發(fā)射器保精度壽命關(guān)鍵問(wèn)題分析

1、發(fā)射器保精度壽命關(guān)鍵問(wèn)題分析1軌道損傷微觀觀測(cè)：磨損、微裂紋、電弧燒蝕和急冷組織損傷原理： GD的歐姆熱量，表面的機(jī)械摩擦，邊緣溝槽，接觸面的燒蝕發(fā)射器保精度壽命關(guān)鍵問(wèn)題分析2身管模態(tài)破壞導(dǎo)致發(fā)射體結(jié)構(gòu)失效螺栓緊固結(jié)構(gòu)，多次沖擊振動(dòng)導(dǎo)致螺栓疲勞失效 多次熱沖擊導(dǎo)致絕緣軌道材料碳化碳纖維纏繞結(jié)構(gòu)，多次沖擊振動(dòng)導(dǎo)致碳纖維失效00.050.10.150.20.250.30.350.40.45-5000500100015002000時(shí) 間幅值振 動(dòng) 波 形05001000150020002500020406080100120X: 46.69Y: 109頻 率 (Hz)幅值頻 譜 圖 (頻 域 )00.

2、050.10.150.20.250.30.350.40.45-5000500100015002000時(shí) 間幅值振 動(dòng) 波 形05001000150020002500020406080100120頻 率 (Hz)幅值頻 譜 圖 (頻 域 )4.1.2 增加發(fā)射器的保精度壽命影響軌道保精度壽命的因素分為輸入條件、軌道及電樞配伍性因素。輸入條件主要有接觸面電流密度、預(yù)緊力以及初始接觸電阻；軌道因素主要有材料強(qiáng)度、電導(dǎo)率、加工精度；電樞配伍性因素主要有材料強(qiáng)度、電導(dǎo)率、形狀。軌道壽命關(guān)鍵問(wèn)題分析輸入條件：接觸面電流密度、預(yù)緊力以及初始接觸電阻接觸面電流密度：由于速度屈服效應(yīng)和電流趨膚效應(yīng)，以及軌道電樞

3、之間接觸不良。電流趨向于集中在電樞的尾部（腳端后部），形成局部電流密度大，焦耳熱超出材料表面吸收能，就會(huì)產(chǎn)生燒蝕損傷 預(yù)緊力： “每安培一克每安培一克”法則。壓力均勻分布。在發(fā)射器膛口固定的情況下，預(yù)緊法則。壓力均勻分布。在發(fā)射器膛口固定的情況下，預(yù)緊力實(shí)際由電樞的過(guò)盈提供。預(yù)緊力太小，則接觸狀態(tài)不好，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象；力實(shí)際由電樞的過(guò)盈提供。預(yù)緊力太小，則接觸狀態(tài)不好，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象；預(yù)壓力太大，會(huì)嚴(yán)重影響速度，磨損現(xiàn)象嚴(yán)重影響。預(yù)緊力分布影響電流密度分布預(yù)壓力太大，會(huì)嚴(yán)重影響速度，磨損現(xiàn)象嚴(yán)重影響。預(yù)緊力分布影響電流密度分布 初始接觸電阻：集中電阻，集中電阻， 膜層電阻，膜層

4、電阻，接觸的電阻值越高，接觸點(diǎn)釋放的熱量越多，溫度上升到一定極限，接觸點(diǎn)就會(huì)損壞，接觸的電阻值越高，接觸點(diǎn)釋放的熱量越多，溫度上升到一定極限，接觸點(diǎn)就會(huì)損壞，溫度越高損壞越快，這種現(xiàn)象會(huì)迅速蔓延。是轉(zhuǎn)捩產(chǎn)生的一個(gè)因素。溫度越高損壞越快，這種現(xiàn)象會(huì)迅速蔓延。是轉(zhuǎn)捩產(chǎn)生的一個(gè)因素。有限元分析表明電樞接觸面后部有限元分析表明電樞接觸面后部10%面積通過(guò)面積通過(guò)90%電流電流加上壓力和接觸電阻不均勻，會(huì)導(dǎo)致焦耳熱很集中。加上壓力和接觸電阻不均勻，會(huì)導(dǎo)致焦耳熱很集中。 為了解軌道炮在發(fā)射時(shí)激振力所引起的振動(dòng)，計(jì)算了考慮螺栓預(yù)緊力的軌道炮為了解軌道炮在發(fā)射時(shí)激振力所引起的振動(dòng)，計(jì)算了考慮螺栓預(yù)緊力的軌道炮

5、前前20階模態(tài)值，如下表所示：階模態(tài)值，如下表所示：階數(shù)階數(shù)共振頻率值（共振頻率值（Hz）階數(shù)階數(shù)共振頻率值（共振頻率值（Hz）129.60911707.26239.30412923.363166.19131012.34229.75141165.95239.581511856407.56161333.37629.52171533.38634.97181653.49672.31191657.410694.28201775.2 軌道炮為避免受激振力的影響而產(chǎn)生較大振幅，其共振頻率應(yīng)避開(kāi)激振頻率值軌道炮為避免受激振力的影響而產(chǎn)生較大振幅，其共振頻率應(yīng)避開(kāi)激振頻率值的的20%，軌道炮所受激振力的角頻率

6、為，軌道炮所受激振力的角頻率為5550rad/s，換算成頻率為，換算成頻率為883.31Hz，因，因此軌道炮的共振頻率應(yīng)避開(kāi)此軌道炮的共振頻率應(yīng)避開(kāi)706.65Hz至至1059.97Hz的區(qū)間。由上表可知，軌道炮的的區(qū)間。由上表可知，軌道炮的的第的第11、12和和13階共振頻率值位于此區(qū)間，因此，軌道炮在發(fā)射時(shí)振動(dòng)幅值可能較階共振頻率值位于此區(qū)間，因此，軌道炮在發(fā)射時(shí)振動(dòng)幅值可能較大。三個(gè)模態(tài)振形如下圖所示：大。三個(gè)模態(tài)振形如下圖所示：發(fā)射器保精度壽命關(guān)鍵問(wèn)題分析軌道因素：材料強(qiáng)度、電導(dǎo)率、加工精度次層理論：材料損傷不僅僅是在表面層發(fā)生，而且在表層下幾十到幾百微米次層理論：材料損傷不僅僅是在表

7、面層發(fā)生，而且在表層下幾十到幾百微米也發(fā)生損傷?？估瓘?qiáng)度大，可以有效抵御電樞運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的的剪切應(yīng)力與應(yīng)變。也發(fā)生損傷?？估瓘?qiáng)度大，可以有效抵御電樞運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的的剪切應(yīng)力與應(yīng)變。材料強(qiáng)度太大的情況下材料會(huì)在瞬間交變載荷作用下，內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂缺陷，材料強(qiáng)度太大的情況下材料會(huì)在瞬間交變載荷作用下，內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂缺陷，局部電阻增加，在大電流作用下，這些缺陷會(huì)有增加的趨勢(shì)，導(dǎo)致材料加速局部電阻增加，在大電流作用下，這些缺陷會(huì)有增加的趨勢(shì)，導(dǎo)致材料加速失效。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料強(qiáng)度大于失效。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料強(qiáng)度大于470Mpa就可以有效抵抗，在電樞速度就可以有效抵抗，在電樞速度2200m/s時(shí)的刨蝕損傷。時(shí)的刨蝕

8、損傷。材料的電導(dǎo)率越高越好，在試驗(yàn)中，使用基層材料的電導(dǎo)率材料的電導(dǎo)率越高越好，在試驗(yàn)中，使用基層材料的電導(dǎo)率70%IACS，保，保證有足夠小的接觸電阻。證有足夠小的接觸電阻。 軌道表面加工狀態(tài)是軌道材料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后表面的初始狀態(tài)，主要是由軌軌道表面加工狀態(tài)是軌道材料經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后表面的初始狀態(tài)，主要是由軌道表面加工精度，表面粗糙度，加工表面層物理機(jī)械性能構(gòu)成。道表面加工精度，表面粗糙度，加工表面層物理機(jī)械性能構(gòu)成。目前的機(jī)械加工能力可以保證20m的控制精度，引起摩擦力400N左右的變化。4.1.2 增加發(fā)射器的保精度壽命電樞因素：材料強(qiáng)度、電導(dǎo)率、形狀。設(shè)計(jì)電樞時(shí)，電樞要和對(duì)應(yīng)的軌道相配合

9、，電樞材料強(qiáng)度不超過(guò)軌道材料的設(shè)計(jì)電樞時(shí)，電樞要和對(duì)應(yīng)的軌道相配合，電樞材料強(qiáng)度不超過(guò)軌道材料的強(qiáng)度，確保不輕易損傷軌道；強(qiáng)度不能太弱，能夠利用較小的過(guò)盈量產(chǎn)生較強(qiáng)度，確保不輕易損傷軌道；強(qiáng)度不能太弱，能夠利用較小的過(guò)盈量產(chǎn)生較大的正壓力。大的正壓力。電樞也要有較高的電導(dǎo)率，保證較低的接觸電阻和較高的熱容能力。電樞也要有較高的電導(dǎo)率，保證較低的接觸電阻和較高的熱容能力。電樞形狀上保證電樞上下表面受力均等，避免電樞對(duì)軌道的斜沖擊，與軌道電樞形狀上保證電樞上下表面受力均等，避免電樞對(duì)軌道的斜沖擊，與軌道材料強(qiáng)度影響相比，電樞軸向偏差大小對(duì)材料失穩(wěn)影響更明顯。當(dāng)電樞軸向材料強(qiáng)度影響相比，電樞軸向偏差

10、大小對(duì)材料失穩(wěn)影響更明顯。當(dāng)電樞軸向長(zhǎng)度短，轉(zhuǎn)矩小，長(zhǎng)高比小，易失穩(wěn)。電樞的質(zhì)心在中部，穩(wěn)定性好。質(zhì)心長(zhǎng)度短，轉(zhuǎn)矩小，長(zhǎng)高比小，易失穩(wěn)。電樞的質(zhì)心在中部，穩(wěn)定性好。質(zhì)心在前部，易造成偏轉(zhuǎn)，引起失穩(wěn)。在前部，易造成偏轉(zhuǎn)，引起失穩(wěn)。 經(jīng)電樞等效應(yīng)力靈敏度分析可知，對(duì)電樞等效應(yīng)力影響最大的三個(gè)參數(shù)為：馬經(jīng)電樞等效應(yīng)力靈敏度分析可知，對(duì)電樞等效應(yīng)力影響最大的三個(gè)參數(shù)為：馬鞍面圓心距電樞尾部的距離（簡(jiǎn)稱(chēng)馬心距）、馬鞍面圓心和上翹面長(zhǎng)度。三個(gè)參數(shù)對(duì)鞍面圓心距電樞尾部的距離（簡(jiǎn)稱(chēng)馬心距）、馬鞍面圓心和上翹面長(zhǎng)度。三個(gè)參數(shù)對(duì)等效應(yīng)力的影響如下圖所示：等效應(yīng)力的影響如下圖所示： 從圖中可知，等效應(yīng)力隨著馬心距和

11、馬鞍面半徑的增大而減小，而上翹面的長(zhǎng)度在7至9mm之間對(duì)應(yīng)著一個(gè)應(yīng)力較小值，查看電樞接觸力隨上翹面長(zhǎng)度變化情況，如右圖所示，因此取上翹面長(zhǎng)度為8.5mm 查看電樞等效應(yīng)力、電樞與查看電樞等效應(yīng)力、電樞與導(dǎo)軌接觸力和電樞質(zhì)量隨著馬心導(dǎo)軌接觸力和電樞質(zhì)量隨著馬心距和馬鞍面圓半徑的變化的變化距和馬鞍面圓半徑的變化的變化情況，如三個(gè)圖所示，可以看出，情況，如三個(gè)圖所示，可以看出，隨著馬心距和馬鞍面圓半徑的增隨著馬心距和馬鞍面圓半徑的增大，電樞的等效應(yīng)力、與導(dǎo)軌接大，電樞的等效應(yīng)力、與導(dǎo)軌接觸力和電樞質(zhì)量逐漸減小。觸力和電樞質(zhì)量逐漸減小。 為保證電樞在運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊不致斷裂，將電流體力等效成面力施加在電樞

12、相應(yīng)面上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)受力計(jì)算，結(jié)果如下所示： 可以看出，電樞在運(yùn)動(dòng)時(shí)最大應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生在電樞尾端喉部，因此，在對(duì)電樞進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，在保證應(yīng)力和質(zhì)心滿(mǎn)足要求的情況下，還應(yīng)保證電樞尾端喉部和中間支撐有足夠大尺寸，以避免電樞運(yùn)動(dòng)時(shí)斷裂。4.1.2 增加發(fā)射器的保精度壽命減小接觸面電流密度抑制熔化燒蝕減小接觸面電流密度抑制熔化燒蝕合理增大預(yù)緊力減少接觸電阻合理設(shè)計(jì)軌道材料強(qiáng)度提高電導(dǎo)率、加工精度合理設(shè)計(jì)電樞材料強(qiáng)度提高電樞電導(dǎo)率、優(yōu)化電樞形狀4.1.2 增加發(fā)射器的保精度壽命具體改進(jìn)措施1優(yōu)化電流波形優(yōu)化電流波形針對(duì)針對(duì)7目標(biāo)，降低電流峰值，延長(zhǎng)峰值持續(xù)時(shí)間。這里包含兩方面因素：目標(biāo)，降低電流峰值，延長(zhǎng)峰

13、值持續(xù)時(shí)間。這里包含兩方面因素：調(diào)節(jié)電路參數(shù)能夠降低峰值延長(zhǎng)峰值持續(xù)時(shí)間，分時(shí)放電便于降低峰值延長(zhǎng)調(diào)節(jié)電路參數(shù)能夠降低峰值延長(zhǎng)峰值持續(xù)時(shí)間，分時(shí)放電便于降低峰值延長(zhǎng)峰值持續(xù)時(shí)間。峰值持續(xù)時(shí)間。針對(duì)未來(lái)，電流波形應(yīng)盡量接近方波。針對(duì)未來(lái)，電流波形應(yīng)盡量接近方波。4.1.2 增加發(fā)射器的保精度壽命具體改進(jìn)措施2優(yōu)化材料設(shè)計(jì)針對(duì)針對(duì)7目標(biāo)，目標(biāo)，設(shè)計(jì)分層軌道，材料改性。材料改性。提高軌道材料電導(dǎo)率，有利于減少接觸電阻，減輕燒蝕損傷梯度電導(dǎo)率分散電流降低電流密度強(qiáng)度達(dá)到470MPa保 持強(qiáng)度和韌性材料改性上，添加抗燒蝕元素和反應(yīng)吸熱材料。針對(duì)未來(lái)目標(biāo)，針對(duì)未來(lái)目標(biāo)，突破材料復(fù)合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分段，分層相結(jié)合。4.1.2 增加發(fā)射器的保精度壽命具體改進(jìn)措施3優(yōu)化電樞軌道配伍性設(shè)計(jì)優(yōu)化電樞軌道配伍性設(shè)計(jì)針對(duì)針對(duì)7目標(biāo)，目標(biāo)，合理選擇材料：提供預(yù)緊力且小于軌道材料強(qiáng)度增大電導(dǎo)率降低電流密度增高熱容性改進(jìn)結(jié)構(gòu)兩側(cè)接觸斜面設(shè)計(jì)和電樞喉部，滿(mǎn)足受力符合電流屈服選擇，電樞結(jié)構(gòu)不損壞。針對(duì)未來(lái)，設(shè)計(jì)一體化電樞。4.1.2 增加發(fā)射器的保精度壽命具體改進(jìn)