的檢測 沒有專用設備，選用了用于超凈廠房顆粒物檢測 的粒子記數儀，這種設備只能用于低壓低速流動 的氣流顆粒物檢測。雖然圖1中的氣體為高壓高 速，但電磁閥為常閉兩位三通電磁閥，下端球與襯 套之間的間隙起到節流塞的作用，氣流經過該位 置后，截面積急劇增大，壓力迅速減小，因此在實 際工作狀態，經過襯套排氣口的壓力很低，且流量 不大，可以用該設備進行產品排氣顆粒度的測試。

為了保證收集到全部排出氣體，同時避免外 界氣體的影響，自行設計了一種氣路衰減器用于 測試氣流的收集，如圖6。該氣路衰減器利用氣體 的伯努利原理，由兩個漏斗反接的方式構成，一端 接被測高壓氣路輸出口，高壓氣經過漏斗尖端減 壓30倍左右后流入另一漏斗，精密測試探頭在這 一漏斗中進行檢測。該設計既有效保護了測試探 頭免受高壓氣損壞，又在被測氣體輸入與輸出端 形成了相對密閉空間，避免了外界空氣中雜質的 影響，有效保證了測量精度。

由表1數據可以看出，經過力矩器的氣體只含 有少量0.3～0.5μm的顆粒，相對于襯套與下端 球6～15μm的間隙，這些顆粒不會造成卡死故 障。因此，“氣路多余物”這一因素可以排除。

1.2.2 襯套脫落物分析

通過對卡死的力矩器分解檢查，發現下端球 上附著有較多的金屬物質（見圖4），經成份分析， 該附著物與襯套成份相同。觀察襯套內表面，發現 在工作區域有明顯傷痕（見圖3）。這表明在工作過 程中，確有物質從襯套上脫落，這些脫落物可能是 導致卡死的原因。

為了弄清脫落物來源，使用電鏡手段對襯套 工作表面放大1000倍對比分析。圖7為卡死襯套 非工作表面電鏡圖片，圖8為卡死襯套工作表面電 鏡圖片。經成份分析，圖7中黑色點狀、線狀物為 材料內部硫化物夾雜。圖8中的孔洞或凹陷為這些硫化物脫落后遺留痕跡。

通過對比圖7和圖8發現，襯套材料中的硫化 物在工作過程中產生了明顯脫落現象。

2 故障機理及故障復現

根據以上分析，可能引起力矩器卡死的10個 底事件，9個已經得到排除，只有“襯套脫落物”這 一因素不能排除。

為了進一步判斷卡死與襯套脫落物的關系， 對不卡死的襯套進行分解檢查，同樣做電鏡分析， 圖9為電鏡照片。由圖9可以看出，其工作表面比 較致密，未出現孔洞、凹陷等缺陷，說明未產生圖 8所示的硫化物脫落現象。

襯套材料中的硫化物主要作用是減小摩擦力。 因為硫化物是硬相，基體是軟相，當兩個摩擦副接 觸時，軟相受力變形，硬相硫化物支點起支撐作 用。硫化物是一種鹽，屬于離子鍵結合，對外來材 料的親和力較金屬鐵小，金屬鐵原子屬于金屬鍵 結合，金屬鍵的結合力較離子鍵弱，金屬原子對外 來材料的分子親和力較大，宏觀上看也就是硫化 物的摩擦系數較金屬小。同時硬相硫化物支點使 兩個摩擦副接觸面積減小，從而摩擦力也變小。

由此可以判斷力矩器卡死的機理為：由于襯 套工作面硫化物脫落使摩擦系數變大，導致摩擦 熱量增大，襯套摩擦處局部溫度升高幅度增大，導 致摩擦系數再增大，形成惡性循環，同時溫度升高 導致材料強度急劇降低。隨著工作時間的增加，摩 擦接觸點表面溫度升高至一定值后，急劇降低的 材料剪切強度與不斷升高的摩擦力有一個交匯點， 當摩擦力大于材料剪切強度時，襯套材料出現脫 落，且由于高溫作用，附著于球體表面，造成卡 死。

為了驗證故障機理，選取了2組內表面存在類 似圖8所示的襯套進行試驗，工作一定時間后均出 現卡死，表明定位準確，機理清楚。

3 工藝改進

3.1 硫化物脫落原因分析及改進措施

由襯套卡死機理可以看出，卡死的致命原因 是襯套材料中的硫化物出現了脫落，因此，采取有 效措施避免硫化物脫落是問題的關鍵。

一般情況下，不銹鋼中的硫元素是有害成份， 在金屬冶煉過程中要盡量去除。但由于本應用環 境的特殊性，必須保持一定的硫含量，且在加工過 程中不能使其脫落，從而使其發揮潤滑作用。

通過對襯套材料本身的理化分析，其硫含量 是符合要求的，只是在加工過程中造成了硫化物 的脫落。襯套加工流程如下：

鉆孔→檢測內孔尺寸→珩磨（粗）→珩磨（精） →檢測內孔尺寸→入庫。

通過對每個加工環節的分析，發現珩磨工序 是使硫化物脫落的工藝過程。

磨削加工是通過砂輪砂粒對金屬表面的拉擠 作用，使金屬屑撕裂而實現的。對于硬化相和基體 軟相并存材料的磨削加工，基體軟相是通過撕裂 而實現的，硬化相是通過剪切斷裂而實現的。基體 軟相對硬化相顆粒的夾持力和砂輪砂粒擠壓力構 成對硬化相的剪切力。當基體軟相對硬化相顆粒 的夾持力大于硬化相剪切斷裂應力時，硬化相被 剪斷，一部分硬化物被留在軟相基體中。當基體軟 相對硬化相顆粒的夾持力小于硬化相剪切斷裂應 力時，硬化相被擠出（脫落），在軟相基體中留下 孔洞。因此，出現圖8所示的現象，主要是因為襯 套材料基體硬度不夠，使其對硫化物硬相夾持力 小于珩磨時剪切斷裂應力，造成硫化物脫落。

基于以上分析，為了提高襯套基體硬度，在加 工工藝中增加了熱處理工序，改進后的工藝流程 如下：

鉆孔→檢測內孔尺寸→淬火+低溫回火→珩 磨（粗）→珩磨（精）→高溫回火→入庫。

熱處理相關參數：淬火+低溫回火，采用真空 爐VOQ2-100，預熱790℃保溫50min（真空度為 1.6×10-1Pa），繼續升溫至1000℃，保溫35min 后入油淬火。然后進行低溫回火，采用箱式爐OT -1000YVCB，加熱至250℃保溫2h后空冷，硬 度在HV400左右。高溫回火，加熱到540℃保溫 60min后隨爐冷卻，回火后的硬度約HV340。

3.2 改進措施的驗證

使用相同的襯套材料，按照新工藝加工襯套零件，然后在電鏡下分析其內表面狀況，見圖10。 可以看出，工藝改進后，零件內表面孔洞、凹陷等 缺陷消失，即未產生硫化物脫落現象。

使用這種襯套組裝數套產品，經反復試驗，未 出現卡死現象，表明改進措施有效。

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