程 君，聞 泉，王雨時，義高潮，應(yīng)益發(fā)，涂偉忠

（1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京210094；2.江西星火機械廠，江西 南昌 331729）

0 引言

曲折槽機構(gòu)具有判別沖擊過載幅值及其作用持續(xù)時間的特性，一定程度上能夠解決勤務(wù)處理安全性與發(fā)射時解除保險正確性的矛盾，廣泛應(yīng)用于迫擊炮引信、火箭引信和無后坐炮引信等較低發(fā)射過載的引信中［1－3］。

文獻［4］采用無量綱模型，分析了曲折槽機構(gòu)解除保險靈敏度，增大慣性簧剛度和預(yù)壓抗力、增加曲折槽段數(shù)、減輕慣性筒質(zhì)量等措施可提高對速度變化量的識別能力。文獻［5］應(yīng)用剛體動力學(xué)理論建立了解除保險過程的數(shù)學(xué)模型，定量分析了慣性簧剛度、慣性簧預(yù)壓量、慣性筒質(zhì)量、導(dǎo)向銷與曲折槽間的摩擦系數(shù)、曲折槽傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對解除保險性能的影響。文獻［6］在考慮扭力矩作用基礎(chǔ)上，建立了曲折槽保險機構(gòu)的解除保險過程動力學(xué)模型，得出引信跌落到松軟地面上時扭力矩對慣性筒位移響應(yīng)影響明顯。但上述數(shù)學(xué)模型均是建立在理論分析基礎(chǔ)上，忽略了曲折槽機構(gòu)特定結(jié)構(gòu)對機構(gòu)運動的影響，如慣性筒上曲折槽寬度影響導(dǎo)向銷與曲折槽間碰撞、曲折槽過渡圓角影響慣性筒速度變化、曲折槽深度影響導(dǎo)向銷簧抗力等。

本文結(jié)合火箭彈引信曲折槽保險機構(gòu)設(shè)計實例，針對從理論上無法分析引信曲折槽機構(gòu)曲折槽寬度、過渡圓角和深度對機構(gòu)動態(tài)特性影響的問題，提出采用ADAMS動力學(xué)分析軟件對曲折槽機構(gòu)解除保險過程及結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真分析。

1 曲折槽保險機構(gòu)作用原理

曲折槽保險機構(gòu)物理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。勤務(wù)處理引信意外跌落時曲折槽保險機構(gòu)中的慣性筒會沿導(dǎo)向銷邊轉(zhuǎn)動邊向下運動。但由于跌落時慣性力作用時間很短，慣性筒的轉(zhuǎn)動、槽壁與導(dǎo)向銷的摩擦和拐角處的碰撞將動能消耗完，故被保險部件不會被慣性筒釋放。隨后在慣性簧推力作用下，慣性筒又恢復(fù)到初始裝配狀態(tài)，保證引信處于安全狀態(tài)。

發(fā)射時，由于彈丸加速運動過程中后坐力作用時間足夠長，慣性筒在后坐力作用下一直運動到底，釋放被保險件。慣性筒運動到位后，導(dǎo)向銷在導(dǎo)向銷簧抗力作用下向前伸出擋住慣性筒，防止后坐力消失后慣性筒在慣性簧作用下恢復(fù)到位，如圖2所示。

圖1 曲折槽保險機構(gòu)物理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Physical structure diagram of zigzag arming device

圖2 曲折槽保險機構(gòu)運動狀態(tài)Fig.2 Kinematical state of zigzag arming device

2 ADAMS仿真及試驗驗證

2.1 模型建立

分析的曲折槽機構(gòu)主要參數(shù)為：慣性筒質(zhì)量m＝2.67g，慣性簧剛度為K＝65.26N／m，曲折槽傾角為a＝45°，導(dǎo)向銷小端直徑d＝2mm，曲折槽寬d＝2mm，過渡圓角R＝1mm，曲折槽深度h＝2 mm。利用Solidworks三維繪圖軟件建立曲折槽保險機構(gòu)仿真分析模型，將建立的模型保存為Parasolid.X＿T格式，然后利用ADAMS／View模塊提供的數(shù)據(jù)交換接口，將模型文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中，后修改構(gòu)件名稱和材料信息，添加接觸副和運動副，并進行仿真［7］。曲折槽保險機構(gòu)約束關(guān)系見表1所列。

表1 曲折槽保險機構(gòu)約束關(guān)系Tab.1 Constraint relations of zigzag arming device

2.2 模型加載

發(fā)射過程中不同時刻火箭推力數(shù)據(jù)無法表達為一個已知的函數(shù)，需將這些數(shù)值進行擬合，得到擬合曲線作為火箭推力的變化規(guī)律曲線。選用ADAMS中CUBSPL函數(shù)插值方式，將后坐過載通過函數(shù)CUBSPL（time，0，SPLINE＿1，0）施加在慣性筒上。圖3為通過創(chuàng)建函數(shù)得到的火箭發(fā)動機F－T曲線。

圖3 火箭發(fā)動機F－T曲線Fig.3 F－T curve of rocket engine

2.3 解除保險正確性仿真

利用ADAMS仿真曲折槽保險機構(gòu)在發(fā)射過程中慣性筒的運動狀態(tài)及解除保險過程，判斷其解除保險正確性。圖4為仿真得到的發(fā)射過程中曲折槽保險機構(gòu)運動情況。

由圖4可知發(fā)射過程中慣性筒在后坐力作用下沿導(dǎo)向銷邊轉(zhuǎn)動邊向下運動，一直運動到底，直至與簧柱發(fā)生碰撞。慣性筒運動到位后，導(dǎo)向銷前伸擋住慣性筒，保證慣性筒解除被保險件后的作用正確性。

圖4 發(fā)射時曲折槽保險機構(gòu)運動過程Fig.4 Movement of zigzag device during launch

圖5為發(fā)射過程中慣性筒運動速度和位移響應(yīng)曲線。由圖5可看出慣性筒通過每一段曲折槽時運動速度都有發(fā)生波動，說明慣性筒在向下運動過程中與導(dǎo)向銷發(fā)生不同程度的碰撞，從而消耗慣性筒運動能量，使慣性筒下降速度減緩，這一特性符合曲折槽后坐保險機構(gòu)作用特性。曲折槽保險機構(gòu)在發(fā)射過程中運動到位的時間為24.3ms，而火箭發(fā)動機工作時間在100ms左右，因此通過仿真分析可知曲折槽機構(gòu)能可靠解除保險。

圖5 慣性筒運動速度和位移響應(yīng)曲線Fig.5 Velocity curve and displacement curve of inertia cylinder

2.4 勤務(wù)處理安全性仿真

利用ADAMS仿真曲折槽保險機構(gòu)在勤務(wù)處理過程中慣性筒的運動狀態(tài)，判斷曲折槽保險機構(gòu)是否在勤務(wù)處理中解除保險。分別仿真了引信從1.5m落高分別跌向鋼板、水泥地和沙土?xí)r勤務(wù)處理安全性。跌落目標(biāo)參數(shù)［7］見表2所列。引信跌向3種目標(biāo)時慣性筒軸向位移及慣性筒恢復(fù)到位時間如表3所列。其中跌落目標(biāo)為鋼板時，曲折槽保險機構(gòu)運動過程如圖6所示。

由運動過程可知，在勤務(wù)處理跌落鋼板過程中，慣性筒向下運動0.18ms左右就和導(dǎo)向銷發(fā)生碰撞，碰撞后慣性筒速度減小，逐漸趨近于零。之后慣性筒在慣性簧的抗力作用下開始向上運動，恢復(fù)到保險機構(gòu)裝配狀態(tài)。在勤務(wù)處理跌落到鋼板過程中導(dǎo)向銷與第一段曲折槽發(fā)生碰撞后，慣性筒向下運動就終止，因此慣性筒不會釋放被保險件，符合曲折槽保險機構(gòu)作用特性。從表1可知引信跌向鋼板、水泥地和沙土?xí)r慣性筒向下運動軸向位移分別為2.6mm、2.9mm、6.2mm，而曲折槽機構(gòu)解除保險行程為13.5mm，因此引信1.5m跌向鋼板、水泥地和沙土?xí)r曲折槽機構(gòu)都不會解除保險，保證勤務(wù)處理安全性。

表2 跌落目標(biāo)材料參數(shù)Tab.2 The material parameter of drop target

表3 勤務(wù)處理安全性仿真結(jié)果Tab.3 The results of simulation during service

圖6 勤務(wù)處理中曲折槽保險機構(gòu)運動過程Fig.6 Movement of zigzag device during service

2.5 試驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果可信性，對引信進行離心試驗和跌落試驗，其中跌落試驗?zāi)繕?biāo)分別為鋼板、水泥地和砂土，連續(xù)跌落兩次，結(jié)果如表4所列。射擊試驗結(jié)果如表5所列。試驗結(jié)果表明曲折槽保險機構(gòu)能夠保證勤務(wù)處理安全性和發(fā)射時解除保險正確性。

表4 跌落試驗結(jié)果Tab.4 The results of drop test

表5 射擊試驗結(jié)果Tab.5 The results of firing test

3 參數(shù)分析

3.1 曲折槽寬度的影響

因受曲折槽保險機構(gòu)空間尺寸限制，在此按等差數(shù)列分別取曲折槽寬度為2.0mm、2.2mm、2.4 mm三種情況進行動力學(xué)仿真。曲折槽寬度對慣性筒速度響應(yīng)和位移響應(yīng)影響如圖7所示。

從圖7可知，曲折槽寬度越大，慣性筒運動到位的時間越短，慣性筒運動速度變化的也越快。曲折槽寬度為2.0mm、2.2mm、2.4mm 時慣性筒運動到位時間分別為24.0ms、21.0ms、20.0ms。從慣性筒運動速度響應(yīng)可以看出，曲折槽寬度越大，導(dǎo)向銷與曲折槽之間間隙就越大，慣性筒運動過程中導(dǎo)向銷與曲折槽間碰撞就越嚴(yán)重，碰撞過程中慣性筒動能消耗就越多，從而影響慣性筒的運動。但曲折槽寬度越大，導(dǎo)向銷與曲折槽間摩擦力越小，導(dǎo)向銷對慣性筒運動阻滯就不明顯，慣性筒運動到位的時間就越短，不利于曲折槽保險機構(gòu)勤務(wù)處理安全性。因此增大曲折槽寬度有利于曲折槽機構(gòu)解除保險，反之有利于勤務(wù)處理安全性。

3.2 曲折槽過渡圓角的影響

在原有設(shè)計曲折槽過渡圓角R為1.0mm基礎(chǔ)上，另按等差數(shù)列取圓角為0.5mm、1.5mm共三種情況進行動力學(xué)仿真。曲折槽過渡圓角對慣性筒速度響應(yīng)和位移響應(yīng)影響如圖8所示。

從圖8可知，曲折槽過渡圓角越大，慣性筒運動到位的時間就越短，慣性筒運動的速度也變化得越快。曲折槽圓角為0.5mm、1.0mm、1.5mm 時慣性筒運動到位時間分別為27.5ms、24.0ms、21.2 ms。曲折槽過渡圓角對慣性筒運動影響明顯，增大曲折槽過渡圓角有利于曲折槽機構(gòu)解除保險，反之有利于勤務(wù)處理安全性。

圖7 曲折槽寬度對慣性筒速度和位移影響Fig.7 The influence of zigzag width on speed and displacement of inertial cylinder

圖8 曲折槽過渡圓角對慣性筒速度和位移影響Fig.8 The influence of zigzag fillet on speed and displacement of inertial cylinder

3.3 曲折槽深度的影響

因受曲折槽保險機構(gòu)空間尺寸限制，在此按等差數(shù)列分別取慣性筒上曲折槽深度為1.8mm、2.0 mm、2.2mm三種情況進行動力學(xué)仿真。曲折槽深度對慣性筒速度響應(yīng)和位移響應(yīng)影響如圖9所示。

圖9 曲折槽深度對慣性筒速度和位移影響Fig.9 The influence of zigzag depth on speed and displacement of inertial cylinder

從圖9可知，曲折槽深度越大，慣性筒運動到位的時間越短，慣性筒運動的速度也變化越快。曲折槽深度為1.8mm、2.0mm、2.2mm時慣性筒運動到位時間分別為24.5ms、24.0ms、23.5ms。導(dǎo)向銷與曲折槽之間存在摩擦力，導(dǎo)向銷運動通過導(dǎo)向銷簧抗力來提供，曲折槽深度直接影響導(dǎo)向銷簧的預(yù)壓量，從而影響導(dǎo)向銷簧抗力大小和兩者之間摩擦力的大小。曲折槽深度越大，導(dǎo)向銷與慣性筒間摩擦力越小，反之越大。因此增大曲折槽深度有利于曲折槽機構(gòu)解除保險，反之有利于勤務(wù)處理安全性。

4 結(jié)論

本文提出了采用ADAMS軟件對火箭彈引信曲折槽保險機構(gòu)解除保險可靠性和勤務(wù)處理安全性進行仿真研究，分析了慣性筒上曲折槽寬度、曲折槽過渡圓角和曲折槽深度等設(shè)計參數(shù)對機構(gòu)動態(tài)的影響。結(jié)果表明：該引信曲折槽保險機構(gòu)在80 g發(fā)射過載下能可靠解除被保險部件，在1.5m高度跌落鋼板、水泥地和砂土目標(biāo)能保證被保險部件安全性，與試驗結(jié)果相符；在一定范圍內(nèi)增大慣性筒上曲折槽寬度、曲折槽拐角處圓角及曲折槽深度均有利于曲折槽保險機構(gòu)解除保險，反之則有利于勤務(wù)處理安全性。該方法將為曲折槽保險機構(gòu)的工程設(shè)計提供參考。

［1］《引信設(shè)計手冊》編寫組.引信設(shè)計手冊［S］.北京：國防工業(yè)出版社，1978.

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