劉 宣，聞 泉，王雨時(shí)，張志彪

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)方案

劉 宣，聞 泉，王雨時(shí)，張志彪

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對(duì)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全和可靠解除保險(xiǎn)之間的矛盾，提出了引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)方案。該方案是將傳統(tǒng)的軸線與引信軸線平行或重合的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)于引信軸線斜置一定角度設(shè)置。應(yīng)用剛體動(dòng)力學(xué)理論分析了引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性，并給出了算例。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)有助于提高勤務(wù)處理彈丸和引信意外跌落時(shí)引信安全性，即有助于提高引信防止意外解除保險(xiǎn)的性能，而正常解除保險(xiǎn)性能不會(huì)受到影響。

引信；后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)；安全性

0 引言

保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是引信的重要組成部分，用來保證發(fā)火機(jī)構(gòu)、隔爆機(jī)構(gòu)及其他機(jī)構(gòu)在勤務(wù)處理過程中處于保險(xiǎn)狀態(tài)，而只有在發(fā)射或其他預(yù)定條件下才能解除保險(xiǎn)，使引信處于待發(fā)狀態(tài)。

引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)作為慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的一種，其應(yīng)用最為普遍。文獻(xiàn)[1]分析了引信后坐機(jī)構(gòu)勤務(wù)處理安全性計(jì)算公式，介紹了最大響應(yīng)計(jì)算方法，并進(jìn)一步研究了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性；文獻(xiàn)[2]介紹了引信單行程保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性及保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)慣性件速度響應(yīng)計(jì)算方法；文獻(xiàn)[3]研究了引信經(jīng)典后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)過載時(shí)間的響應(yīng)特性，得到了不同后坐過載曲線下引信經(jīng)典彈性后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和剛性后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)響應(yīng)特性；文獻(xiàn)[4]介紹了引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的沖擊響應(yīng)方法，使后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)更加高效；文獻(xiàn)[5]利用Working Model 3D軟件對(duì)引信雙自由度后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6]研究了引信雙自由度后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，運(yùn)用分段求解耦合微分方程組的方法得出機(jī)構(gòu)位移響應(yīng)。

以上文獻(xiàn)只是針對(duì)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了理論分析或仿真研究，并未對(duì)低后坐過載條件下引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全和可靠解除保險(xiǎn)之間的矛盾進(jìn)行討論。針對(duì)此問題，誕生了各種阻尼式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，如曲折槽后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、雙自由度后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等。本文基于彈丸和引信跌落沖擊的方位特性，即彈丸和引信傾斜跌落時(shí)的沖擊遠(yuǎn)低于垂直跌落時(shí)沖擊的事實(shí)，提出引信經(jīng)典后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)方案。

1 彈丸跌落沖擊響應(yīng)特性

引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)一直是分析研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須滿足：在裝卸、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和跌落等勤務(wù)處理過程中處于安全狀態(tài)；使彈藥在目標(biāo)或目標(biāo)區(qū)正常引爆時(shí)必需能夠可靠解除保險(xiǎn)。通常，設(shè)計(jì)者都是利用彈丸在發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力作用時(shí)間較長(zhǎng)，而勤務(wù)處理時(shí)偶然跌落產(chǎn)生的沖擊力作用時(shí)間較短這一特性[7]，來解決引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全和可靠解除保險(xiǎn)之間的矛盾。

彈丸發(fā)生意外跌落的姿態(tài)是不確定的，且不同的跌落姿態(tài)會(huì)對(duì)彈丸的沖擊特性產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[8]對(duì)不同跌落姿態(tài)下彈丸沖擊特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明垂直跌落時(shí)加速度峰值比傾斜30°(彈丸軸線與豎直線的夾角)跌落時(shí)增大45%，比傾斜60°跌落時(shí)增大79%；文獻(xiàn)[9]采用數(shù)值模擬方法研究子彈藥以不同落角撞擊混凝土介質(zhì)的沖擊響應(yīng)，結(jié)果表明垂直跌落時(shí)加速度峰值比傾斜15°跌落時(shí)增大35%，比傾斜30°跌落時(shí)增大55%。上述文獻(xiàn)跌落沖擊結(jié)果存在差異的主要原因是選取的仿真結(jié)構(gòu)模型和材料模型不同，但都表明垂直跌落對(duì)彈丸的沖擊影響最大。

事實(shí)上，在垂直跌落時(shí)，彈丸或引信底部觸碰跌落目標(biāo)部分強(qiáng)度和剛度最大，全部動(dòng)能均由彈丸或引信底部承受，因而形成的沖擊過載最大，對(duì)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的沖擊影響也最大。而在非垂直跌落時(shí)，彈丸或引信底部觸碰跌落目標(biāo)部分只是局部，強(qiáng)度和剛度較低，形成的沖擊過載較小。

2 引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)原理

2.1 構(gòu)建物理模型

引信斜置后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是將傳統(tǒng)的軸線與引信軸線平行或重合的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)于引信軸線斜置一定角度α設(shè)置，如圖1所示。該機(jī)構(gòu)由保險(xiǎn)件(慣性體1)、被保險(xiǎn)件(鋼珠2)、本體3和抗力件(慣性簧4)組成，其中α為斜置角度。發(fā)射或跌落時(shí)，慣性體受后坐慣性力作用，下沉到一定距離，其中跌落時(shí)該距離不足以釋放被保險(xiǎn)件(鋼珠2)，而發(fā)射時(shí)該距離要足以釋放被保險(xiǎn)件(鋼珠2)，從而解除保險(xiǎn)。

2.2 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

如圖1所示的引信斜置后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)：在機(jī)構(gòu)處于保險(xiǎn)狀態(tài)情況下，慣性簧有一定的預(yù)壓量，其抗力作用于慣性筒，且慣性筒在引信體的反作用力及摩擦力的作用下，處于平衡狀態(tài)；在機(jī)構(gòu)處于發(fā)射或跌落狀態(tài)下，后坐慣性力開始作用于慣性筒，隨著后坐力的增大，慣性筒開始運(yùn)動(dòng)并逐漸解除保險(xiǎn)。根據(jù)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，得到質(zhì)量塊受力特性，如圖2所示，其中F1是引信體對(duì)慣性筒的反作用力、F是慣性簧對(duì)慣性筒的彈性抗力、FN是慣性筒駐室側(cè)壁對(duì)慣性筒的擠壓作用力、Ff是慣性筒受到駐室側(cè)壁的摩擦力、FS是引信后坐慣性力。

圖1 引信斜置后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.1 Inclined design of Fuze Setback Arming Device

圖2 質(zhì)量塊受力特性Fig.2 Mass mechanical characteristics

將質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)過程分為兩個(gè)階段：把發(fā)射或跌落開始的時(shí)間到質(zhì)量塊開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間(記為臨界值點(diǎn)t0)作為第一階段；把臨界值點(diǎn)t0到后坐過載(或跌落沖擊過載)作用結(jié)束的時(shí)間作為第二階段。分析慣性筒運(yùn)動(dòng)特性可知：

1)第一階段(0≤t≤t0)

(1)

2)第二階段(t0≤t≤T/2)

(2)

由式(2)可得慣性筒運(yùn)動(dòng)微分方程：

(3)

對(duì)式(3)求解得到：

(4)

將t=t0時(shí)，x=0,x′=0的初始條件代入公式(4)求出C1和C2：

將C1和C2代入式(4)進(jìn)一步化簡(jiǎn)，得

由質(zhì)量塊受力特性以及式(1)至式(4)可知：

1) 在已知機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的條件下，kmax、T、α是決定引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)作用時(shí)間的關(guān)鍵因素：隨著kmax、T的增大，引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)更易于解除保險(xiǎn)；隨著α的增加，引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)更不易于解除保險(xiǎn)。

2) 引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)質(zhì)量塊開始運(yùn)動(dòng)的必要條件是：

kmaxmg(cosα-μsinα)sin(2πt/T)-k′λ≥0。

3) 由于斜置角度α的引入以及摩擦因素的存在，引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)可靠解除保險(xiǎn)即質(zhì)量塊沿著斜面運(yùn)動(dòng)而不發(fā)生自鎖的必要條件是：

α<90°-arctan u。

2.3 算例分析

選用兩組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行數(shù)值分析和仿真比較研究，兩組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分別來源于不同的文獻(xiàn)，如表1所列。摩擦系數(shù)μ取為0.15。

表1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)初期一般可以估取無包裝的裸露彈藥1.5 m高度垂直跌落到鑄鐵板或鋼板時(shí)引信內(nèi)部零部件所受到的沖擊過載最大量值為7 000～15 000g，作用時(shí)間約為150～250 μs。本文取最大沖擊過載系數(shù)kmax=10 000，作用時(shí)間t=100 μs對(duì)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行跌落計(jì)算，得到兩組設(shè)計(jì)參數(shù)在不同斜置角度α下對(duì)應(yīng)的慣性體位移與作用時(shí)間關(guān)系，如圖3所示。

圖3 跌落沖擊作用下不同斜置角度α對(duì)應(yīng)的慣性體位移與作用時(shí)間關(guān)系Fig.3 Correspondence between displacement and time of inertial body under drop impact

利用表1中的兩組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，最大后坐過載kmax=10 000，作用時(shí)間t=1.2 ms對(duì)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行發(fā)射計(jì)算，得到兩組設(shè)計(jì)參數(shù)在不同斜置角度α下對(duì)應(yīng)的慣性體位移與作用時(shí)間關(guān)系，如圖4所示。

圖4 發(fā)射后坐過載作用下不同斜置角度α對(duì)應(yīng)的慣性體位移與作用時(shí)間關(guān)系Fig.4 Correspondence between displacement and time of inertial body under emission overload effect

由圖3和圖4可看出，斜置角度α對(duì)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性有顯著影響：無論是跌落沖擊作用還是發(fā)射后坐過載作用，不同斜置角度α對(duì)應(yīng)的x-t曲線數(shù)值上都有明顯的差異；隨著α的增加，相同作用時(shí)間下慣性體的位移明顯減小。

3 仿真驗(yàn)證結(jié)果分析

為進(jìn)一步探究斜置角度α對(duì)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全和解除保險(xiǎn)性能的影響，驗(yàn)證理論分析的正確性，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，同樣取表1的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)作為仿真參數(shù)，且過載系數(shù)kmax、作用時(shí)間t與理論分析時(shí)相同。建立仿真簡(jiǎn)化模型，該模型由斜置側(cè)壁，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊，柔性體彈簧組成，如圖5所示。設(shè)置質(zhì)量塊、斜置側(cè)壁材料屬性，賦予其質(zhì)量特性；設(shè)置彈簧屬性，給k′、λ 賦值；給運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊添加移動(dòng)副，并在移動(dòng)副上設(shè)置摩擦特性(μ取為0.15)；給運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊施加后坐力(或跌落沖擊力)FS；定義運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊與斜置側(cè)壁間的接觸。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

由于2組機(jī)構(gòu)參數(shù)相差較小且從得到的結(jié)果來看，無論是仿真值還是理論值兩組設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的結(jié)果數(shù)值非常接近，所以在此只對(duì)表1中的第1組設(shè)計(jì)參數(shù)得到的數(shù)值結(jié)果列表分析：得到發(fā)射后坐過載作用下不同斜置角度α對(duì)應(yīng)的解除保險(xiǎn)作用時(shí)間(表2)；由于在跌落沖擊作用下本算例中后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)不足以解除保險(xiǎn)，但為了直觀地分析斜置角度α對(duì)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的影響，表3列出了不同斜置角度α對(duì)應(yīng)的沖擊過載作用時(shí)間t=100 μs時(shí)慣性筒的位移。

在發(fā)射后坐過載或跌落沖擊作用一定的條件下，分析表2和表3數(shù)據(jù)可得：

1) 理論結(jié)果與仿真結(jié)果比較接近，證明了理論分析的可信性。ADAMS軟件無法賦予彈簧質(zhì)量特性，經(jīng)驗(yàn)證彈簧質(zhì)量對(duì)結(jié)果的影響比較小，誤差在0.5%以內(nèi)；摩擦系數(shù)μ可能是影響誤差的主要因素，驗(yàn)證表明摩擦系數(shù)μ值減小，總體平均誤差值也減小，但幅度并不明顯。

2) 引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)有助于提高其安全性，即有助于提高防止意外解除保險(xiǎn)的性能，而正常解除保險(xiǎn)性能一般不會(huì)受到影響。

表2 發(fā)射后坐過載作用下不同斜置角度α對(duì)應(yīng)的解除保險(xiǎn)作用時(shí)間

表3 跌落沖擊作用下不同斜置角度α對(duì)應(yīng)的t=100 μs時(shí)慣性筒位移

4 結(jié)論

本文提出了引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)方案，該方案是將傳統(tǒng)的軸線與引信軸線平行或重合的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)于引信軸線斜置一定角度α設(shè)置，應(yīng)用剛體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行了理論分析并應(yīng)用ADAMS軟件仿真研究了發(fā)射和跌落時(shí)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)特性。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)有助于防止意外解除保險(xiǎn)，而正常解除保險(xiǎn)則不會(huì)受影響；引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)斜置設(shè)計(jì)提高了勤務(wù)處理彈丸和引信意外跌落時(shí)的引信安全性，有利于解決引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全和可靠解除保險(xiǎn)之間的矛盾。

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Inclined Design of Fuze Setback Arming Device

LIU Xuan，WEN Quan，WANG Yushi，ZHANG Zhibiao

(Mechanical Engineering school, NUST, Nanjing 210094, China)

For the contradiction between safety and reliability of fuze setback arming device, the inclined design of fuze setback arming device was put forward.The program made the fuze axis inclined some degrees to the fuze axis. Dynamic characteristics of inclined design of fuze setback arming device was analyzed by rigid body dynamics theory.The results showed that the inclined design of fuze setback arming device contributes to improve the fuze safety when the projectile and fuze fall accidentally, and the performance of normal arming was not affected.

fuze；setback arming device；inclined design；safety

2015-12-15

劉宣(1989—)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向：引信系統(tǒng)分析和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。E-mail:15564864028@163.com。

TJ43

A

1008-1194(2016)05-0010-05