基于故障樹最小割集的解脫器活塞斷裂分析

楊宏亮，黃觀明

(鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

解脫器是供彈機(jī)構(gòu)中的重要部件，它的質(zhì)量好壞直接決定供彈停射機(jī)構(gòu)的可靠性，進(jìn)而影響火炮的性能。解脫器由氣缸、活塞、彈簧密封圈等組成。停射過程中，活塞的作用是卡住鼓形輪，使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并抵抗花鍵軸壓縮軸一彈簧的反作用力，進(jìn)而切斷供彈系統(tǒng)與自動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)。活塞作為解脫器的重要傳力零件，其工作條件較為惡劣，所受沖擊載荷較大，對其材料性能、加工工藝要求較高。在工作過程中，活塞發(fā)生斷裂會(huì)造成十分嚴(yán)重的結(jié)果，因此保證活塞工作可靠性，及時(shí)排除使用過程中的故障，具有重要的意義。

基于故障樹的分析方法能夠找出各重要元器件故障之間的因果關(guān)系，成為火炮故障分析的主流技術(shù)之一[1]。針對某解脫器活塞在停射過程中出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，本文采用故障樹法分析方法，建立解脫器活塞斷裂的最小割集故障樹模型，并通過剛強(qiáng)度分析、材料微觀分析法以及沖擊功測試等方法對最小割集中的故障類型進(jìn)行驗(yàn)證，確定了解脫器活塞斷裂的原因。

1 基于故障樹的某解脫器活塞斷裂分析

1.1 故障樹分析法簡介

故障樹是一種將零部件故障和特定的系統(tǒng)故障聯(lián)系起來，并將系統(tǒng)故障的各種原因，從上到下按樹枝狀結(jié)構(gòu)逐層細(xì)化，以表示系統(tǒng)故障和零部件故障之間因果關(guān)系的分析方法[2]。故障樹方法基本過程是首先把所研究事件的故障作為故障分析的頂事件，然后逐級分析直接導(dǎo)致其故障發(fā)生的中間事件和底事件，最后用適當(dāng)?shù)倪壿嬯P(guān)系把頂事件、中間事件和底事件聯(lián)系在一起形成故障樹。通過事件故障樹的建立，可以清晰地看出系統(tǒng)故障事件之間的內(nèi)在聯(lián)系，便于找出事件故障的原因，為排除故障提供重要的參考[3]。本文通過對解脫器活塞斷裂進(jìn)行深入分析，建立了其故障樹模型，如圖1所示。

圖1 解脫器活塞斷裂故障樹Fig. 1 Fault tree of the fractured reliever piston

其中：ST為解脫器活塞斷裂；S1為生產(chǎn)質(zhì)量問題；S2為設(shè)計(jì)問題；S3為裝配操作問題；S4為活塞熱處理質(zhì)量不達(dá)標(biāo)；S5為活塞表面處理不當(dāng)；X1為活塞硬度高；X2為活塞硬度低；X3為鍍鉻沒除氫；X4為鍍鉻除氫時(shí)間短；X5為重復(fù)鍍鉻；X6為活塞強(qiáng)度不足；X7為斷裂處應(yīng)力集中；X8為材料選擇不當(dāng)；X9為炮上操作有問題；X10為部件裝配不滿足要求。

1.2 故障樹最小割集的數(shù)學(xué)描述

割集是指故障樹中同時(shí)發(fā)生將引起頂事件發(fā)生的底事件集合。最小割集是指去掉故障樹中任一割集的一個(gè)底事件后，就不再是割集的底事件集合。

故障樹一個(gè)割集的狀態(tài)表示了頂事件發(fā)生的一種可能性，而最小割集代表著產(chǎn)品的一種失效模式[4]。通過尋找故障樹的所有割集，可以明確事件發(fā)生故障的所有可能。故障樹分析的主要目的便是找到故障樹模型的全部最小割集[5]，為診斷一個(gè)已發(fā)生故障的系統(tǒng)指明排查方向。下面本文將對用最小故障樹的割集描述頂事件狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)[6]。

若某底事件集合 X中，狀態(tài)變量 Xi均等于1時(shí)也等于1，則按照割集定義可知 X為一個(gè)割集，若找不到任何一個(gè)割集 Xi完全屬于 X ，則 X為最小割集，即當(dāng)XiX 時(shí)， X 為最小割集。頂事件狀態(tài)變量 y的值可由最小事件之間的邏輯關(guān)系按照下式取值：

式中： Nk為系統(tǒng)最小割集數(shù)目； Kj為第 j個(gè)最小割集。 Kj與最小割集中狀態(tài)變量Xi的關(guān)系可知：

因此，可以用故障樹所有最小割集的狀態(tài)來等價(jià)地表示頂事件的狀態(tài)[7]：

針對圖1中的故障樹，用下行法[8]求得解脫器活塞斷裂故障樹的所有最小割集有{X1}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X2X3}，{X2X4}，{X2X5}，{X1X3}，{X1X4}，{X1X5}，則解脫器活塞斷裂的全部可能失效模式可用最小割集的狀態(tài)表示為

即ST=S1∪S2∪S3∪S4∪S5=X1∪X6∪X7∪X8∪X9∪X10∪X2X3∪X2X4∪X2X5∪X1X3∪X1X4∪X1X5。

以故障樹最小割集法構(gòu)建的故障樹，其任一底事件即為故障發(fā)生的最終原因，因而可以通過構(gòu)建合理的故障樹完成裝備的故障診斷工作[7]。解脫器活塞斷裂最小割集故障樹如圖2所示。

對最小割集進(jìn)行重要性比較的原則是：階數(shù)越小的最小割集越重要；在低階最小割集中出現(xiàn)的底事件比高階最小割集中的底事件重要；在最小割集階數(shù)相同的條件下，在不同最小割集中重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)越多的底事件越重要[9]。從最小割集故障樹中可以看出，X1，X6，X7，X8，X9，X10同等重要，其中 X1，X4，X5重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)較多，說明其在底事件中較為重要。

2 主要影響因素分析

圖2 解脫器活塞斷裂最小割集故障樹Fig. 2 The minimum cut set of fault tree of the fractured reliever piston

通過故障樹最小割集分析，可以知道解脫器活塞斷裂主要與原材料材質(zhì)不符合要求、活塞硬度偏高、活塞表面鍍鉻后是否除氫、活塞強(qiáng)度不足、活塞應(yīng)力集中有關(guān)。

2.1 解脫器活塞剛強(qiáng)度分析

由于目前解脫器活塞頸部未加圓角，因此為了驗(yàn)證是否為設(shè)計(jì)導(dǎo)致的故障，本文研究在活塞頸部有無圓角時(shí)，停射時(shí)活塞頭應(yīng)力和變形情況。花鍵軸在鼓形輪中螺旋運(yùn)動(dòng)的過程類似于螺栓擰緊的過程，花鍵軸軸向移動(dòng)過程要抵抗其前端螺旋簧的壓縮力，按照螺栓擰緊力矩的計(jì)算方法，考慮摩擦系數(shù)0.3，經(jīng)計(jì)算解脫器活塞凸塊作用給鼓形輪的力在1 500 N左右。由于實(shí)際停射過程是動(dòng)態(tài)沖擊過程，而計(jì)算結(jié)果按靜力學(xué)方法得到，因此考慮3倍動(dòng)載系數(shù)后按4 500 N進(jìn)行剛強(qiáng)度校核。活塞靜力學(xué)分析結(jié)果如表1所示，有無圓角應(yīng)力和位移云圖如圖3～圖4所示。

表1 解脫器靜力學(xué)分析結(jié)果Tab. 1 Results of statics analysis of the reliever piston

圖3 有無圓角應(yīng)力云圖Fig. 3 With or without a fillet stress cloud

圖4 有無圓角位移云圖Fig. 4 With or without a fillet displacement cloud

40Cr的抗拉強(qiáng)度為980 MPa以上，其屈服強(qiáng)度為785 MPa，由靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果可以看出，活塞有圓角最大應(yīng)力為514 MPa，最大變形為0.169 mm，無圓角最大應(yīng)力為363 MPa，最大變形為0.171 mm，因此解脫器活塞在強(qiáng)度上還有較大余量。活塞斷裂處增加圓角并不能明顯降低應(yīng)力，增加圓角后應(yīng)力還會(huì)增加，這是由于活塞頭部在力作用下變形直到接觸到氣缸壁后停止變形，因此不管活塞有無圓角，其變形量基本一致，而有圓角時(shí)的應(yīng)變更大，因此應(yīng)力值反而會(huì)增加。因此，由上述分析基本上可以排除活塞剛強(qiáng)度不足和活塞斷裂處應(yīng)力集中造成的活塞斷裂。

2.2 設(shè)計(jì)裝配問題分析

解脫器活塞的材料和熱處理硬度與先前產(chǎn)品完全相同，均使用40Cr，熱處理硬度為45～50 HRC。由先前產(chǎn)品大量試驗(yàn)驗(yàn)證和批量生產(chǎn)使用均正常可知，不是材料選擇不當(dāng)?shù)脑蛟斐苫钊麛嗔选．?dāng)艦炮生產(chǎn)完成后，需對解脫器停射機(jī)構(gòu)進(jìn)行出場檢查，保證其合格后方可進(jìn)行出廠驗(yàn)收。此外，炮上對解脫器的操作均屬正常操作，不會(huì)造成活塞的損傷，因此可以基本排除炮上裝配的原因。因此，可以排除炮上操作和部件裝配不滿足的設(shè)計(jì)裝配導(dǎo)致的活塞斷裂。

2.3 理化檢驗(yàn)分析

2.3.1 斷口分析

斷口分析包括宏觀分析和微觀分析2種方式，是初步確定斷裂的類型和方式的重要手段[10]。解脫器活塞斷口形貌如圖5所示。圖中，A為裂紋源區(qū)，B為裂紋擴(kuò)展區(qū)，C為最終斷裂區(qū)。從活塞斷口觀察可知，其斷口呈灰黑色，較粗糙，沒有明顯塑性變形。活塞裂紋源位置位于活塞桿零件的臺階處，從左端臺階的根部開始起裂，與徑向呈一個(gè)很小的夾角向心部擴(kuò)展至圓心位置，然后與徑向呈45°向前擴(kuò)展，最終裂紋止于右側(cè)臺階處。

圖5 斷裂活塞宏觀形貌Fig. 5 Macrascopical morphology of the fractured piston

在活塞斷口處取樣進(jìn)行磨拋、清洗后，采用掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察，不同部位在顯微組織下的放大形貌如圖6所示。可知，裂紋起源于機(jī)加工刀痕處，未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷，裂紋源區(qū)斷口出現(xiàn)沿晶和少量韌窩斷裂特征。裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口呈沿晶加韌窩斷裂特征，并且晶面較粗糙，有類似雞爪紋特征存在。最終斷裂區(qū)摩擦擠壓嚴(yán)重，在靠近最終斷區(qū)出現(xiàn)為沿晶加韌窩特征，從這些特征可見活塞有氫脆斷裂的特征[11-12]。

圖6 活塞斷口微觀形貌Fig. 6 Microstructure of piston fracture surface

2.3.2 氫含量測定

為了解活塞的氫含量情況，分別在斷裂活塞、斷裂同批次活塞以及正常活塞上取樣進(jìn)行氫含量測定，測定結(jié)果如表2所示。可知，斷裂活塞和同批次活塞氫含量差不多，都較正常活塞氫含量高。

表2 活塞氫含量Tab. 2 Hydrogen content of piston

2.3.3 硬度檢測

圖7為40Cr材料不同回火溫度下硬度與強(qiáng)度、沖擊功的關(guān)系曲線，從圖中可以看出強(qiáng)度隨著硬度的升高而增加，沖擊功值則隨著硬度的升高而降低。沖擊功值越低，則材料越脆，抵抗斷裂的能力越弱。

在活塞斷裂處取樣，去除表面鍍層進(jìn)行拋光處理后，對試樣進(jìn)行洛氏硬度測試，測試結(jié)果如表3所示。可知，斷裂活塞的實(shí)際硬度比設(shè)計(jì)要求高。而硬度偏高，會(huì)導(dǎo)致活塞沖擊功值下降，容易發(fā)生斷裂。

2.3.4 金相分析

在活塞斷口附近取樣，拋光侵蝕后，在金相顯微鏡下觀察其金相組織，如圖8～圖9所示，可知，活塞基體為回火馬氏體組織。

圖7 40Cr材料不同溫度回火后的機(jī)械性能Fig. 7 Mechanical properties of 40Cr materials after tempering at different temperatures

表3 硬度檢測結(jié)果Tab. 3 Hardness test results

圖8 金相組織 500×Fig. 8 Metallurgical structure 500×

圖9 表面鍍層500×Fig. 9 Surface finishes500 ×

由圖9可知，活塞表面局部可見白色鍍層，鍍層不均勻，有的區(qū)域較厚，有的區(qū)域較薄，可知其表面處理工藝較粗糙。在鍍鉻過程中，鍍鉻不合格再進(jìn)行第二次鍍鉻，會(huì)造成氫含量高，使得沖擊功值低，導(dǎo)致活塞氫脆斷裂。

3 綜合分析

從活塞斷口分析可以看出，活塞主要沿晶型脆性開裂為主，有少量韌窩型特征，且開裂晶面有雞爪紋特征，由此可見活塞有氫脆斷裂的特征。斷裂活塞的金相組織為回火馬氏體，活塞的回火溫度偏低，使得活塞的硬度偏高，高于技術(shù)要求值的上限，這會(huì)大大增加材料的氫脆敏感性。氫含量檢測表明，斷裂活塞的氫含量比正常活塞高，一般來說材料氫含量小于0.6 ppm就不會(huì)發(fā)生氫脆[13]，材料強(qiáng)度越高對氫越敏感。根據(jù)活塞生產(chǎn)工藝，斷裂活塞氫含量相對較高應(yīng)是電鍍工藝帶來，從檢測結(jié)果來看，鍍層不均勻，且實(shí)際生產(chǎn)中存在二次鍍鉻的情況。根據(jù)電鍍生產(chǎn)工藝，需要進(jìn)行酸洗，二次鍍鉻會(huì)增加酸洗次數(shù)，若電鍍后沒有及時(shí)除氫或除氫時(shí)間短以及除氫不徹底則會(huì)導(dǎo)致活塞氫含量偏高[14]。

綜上所述，活塞的斷口屬氫脆斷裂特征，實(shí)測氫含量偏高證實(shí)了這一點(diǎn)，另外活塞熱處理硬度偏高，使得材料沖擊功值降低，材料氫脆敏感性提高，導(dǎo)致活塞發(fā)生斷裂。因此氫含量高和硬度高是造成活塞斷裂的主要原因。

4 對比試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證氫含量高和硬度高是造成活塞斷裂的主要原因，本文對不同硬度值、是否二次鍍鉻及不同除氫時(shí)間的活塞進(jìn)行了氫含量測定和沖擊功試驗(yàn)，其測試結(jié)果如表4所示。

1）由1，2和3組試驗(yàn)對比可知，不除氫氫含量最高，沖擊功值最低，且除氫時(shí)間越久，氫含量越低，沖擊功值越大；

2）由2和5組，4和6組，7和10組，9和12組試驗(yàn)對比可知，在相同除氫時(shí)間，二次鍍鉻氫含量比一次鍍鉻氫含量高，沖擊功值低，說明了二次鍍鉻會(huì)造成氫含量偏高；

3）由1～6和7～12組不同硬度對比可知，硬度越高，沖擊功值越小，活塞在沖擊載荷抵抗變形和斷裂的能力越差，活塞越容易斷裂。

5 結(jié) 語

通過基于最小割集的故障樹方法、斷口分析、金相分析、氫含量和硬度測定，以及對比試驗(yàn)驗(yàn)證對斷裂活塞進(jìn)行了全面研究，結(jié)果表明：

1）鍍鉻工藝除氫不徹底，或者在鍍鉻過程中，鍍鉻不合格再進(jìn)行第二次鍍鉻，造成氫含量高，使得沖擊功值低，導(dǎo)致活塞氫脆斷裂；

表4 不同硬度值及氫含量的活塞沖擊功值Tab. 4 Impact work of piston with different hardness and hydrogen content

2）活塞熱處理硬度偏高，導(dǎo)致材料沖擊功值降低，使材料的氫脆敏感性提高，導(dǎo)致活塞氫脆斷裂。

為預(yù)防解脫器活塞發(fā)生氫脆斷裂，在進(jìn)行鍍鉻處理的時(shí)候，嚴(yán)格執(zhí)行表面除氫處理工藝和控制好除氫時(shí)間，并且不允許二次鍍鉻。針對熱處理硬度偏高會(huì)直接造成沖擊功值低的問題，在不影響零件功能的前提下適當(dāng)降低活塞的熱處理硬度要求，并將硬度控制在范圍的下限，以提高材料的沖擊功值。