某导弹气动跟踪力矩器卡死问题探讨
黄国炳+商宏钟+韩登峰+李伟
1.1 故障现象
某型导弹测试过程中，出现多例不跟踪故障， 经分解检查，发现均为力矩器下端球与衬套卡死。 进一步检查发现，下端球工作直径上附着有较多 多余物，经电镜分析发现，其成份与衬套成份相 同。同时，衬套工作表面有比较多的划痕（如图3 所示），这些划痕与下端球上的固体附着物紧紧咬 合（如图4所示），造成卡死。
1.2 原因分析
故障树分析方法（FTA）是通过对可能造成产 品故障的硬件、软件、环境和人为因素进行分析， 从而确定产品故障原因的各种可能组合方式或发 生概率的一种分析技术。
本文采用故障树下行分析法，对力矩器卡死 故障的各种因素进行分析，该故障树如图5所示。
由图5可知，可能造成力矩器卡死的底事件共 10个。通过调查分析，可以明显排除8个因素，即 产品软件故障、设备软件故障、人为操作失误、零件清洗不良、环境不洁净、下端球脱落物、零件加 工超差、零件装调超差。
由于衬套和下端球间隙非常小，根据尺寸链 计算，其直径方向间隙为0.00675～0.01529mm， 在不断高速摩擦运动的情况下，这样的间隙极易 受到多余物困扰，甚至微米级颗粒物的进入也会 造成致命影响。经过调查分析，产品装配环境洁净 度良好，零件清洗良好，排除了这两个因素引入多 余物的可能。下面针对“气路多余物”、“衬套脱落 物”两种因素（图5中标★部分）进行重点分析。
1.2.1 气路多余物分析
由于微米级的多余物可导致卡死，所以对气 路中多余物的研究必须细化到微米级以下。工艺 上要求系统工作前对气路进行10min的吹洗，吹 洗后气体多余物含量必须准确测试。
由于目前对高压、大流量气体颗粒物的检测 没有专用设备，选用了用于超净厂房颗粒物检测 的粒子记数仪，这种设备只能用于低压低速流动 的气流颗粒物检测。虽然图1中的气体为高压高 速，但电磁阀为常闭两位三通电磁阀，下端球与衬 套之间的间隙起到节流塞的作用，气流经过该位 置后，截面积急剧增大，压力迅速减小，因此在实 际工作状态，经过衬套排气口的压力很低，且流量 不大，可以用该设备进行产品排气颗粒度的测试。
为了保证收集到全部排出气体，同时避免外 界气体的影响，自行设计了一种气路衰减器用于 测试气流的收集，如图6。该气路衰减器利用气体 的伯努利原理，由两个漏斗反接的方式构成，一端 接被测高压气路输出口，高压气经过漏斗尖端减 压30倍左右后流入另一漏斗，精密测试探头在这 一漏斗中进行检测。该设计既有效保护了测试探 头免受高压气损坏，又在被测气体输入与输出端 形成了相对密闭空间，避免了外界空气中杂质的 影响，有效保证了测量精度。
由表1数据可以看出，经过力矩器的气体只含 有少量0.3～0.5μm的颗粒，相对于衬套与下端 球6～15μm的间隙，这些颗粒不会造成卡死故 障。因此，“气路多余物”这一因素可以排除。
1.2.2 衬套脱落物分析
通过对卡死的力矩器分解检查，发现下端球 上附着有较多的金属物质（见图4），经成份分析， 该附着物与衬套成份相同。观察衬套内表面，发现 在工作区域有明显伤痕（见图3）。这表明在工作过 程中，确有物质从衬套上脱落，这些脱落物可能是 导致卡死的原因。
为了弄清脱落物来源，使用电镜手段对衬套 工作表面放大1000倍对比分析。图7为卡死衬套 非工作表面电镜图片，图8为卡死衬套工作表面电 镜图片。经成份分析，图7中黑色点状、线状物为 材料内部硫化物夹杂。图8中的孔洞或凹陷为这些硫化物脱落后遗留痕迹。
通过对比图7和图8发现，衬套材料中的硫化 物在工作过程中产生了明显脱落现象。
2 故障机理及故障复现
根据以上分析，可能引起力矩器卡死的10个 底事件，9个已经得到排除，只有“衬套脱落物”这 一因素不能排除。
为了进一步判断卡死与衬套脱落物的关系， 对不卡死的衬套进行分解检查，同样做电镜分析， 图9为电镜照片。由图9可以看出，其工作表面比 较致密，未出现孔洞、凹陷等缺陷，说明未产生图 8所示的硫化物脱落现象。
衬套材料中的硫化物主要作用是减小摩擦力。 因为硫化物是硬相，基体是软相，当两个摩擦副接 触时，软相受力变形，硬相硫化物支点起支撑作 用。硫化物是一种盐，属于离子键结合，对外来材 料的亲和力较金属铁小，金属铁原子属于金属键 结合，金属键的结合力较离子键弱，金属原子对外 来材料的分子亲和力较大，宏观上看也就是硫化 物的摩擦系数较金属小。同时硬相硫化物支点使 两个摩擦副接触面积减小，从而摩擦力也变小。
由此可以判断力矩器卡死的机理为：由于衬 套工作面硫化物脱落使摩擦系数变大，导致摩擦 热量增大，衬套摩擦处局部温度升高幅度增大，导 致摩擦系数再增大，形成恶性循环，同时温度升高 导致材料强度急剧降低。随着工作时间的增加，摩 擦接触点表面温度升高至一定值后，急剧降低的 材料剪切强度与不断升高的摩擦力有一个交汇点， 当摩擦力大于材料剪切强度时，衬套材料出现脱 落，且由于高温作用，附着于球体表面，造成卡 死。
为了验证故障机理，选取了2组内表面存在类 似图8所示的衬套进行试验，工作一定时间后均出 现卡死，表明定位准确，机理清楚。
3 工艺改进
3.1 硫化物脱落原因分析及改进措施
由衬套卡死机理可以看出，卡死的致命原因 是衬套材料中的硫化物出现了脱落，因此，采取有 效措施避免硫化物脱落是问题的关键。
一般情况下，不锈钢中的硫元素是有害成份， 在金属冶炼过程中要尽量去除。但由于本应用环 境的特殊性，必须保持一定的硫含量，且在加工过 程中不能使其脱落，从而使其发挥润滑作用。
通过对衬套材料本身的理化分析，其硫含量 是符合要求的，只是在加工过程中造成了硫化物 的脱落。衬套加工流程如下：
钻孔→检测内孔尺寸→珩磨（粗）→珩磨（精） →检测内孔尺寸→入库。
通过对每个加工环节的分析，发现珩磨工序 是使硫化物脱落的工艺过程。
磨削加工是通过砂轮砂粒对金属表面的拉挤 作用，使金属屑撕裂而实现的。对于硬化相和基体 软相并存材料的磨削加工，基体软相是通过撕裂 而实现的，硬化相是通过剪切断裂而实现的。基体 软相对硬化相颗粒的夹持力和砂轮砂粒挤压力构 成对硬化相的剪切力。当基体软相对硬化相颗粒 的夹持力大于硬化相剪切断裂应力时，硬化相被 剪断，一部分硬化物被留在软相基体中。当基体软 相对硬化相颗粒的夹持力小于硬化相剪切断裂应 力时，硬化相被挤出（脱落），在软相基体中留下 孔洞。因此，出现图8所示的现象，主要是因为衬 套材料基体硬度不够，使其对硫化物硬相夹持力 小于珩磨时剪切断裂应力，造成硫化物脱落。
基于以上分析，为了提高衬套基体硬度，在加 工工艺中增加了热处理工序，改进后的工艺流程 如下：
钻孔→检测内孔尺寸→淬火+低温回火→珩 磨（粗）→珩磨（精）→高温回火→入库。
热处理相关参数：淬火+低温回火，采用真空 炉VOQ2-100，预热790℃保温50min（真空度为 1.6×10-1Pa），继续升温至1000℃，保温35min 后入油淬火。然后进行低温回火，采用箱式炉OT -1000YVCB，加热至250℃保温2h后空冷，硬 度在HV400左右。高温回火，加热到540℃保温 60min后随炉冷却，回火后的硬度约HV340。
3.2 改进措施的验证
使用相同的衬套材料，按照新工艺加工衬套零件，然后在电镜下分析其内表面状况，见图10。 可以看出，工艺改进后，零件内表面孔洞、凹陷等 缺陷消失，即未产生硫化物脱落现象。
使用这种衬套组装数套产品，经反复试验，未 出现卡死现象，表明改进措施有效。
参考文献：
[1]田江桥，张斌兴，张伟青，等.固体火箭发动机试验故障 分析[J].上海航天，2002，19（4）：58-61.
[2]魏选平，卞树檀.故障树分析法及其应用[J].电子产 品可靠性与环境试验，2004（3）：43-45.
[3]邢志浩，王虎干，房雷.某发动机壳体烧穿故障分析及 改进设计[J].航空兵器，2013（2）.
[4]王维宁.Y1Cr13钢开裂原因浅析[J].特钢技术，2010，
16（4）：19-22.
[5]边朴风，张平贵.Q/5S436-2004，高纯氮气管路系统 维护规范[S].2004.
[6]刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性[M].北京：清华大 学出版社，1993.
[7]汪德涛.润滑技术手册[M].北京：机械工业出版社，
1998.
[8]李智诚，朱中平，薛剑峰，等.世界金属材料实用手册 [M].北京：中国物资出版社，1997.
[9]工艺手册编写组.工艺手册：下册[M].国营长风机器 厂，1979.
[10]工艺手册编写组.工艺手册：中册[M].国营长风机 器厂，1978.
钻孔→检测内孔尺寸→珩磨（粗）→珩磨（精） →检测内孔尺寸→入库。
通过对每个加工环节的分析，发现珩磨工序 是使硫化物脱落的工艺过程。
磨削加工是通过砂轮砂粒对金属表面的拉挤 作用，使金属屑撕裂而实现的。对于硬化相和基体 软相并存材料的磨削加工，基体软相是通过撕裂 而实现的，硬化相是通过剪切断裂而实现的。基体 软相对硬化相颗粒的夹持力和砂轮砂粒挤压力构 成对硬化相的剪切力。当基体软相对硬化相颗粒 的夹持力大于硬化相剪切断裂应力时，硬化相被 剪断，一部分硬化物被留在软相基体中。当基体软 相对硬化相颗粒的夹持力小于硬化相剪切断裂应 力时，硬化相被挤出（脱落），在软相基体中留下 孔洞。因此，出现图8所示的现象，主要是因为衬 套材料基体硬度不够，使其对硫化物硬相夹持力 小于珩磨时剪切断裂应力，造成硫化物脱落。
基于以上分析，为了提高衬套基体硬度，在加 工工艺中增加了热处理工序，改进后的工艺流程 如下：
钻孔→检测内孔尺寸→淬火+低温回火→珩 磨（粗）→珩磨（精）→高温回火→入库。
热处理相关参数：淬火+低温回火，采用真空 炉VOQ2-100，预热790℃保温50min（真空度为 1.6×10-1Pa），继续升温至1000℃，保温35min 后入油淬火。然后进行低温回火，采用箱式炉OT -1000YVCB，加热至250℃保温2h后空冷，硬 度在HV400左右。高温回火，加热到540℃保温 60min后随炉冷却，回火后的硬度约HV340。
3.2 改进措施的验证
使用相同的衬套材料，按照新工艺加工衬套零件，然后在电镜下分析其内表面状况，见图10。 可以看出，工艺改进后，零件内表面孔洞、凹陷等 缺陷消失，即未产生硫化物脱落现象。
使用这种衬套组装数套产品，经反复试验，未 出现卡死现象，表明改进措施有效。
参考文献：
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钻孔→检测内孔尺寸→珩磨（粗）→珩磨（精） →检测内孔尺寸→入库。
通过对每个加工环节的分析，发现珩磨工序 是使硫化物脱落的工艺过程。
磨削加工是通过砂轮砂粒对金属表面的拉挤 作用，使金属屑撕裂而实现的。对于硬化相和基体 软相并存材料的磨削加工，基体软相是通过撕裂 而实现的，硬化相是通过剪切断裂而实现的。基体 软相对硬化相颗粒的夹持力和砂轮砂粒挤压力构 成对硬化相的剪切力。当基体软相对硬化相颗粒 的夹持力大于硬化相剪切断裂应力时，硬化相被 剪断，一部分硬化物被留在软相基体中。当基体软 相对硬化相颗粒的夹持力小于硬化相剪切断裂应 力时，硬化相被挤出（脱落），在软相基体中留下 孔洞。因此，出现图8所示的现象，主要是因为衬 套材料基体硬度不够，使其对硫化物硬相夹持力 小于珩磨时剪切断裂应力，造成硫化物脱落。
基于以上分析，为了提高衬套基体硬度，在加 工工艺中增加了热处理工序，改进后的工艺流程 如下：
钻孔→检测内孔尺寸→淬火+低温回火→珩 磨（粗）→珩磨（精）→高温回火→入库。
热处理相关参数：淬火+低温回火，采用真空 炉VOQ2-100，预热790℃保温50min（真空度为 1.6×10-1Pa），继续升温至1000℃，保温35min 后入油淬火。然后进行低温回火，采用箱式炉OT -1000YVCB，加热至250℃保温2h后空冷，硬 度在HV400左右。高温回火，加热到540℃保温 60min后随炉冷却，回火后的硬度约HV340。
3.2 改进措施的验证
使用相同的衬套材料，按照新工艺加工衬套零件，然后在电镜下分析其内表面状况，见图10。 可以看出，工艺改进后，零件内表面孔洞、凹陷等 缺陷消失，即未产生硫化物脱落现象。
使用这种衬套组装数套产品，经反复试验，未 出现卡死现象，表明改进措施有效。
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[10]工艺手册编写组.工艺手册：中册[M].国营长风机 器厂，1978.
