張艷兵，武志博，馬鐵華 ，趙 旭

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)雙環(huán)境力加載模擬裝置

張艷兵1，2，武志博1，2，馬鐵華1，2，趙 旭3

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西太原030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；3.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西西安710065)

針對(duì)炮彈發(fā)射時(shí)受到后坐高沖擊和旋轉(zhuǎn)高離心雙環(huán)境力的連續(xù)加載，使得其加載過(guò)程難以近似模擬的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)雙環(huán)境力加載模擬裝置。該裝置運(yùn)用儲(chǔ)能飛輪、高速碰撞以及旋轉(zhuǎn)離心激勵(lì)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和碰撞介質(zhì)，可以調(diào)整過(guò)載加速度的幅值和脈寬。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置對(duì)引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)后坐沖擊過(guò)載達(dá)上萬(wàn)g、旋轉(zhuǎn)離心過(guò)載達(dá)上千g的雙環(huán)境力的連續(xù)加載模擬。

引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)；雙環(huán)境力；加載模擬裝置；儲(chǔ)能飛輪；高速碰撞

0 引言

引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的可靠性與環(huán)境力有著密切的關(guān)系。在炮彈發(fā)射過(guò)程中，引信執(zhí)行器受到軸向后坐高沖擊和旋轉(zhuǎn)高離心雙過(guò)載環(huán)境力的加載。過(guò)載異常時(shí)，可能提前解除保險(xiǎn)，造成不安全后果，也可能導(dǎo)致瞎火失效[1]。為了在地面測(cè)試引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的性能，保證其可靠性，有必要研究后坐高沖擊和旋轉(zhuǎn)高離心雙環(huán)境力的連續(xù)加載模擬裝置。

旋轉(zhuǎn)高離心過(guò)載環(huán)境通常用離心機(jī)模擬，但是離心機(jī)靠電機(jī)加載，不能瞬間啟動(dòng)，因此不能模擬沖擊過(guò)載[2-3]。實(shí)驗(yàn)室采用的沖擊加載方法有：馬歇特錘、霍普金森桿、空氣炮等[4-8]。現(xiàn)有的過(guò)載環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備大多是把沖擊過(guò)載和離心過(guò)載分開(kāi)模擬，把雙過(guò)載環(huán)境力的連續(xù)加載過(guò)程離散化，不能近似模擬引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程。利用撞擊減速法[9]或空氣炮發(fā)射，同時(shí)加上旋轉(zhuǎn)可模擬后坐和旋轉(zhuǎn)雙環(huán)境力，但是成本高，體積大。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)雙環(huán)境力加載模擬裝置。

1 模擬裝置的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

1.1 模擬裝置的總體結(jié)構(gòu)

雙環(huán)境力加載模擬裝置主要由飛輪儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)、沖擊激勵(lì)加載系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)激勵(lì)加載系統(tǒng)組成。飛輪儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)通過(guò)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，為系統(tǒng)提供巨大動(dòng)能；沖擊激勵(lì)加載系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)盤、電磁鐵、離合器、碰撞桿，利用高速碰撞實(shí)現(xiàn)后坐過(guò)載環(huán)境力的加載；旋轉(zhuǎn)激勵(lì)加載系統(tǒng)主要包括雙旋轉(zhuǎn)軌道，受到?jīng)_擊的試件在圓周軌道上旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)離心旋轉(zhuǎn)過(guò)載環(huán)境力的加載。加載模擬裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加載模擬裝置總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of loading simulator

1.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

加載模擬裝置的控制框圖如圖2所示，包含飛輪儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)控制回路，沖擊激勵(lì)加載控制回路。飛輪儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行調(diào)速；沖擊激勵(lì)加載控制回路檢測(cè)轉(zhuǎn)盤位置，并對(duì)電磁離合器和電磁碰撞桿進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)后坐沖擊過(guò)載環(huán)境力的加載模擬。沖擊后的試件在軌道上旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)離心過(guò)載環(huán)境力的加載模擬。

1.3 加載模擬裝置的工作原理

雙環(huán)境力加載模擬裝置的工作過(guò)程分為飛輪儲(chǔ)能、沖擊激勵(lì)加載、離心旋轉(zhuǎn)激勵(lì)加載。

圖2 加載模擬裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of loading control system

1)飛輪儲(chǔ)能

試驗(yàn)初始狀態(tài)下，離合器閉合，轉(zhuǎn)盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。試件靜止停放在內(nèi)側(cè)軌道，電磁鐵吸合碰撞桿，碰撞桿處于回收狀態(tài)，轉(zhuǎn)盤和軌道分離。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，首先設(shè)定過(guò)載加速度值，啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤開(kāi)始加速。軌道和轉(zhuǎn)盤分離，因此試件靜止。

2)沖擊激勵(lì)加載

沖擊激勵(lì)加載系統(tǒng)的初始狀態(tài)和加載過(guò)程如圖3和圖4所示。轉(zhuǎn)盤達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速并到達(dá)指定位置后，啟動(dòng)沖擊激勵(lì)命令。為防止巨大的反碰撞力損壞電機(jī)，轉(zhuǎn)盤和電機(jī)必須分離，此時(shí)離合器斷開(kāi)，轉(zhuǎn)盤靠慣性繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn)。碰撞機(jī)構(gòu)動(dòng)作，電磁鐵斷開(kāi)，碰撞桿釋放。內(nèi)軌上的試件受到碰撞桿的高速碰撞后產(chǎn)生沖擊加速度，其幅值可以通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及碰撞接觸面的介質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)試件后坐沖擊過(guò)載環(huán)境力的加載模擬。

3) 離心旋轉(zhuǎn)激勵(lì)加載

為保證試件與碰撞桿不再干涉，受到二次碰撞，軌道被分為內(nèi)外軌道。受到?jīng)_擊的試件由內(nèi)側(cè)軌道變軌至外側(cè)旋轉(zhuǎn)軌道，依靠慣性離心旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了離心過(guò)載環(huán)境力的加載。旋轉(zhuǎn)離心加載過(guò)程如圖5所示。

圖3 后坐沖擊激勵(lì)加載系統(tǒng)初始狀態(tài)Fig.3 The initial state of recoil loading system

圖4 后坐沖擊激勵(lì)加載過(guò)程Fig.4 The loading process of recoil

圖5 旋轉(zhuǎn)離心加載過(guò)程Fig.5 The loading process of spin centrifugal

2 加載模擬過(guò)程的分析

轉(zhuǎn)盤半徑為r1=500 mm，碰撞時(shí)試件所在位置的半徑為r2=0.55 m。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為20.68 kgm2，電磁鐵和碰撞桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.34 kgm2，因此碰撞機(jī)構(gòu)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J1=21.02 kgm2，轉(zhuǎn)盤角速度為ω，由轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能及等效動(dòng)能公式：

(1)

可得碰撞時(shí)轉(zhuǎn)盤的等效質(zhì)量為：m等效=69.5 kg。

試件和加速度測(cè)試裝置的質(zhì)量為1 kg，由動(dòng)量守恒定律及鋼-鋼碰撞恢復(fù)系數(shù)，可得：

(2)

式中，v0，v1分別是碰撞前和碰撞后轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速；v2，α離心，α后坐分別是碰撞后試件獲得的速度、離心加速度和后坐沖擊加速度；t是沖擊加速度脈寬的持續(xù)時(shí)間。

由式(2)可以看出，按照模擬試驗(yàn)要求，已知后坐沖擊加速度及離心加速度的幅值，即可估算出轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和沖擊脈寬的持續(xù)時(shí)間。因此調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和沖擊脈寬的持續(xù)時(shí)間，即可滿足不同引信的模擬試驗(yàn)要求。

在工程實(shí)踐中，往往通過(guò)調(diào)節(jié)緩沖墊的材料和厚度獲得良好的高沖擊寬脈沖激勵(lì)。沖擊脈寬的持續(xù)時(shí)間滿足[6]：

(3)

式中，τ是沖擊脈寬的持續(xù)時(shí)間，m是帶緩沖墊片的試件的質(zhì)量，M是碰撞桿的質(zhì)量，K是系統(tǒng)的剛度系數(shù)，E是緩沖材料的彈性模量，A是緩沖墊片的面積，l是緩沖墊片的厚度。

由式(3)可知，沖擊脈寬的持續(xù)時(shí)間只與碰撞材料及其結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，與碰撞速度無(wú)關(guān)。增加墊片厚度，可減小系統(tǒng)剛度，增加試件質(zhì)量，增加沖擊脈寬的持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)彈性墊沖擊特性[10]，沖擊加速度峰值為10 000g，沖擊持續(xù)時(shí)間在0.5～4 ms時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)低硬度高彈性橡膠墊片的厚度可調(diào)節(jié)沖擊脈寬的持續(xù)時(shí)間。

3 后坐沖擊加載過(guò)程仿真

某引信雙過(guò)載環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)要求后坐沖擊過(guò)載加速度幅值不小于10 000g，離心旋轉(zhuǎn)過(guò)載加速度幅值不小于1 000g，沖擊脈寬最大0.5 ms。由式(2)可以算出，碰撞前轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速v0=47.88 m/s,碰撞后試件的轉(zhuǎn)速v2=73.42 m/s。

利用LS-DYNA 軟件包模擬后坐沖擊加載過(guò)程，碰撞桿和試件均選用剛性體模型，緩沖材料選用橡膠模型，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料模型參數(shù)

轉(zhuǎn)盤初始轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，不加緩沖材料，碰撞后試件的后坐過(guò)載加速度和速度曲線如圖6所示。試件的后坐過(guò)載加速度幅值可達(dá)4萬(wàn)g，脈寬為0.225 ms，速度為73.4 m/s，對(duì)應(yīng)的離心過(guò)載加速度為999.55g。

圖6 n=1 000 r/min時(shí)試件的后坐過(guò)載響應(yīng)曲線Fig.6 The recoil response curves for n=1 000 r/min

轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1200 r/min，試件的后坐過(guò)載加速度和速度曲線如圖7所示。碰撞后試件的后坐過(guò)載加速度幅值可達(dá)5萬(wàn)g，脈寬為0.225 ms，速度為82.6 m/s，對(duì)應(yīng)的離心過(guò)載加速度為1 265.82g；10 mm厚的橡膠墊片緩沖后，試件的后坐過(guò)載加速度幅值可達(dá)1.98萬(wàn)g，脈寬為0.5 ms，速度為79.4 m/s，對(duì)應(yīng)的離心過(guò)載加速度為1 169.6g，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

從仿真結(jié)果可以看出，改變轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和緩沖材料的厚度可以調(diào)節(jié)離心過(guò)載加速度的幅值和后坐沖擊過(guò)載加速度的幅值及脈寬，以滿足不同引信的模擬試驗(yàn)要求。

圖7 n=1 200 r/min時(shí)試件的后坐過(guò)載響應(yīng)曲線Fig.7 The recoil response curves for n=1 200 r/min

4 結(jié)論

本文提出的引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)雙環(huán)境力加載模擬裝置，用飛輪儲(chǔ)能和高速碰撞的方式使試件瞬間加速，模擬后坐沖擊激勵(lì)加載過(guò)程；沖擊后的試件在圓周軌道上旋轉(zhuǎn)，模擬離心旋轉(zhuǎn)激勵(lì)加載過(guò)程。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和碰撞介質(zhì)，可以調(diào)整過(guò)載加速度的幅值和脈寬。試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置對(duì)引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)后坐沖擊過(guò)載達(dá)上萬(wàn)g、旋轉(zhuǎn)離心過(guò)載達(dá)上千g的雙環(huán)境力的連續(xù)加載模擬，為引信的安保系統(tǒng)解保試驗(yàn)提供了可能的實(shí)用化平臺(tái)。

[1]張合,李豪杰.引信機(jī)構(gòu)學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2014.

[2]吳建國(guó),李海波,張琪,等.綜合離心環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2014,41(1):1-9.

[3]馬杰,姚郁.一種新型動(dòng)態(tài)飛行過(guò)載模擬器及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分

析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(z2):112 -114.

[4]張艷兵,馬鐵華,祖靜,等．模擬導(dǎo)彈發(fā)射的空氣炮啟動(dòng)帶矢量轉(zhuǎn)臺(tái)離心機(jī)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2012,34(1):28-32.

[5]Liu Y X,Benjamin,Liaw.Drop-weight impact tests and finiteelement modeling of cast acrylic / aluminum plates[J].Polymer Testing, 2009,28 (8):808-823.

[6]Yang B, Tang L Q, Liu Y P,et al.Localized deformation in aluminium foam during middle speed Hopkinson bar impact tests[J].Materials Science and Engineering A-structral Materials Properties Microstructure and Processing,2013,56:734-743.

[7]Rakvag K G,Borvik T,Hopperstad O S. A numerical study on the deformation and fracture modes of steel projectiles during Taylor bar impact tests[J]. International Journal of Solds and Structures,2014, 51:808-821.

[8]齊杏林,楊清熙,文健,等.基于氣體炮的引信動(dòng)態(tài)模擬方法綜述[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2011,33 (4):1-4+10.

[9]錢海鷹,高汝明,王虹旋.引信液體儲(chǔ)備電池雙環(huán)境力模擬裝置仿真研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2013, 40(1):58-63.

[10]吳三靈,李科杰,張振海,等.強(qiáng)沖擊試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

ADoubleEnvironmentalForcesSimulatorofFuzeSafeandArmingSystem

ZHANG Yanbing1,2, WU Zhibo1,2, MA Tiehua1,2, ZHAO Xu3

(1. School of Computer Science and Control Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China;3. Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065,China)

Aimed at the problem of the continuous loading of the recoil and the spin environmental forces during a shell launching, which makes the load process difficult to be closely simulated, a double environmental forces simulator of fuze safe and arming system was designed. The techniques of storage flywheel, high speed impact and spin centrifugal incentive were applied to the simulator. By changing the speed of the turntable and the cushion materials, the amplitude and width of overload accelerations could be adjusted. The testing results showed that the amplitudes of the recoil overload acceleration and the spin overload acceleration were more than 10000g and 1000g, which could simulate the continuous loading of the double environmental forces of fuze safe and arming system.

fuze safe and arming system; double environmental forces; simulator; storage flywheel;high speed impact

2017-03-15

:國(guó)家部委資助項(xiàng)目(A32010)；重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目資助(C120401)。

:張艷兵(1973—)，男，山西臨猗人，博士研究生，副教授，研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能控制。E-mail:zhyb1126@163.com。

TJ434.2

：A

：1008-1194(2017)04-0022-04