高元科，仵和平，趙文虎，王喜田，黃旭東，李 睿

（北方特種能源集團(tuán)有限公司西安慶華公司，陜西 西安，710025）

爆炸螺栓已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航天、航空、兵器等武器系統(tǒng)中。隨著武器的小型化發(fā)展，使用的力學(xué)環(huán)境要求也越來(lái)越復(fù)雜。因此現(xiàn)在很多爆炸螺栓的技術(shù)要求都有抗拉力和抗扭矩的要求，而且拉力和扭矩的指標(biāo)相對(duì)較高，體積也相對(duì)較小，這對(duì)爆炸螺栓的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。傳統(tǒng)常用爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很難直接應(yīng)用到這些拉力和扭矩的指標(biāo)相對(duì)較高、體積相對(duì)較小的爆炸螺栓上，因此需對(duì)此種螺栓薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足武器系統(tǒng)的使用要求。

1 傳統(tǒng)爆炸螺栓薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

爆炸螺栓薄弱環(huán)節(jié)斷開(kāi)方式分為爆炸式和剪切式兩種。爆炸式利用藥劑爆轟炸斷螺栓的薄弱環(huán)節(jié)，此結(jié)構(gòu)雖然可以使爆炸螺栓有很高的抗拉力和扭矩能力，但是作用后飛片殘?jiān)^多，可能對(duì)武器系統(tǒng)造成破壞，所以此結(jié)構(gòu)不常用；剪切式利用藥劑燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體推動(dòng)剪切塞切斷薄弱環(huán)節(jié)，此結(jié)構(gòu)作用后無(wú)飛片殘?jiān)蛏倭匡w片殘?jiān)?，?duì)武器系統(tǒng)不會(huì)造成破壞或污染，目前大多數(shù)爆炸螺栓都是此結(jié)構(gòu)。剪切式爆炸螺栓根據(jù)薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不同可細(xì)分為剪切塞式和剪切銷(xiāo)式。

1.1 剪切塞式爆炸螺栓

剪切塞式爆炸螺栓（如圖1）是靠火藥力推動(dòng)剪切塞，剪切塞切斷螺栓本體的薄弱環(huán)節(jié)使螺栓分離。其力學(xué)指標(biāo)主要是靠調(diào)節(jié)薄弱環(huán)節(jié)的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此種結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)對(duì)抗拉力性能比較理想，通過(guò)調(diào)節(jié)薄弱環(huán)節(jié)的厚度很容易控制拉力指標(biāo)；但是抗扭矩能力較低，要想增強(qiáng)抗扭矩能力就必須增加薄弱環(huán)節(jié)的厚度，而增加薄弱環(huán)節(jié)的厚度對(duì)提高抗扭矩能力效果并不是很顯著。在體積相對(duì)較小的爆炸螺栓中，由于產(chǎn)品體積的制約，薄弱環(huán)節(jié)不可能設(shè)計(jì)太厚，如果太厚其薄弱環(huán)節(jié)的強(qiáng)度將超過(guò)螺栓本體的其余部分的強(qiáng)度，如此爆炸螺栓作用后會(huì)破壞爆炸螺栓的螺栓本體，形成飛片殘?jiān)Ｋ约羟腥奖菟ㄖ饕轻槍?duì)抗拉力指標(biāo)以及較小的抗扭矩指標(biāo)。

圖1 剪切塞式爆炸螺栓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure sketch of shear plug explosive bolt

1.2 剪切銷(xiāo)式爆炸螺栓

剪切銷(xiāo)式爆炸螺栓（如圖2）是靠火藥力推動(dòng)剪切塞，切斷剪切銷(xiāo)使螺栓分離。

圖2 剪切銷(xiāo)式爆炸螺栓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure sketch of shear pin explosive bolt

其力學(xué)指標(biāo)主要是靠調(diào)節(jié)剪切銷(xiāo)的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此種結(jié)構(gòu)兼具較強(qiáng)的抗拉和抗扭矩能力。但是由于剪切銷(xiāo)的結(jié)構(gòu)決定了此種爆炸螺栓具有相對(duì)較大的體積，因?yàn)橐辜羟袖N(xiāo)可靠切斷，設(shè)計(jì)時(shí)螺栓桿和螺栓本體都要在剪切銷(xiāo)安裝孔位置的薄弱部分有大于剪切銷(xiāo)的強(qiáng)度，所以螺栓桿和螺栓本體的薄弱部分都要有一定的厚度。要在相對(duì)體積較小的爆炸螺栓中運(yùn)用此種結(jié)構(gòu)，勢(shì)必造成剪切銷(xiāo)直徑減小，使之抗扭矩和拉力的能力減弱，特別在抗拉力和抗扭矩指標(biāo)較高的小型爆炸螺栓上，此種結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重制約。

2 小型抗拉力和扭矩爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使小型爆炸螺栓有較強(qiáng)的抗拉力和抗扭矩能力，綜合剪切塞式和剪切銷(xiāo)式兩種爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。將螺栓的受拉力和受扭矩的部位進(jìn)行分開(kāi)，使其在受到拉力時(shí)有剪切塞式爆炸螺栓的特點(diǎn)，即設(shè)計(jì)類(lèi)似于剪切塞式爆炸螺栓的薄弱環(huán)節(jié)來(lái)承受拉力；而在受到扭矩時(shí)，其受拉力的薄弱環(huán)節(jié)不受扭矩影響，在螺栓上設(shè)計(jì)類(lèi)似于剪切銷(xiāo)式爆炸螺栓的剪切銷(xiāo)來(lái)承受扭矩，而且此抗扭矩結(jié)構(gòu)對(duì)體積要求較小。此種爆炸螺栓結(jié)構(gòu)既抗拉力又抗扭矩且對(duì)產(chǎn)品體積要求較小，如圖3～5所示。

圖3 螺栓桿Fig.3 Bolt pole

圖4 螺栓本體Fig.4 Bolt body

圖5 組裝圖Fig.5 Assembly drawing

此種結(jié)構(gòu)是靠火藥力推動(dòng)螺栓桿，切斷薄弱環(huán)節(jié)使螺栓分離。在受到拉力時(shí)由薄弱環(huán)節(jié)承受拉力，調(diào)整薄弱環(huán)節(jié)的厚度便可以調(diào)整抗拉力強(qiáng)度；在受到扭矩時(shí)，由于螺栓桿和螺栓本體分開(kāi)，使得扭矩不能作用到薄弱環(huán)節(jié)上，而是由螺栓桿上的四方和螺栓本體上的四方承受扭矩。由于四方受到扭矩時(shí)的受力面積要比無(wú)四方時(shí)薄弱環(huán)節(jié)受扭矩的受力面積增大，所以其抗扭矩能力也隨之增強(qiáng)，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)四方的邊長(zhǎng)或薄弱環(huán)節(jié)的厚度來(lái)調(diào)節(jié)受扭矩的受力面積，從而調(diào)節(jié)抗扭矩能力。此結(jié)構(gòu)無(wú)剪切銷(xiāo)，受產(chǎn)品體積限制較小，有效節(jié)約了產(chǎn)品體積，為裝藥設(shè)計(jì)提供更大的設(shè)計(jì)空間。

3 理論計(jì)算

3.1 理論計(jì)算對(duì)比方案

此結(jié)構(gòu)已在某型爆炸螺栓上得到應(yīng)用，該型爆炸螺栓體積較小，剪切銷(xiāo)式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)很難應(yīng)用，只能與相應(yīng)尺寸的剪切塞式結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。由于某型爆炸螺栓研制工作剛剛起步，所以試驗(yàn)量很少，而且也未找到相應(yīng)尺寸的剪切塞式爆炸螺栓，所以只能以該型爆炸螺栓為例進(jìn)行抗拉力和扭矩的理論計(jì)算，并與剪切塞式結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。兩種爆炸螺栓薄弱環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖6～8。

圖6 新結(jié)構(gòu)螺栓桿示意圖Fig.6 The new structure sketch of bolt pole

圖7 新結(jié)構(gòu)螺栓本體示意圖Fig.7 The new structure sketch of bolt body

圖8 剪切塞式結(jié)構(gòu)螺栓本體示意圖Fig.8 The structure sketch of the shear plug bolt body

3.2 抗拉力計(jì)算

3.2.1 新結(jié)構(gòu)抗拉力計(jì)算

螺栓拉斷斷裂面如圖9所示。根據(jù)材料手冊(cè)，所用不銹鋼棒的抗拉強(qiáng)度極限σb≥1 030MPa；由機(jī)械強(qiáng)度理論知，許用剪應(yīng)力[σ]為：

式（1）中：[σ]為材料的許用應(yīng)力，MPa；n為材料安全系數(shù)，取n=1.25～1.50。

經(jīng)計(jì)算求得：[σ]≥1 030～1 200/(1.25～1.5)

即[σ]≥687～960MPa。

剪切面積

式（2）中：S為剪切面面積，m2；r為剪切面半徑，m；L為剪切面軸向長(zhǎng)度，m。將r=0.004m，L=0.001m代入式（2）中，求得S=0.000 025 1m2。

圖9 新結(jié)構(gòu)螺栓拉斷斷裂面示意圖Fig.9 The sketch of pulling-breaking surface of the new structure bolt

由強(qiáng)度理論知，螺栓被拉斷所需的最小力為許用剪應(yīng)力與剪切面積的乘積，即

3.2.2 剪切塞式結(jié)構(gòu)抗拉力計(jì)算

螺栓拉斷斷裂面如圖10所示。

圖10 剪切塞式螺栓拉斷斷裂面示意圖Fig.10 The sketch of pulling -breaking surface of the shear plug explosive bolt

將r=0.002 5m，L=0.001m代入式（2）中，求得S=0.000 015 7m2。

將S=0.000 015 7m2代入式（3）中，求得螺栓被拉斷所需的最小力：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：在某型爆炸螺栓的設(shè)計(jì)上，采用新結(jié)構(gòu)爆炸螺栓的最大拉斷力為17.2～24.0kN；采用剪切塞式結(jié)構(gòu)爆炸螺栓的最大拉斷力為 10.8～15.1 kN，因此得出采用新結(jié)構(gòu)爆炸螺栓的抗拉斷力能力比采用剪切塞式結(jié)構(gòu)爆炸螺栓提高了1.59倍。

3.3 抗扭矩計(jì)算

3.3.1 新結(jié)構(gòu)抗扭矩計(jì)算

螺栓在受到扭矩時(shí)，螺栓桿上的四方受到扭矩作用，當(dāng)扭矩大于四方的承受能力時(shí)，四方將全部被剪切掉，所以螺栓的扭矩?cái)嗔衙婀灿袃商?，分別是四方內(nèi)切圓柱的側(cè)面S1和四方面減去內(nèi)切圓面所余面S2，如圖11所示。

圖11 新結(jié)構(gòu)螺栓扭矩?cái)嗔衙媸疽鈭DFig.11 The sketch of torque -breaking surface of the new structure bolt

式（4）～（5）中：S1為剪切面S1面積，m2；r為剪切面S1半徑，m；H為剪切面S1軸向高度，m；S2為剪切面S2面積，m2；L為四方邊長(zhǎng)，m。

將r=0.002 6m，H=0.001m代入式（4）中，求得S1=0.000 016 3m2；將r=0.002 6m，L=0.005 2m代入式（5）中，求得S2=0.000 005 81m2。

由強(qiáng)度理論知，螺栓桿被扭斷所需的最小力為許用剪應(yīng)力與扭矩?cái)嗔衙婷娣e的乘積，即：

借用上面計(jì)算結(jié)果[σ]≥687～960MPa，得出：

螺栓最大承受扭矩為

式（7）中：F為螺栓桿被扭斷所需的最小力，N；l為力臂長(zhǎng)度即四方內(nèi)切圓半徑（實(shí)際S2面的l值要大于四方內(nèi)切圓半徑，此處簡(jiǎn)化處理，取最小值），m。將F=15.2～21.2kN，l=0.002 6m代入式（7）中，求得M=39.52～55.12 N·m。

3.3.2 剪切塞式結(jié)構(gòu)抗扭矩計(jì)算

剪切塞式結(jié)構(gòu)螺栓的扭矩?cái)嗔衙媾c拉斷斷裂面相同，借用上面的計(jì)算結(jié)果爆炸螺栓被扭斷所需的最小力：F=10.8～15.1kN，將力臂l=0.002 5m代入式（7）中，求得螺栓最大承受扭矩M=27.00～37.75 N·m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果：在某型爆炸螺栓的設(shè)計(jì)上，采用新結(jié)構(gòu)爆炸螺栓的最大承受扭矩為 39.52～55.12 N·m；采用剪切塞式結(jié)構(gòu)爆炸螺栓的最大承受扭矩為27.00～37.75 N·m，因此得出采用新結(jié)構(gòu)爆炸螺栓的抗扭矩能力比采用剪切塞式結(jié)構(gòu)爆炸螺栓提高了1.46倍。

4 結(jié)論

通過(guò)新的爆炸螺栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決了小型爆炸螺栓既抗拉力又抗扭矩的要求，而且通過(guò)調(diào)節(jié)薄弱環(huán)節(jié)的厚度和四方的邊長(zhǎng)可有效調(diào)節(jié)螺栓的抗拉力和抗扭矩的能力。通過(guò)理論計(jì)算，在相同尺寸情況下，新結(jié)構(gòu)爆炸螺栓比傳統(tǒng)剪切塞式結(jié)構(gòu)爆炸螺栓抗拉斷力能力提高了1.59倍，抗扭矩能力提高了1.46倍。針對(duì)較大的抗拉力和扭矩指標(biāo)的小型爆炸螺栓，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種有效的解決手段。

[1]許灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[2]東北工學(xué)院編寫(xiě)組.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1982.