吳曉軍， 方 帆

(1. 中北大學 信息商務學院， 山西 晉中 030600； 2. 先進制造技術山西省重點實驗室， 山西 太原 030051； 3. 中國人民解放軍63961部隊， 北京 100012)

0 引 言

在小口徑彈藥引信的設計中， 存在的最突出矛盾是引信作用性能要求高而引信設計體積小， 這種矛盾給小口徑引信設計尤其是隔爆機構和延期解除保險機構設計帶來了很大困難. 球轉子機構是一種典型的引信機構， 具有結構簡單、 體積小、 便于制造、 能緊湊地與引信其他機構結合設計在一起的優(yōu)點， 是小口徑引信比較理想的一種隔離機構[1].

但是球轉子機構自身運動提供的解除保險距離尚不滿足引信安全性能的要求， 在引信設計的工程實踐中， 需要另外設計延期解除保險裝置， 如無返回力矩鐘表延期解除保險、 準流體延期解除保險、 氣體延期解除保險、 易熔合金延期解除保險、 軟帶延期解除保險、 火藥延期解除保險等[2-9]. 內嵌式雙球轉子是對傳統球轉子的一種創(chuàng)新性改進， 具有結構緊湊的優(yōu)點， 是傳統延期解除保險裝置的一種有效補充.

文獻[1]提出了內嵌式雙球轉子的原理， 本文結合具體的工程應用背景進行了參數設計， 仿真分析及實驗驗證.

1 內嵌式雙球轉子裝置工作原理

靜止狀態(tài)時， 離心子嵌入在引信壁中， 并將球殼合件及球轉子鎖定在隔爆位置. 如圖 1 所示.

圖 1 內嵌式雙球轉子工作原理圖Fig.1 Schematic of embedded two-ball rotor

發(fā)射時， 在離心力作用下， 球殼合件受離心子的限制， 只能沿球殼合件上的導槽運動， 當運動到導槽較大的孔時， 離心子受離心力作用飛出， 解除了對球轉子的約束， 球轉子開始在離心力作用下轉正， 這時球轉子、 球殼合件、 雷管和擊針對正， 引信處于待發(fā)狀態(tài)， 運動過程如圖 2 所示.

圖 2 運動過程圖Fig.2 Exercise diagram

內嵌式雙球轉子的受力與傳統的球轉子類似， 限于篇幅， 本文就不展開分析了.

2 內嵌式雙球轉子裝置動力學仿真

2.1 仿真參數設置

內嵌式雙球轉子裝置選用了典型的內彈道參數， 具體為： 平均最大膛壓≤320 MPa； 炮口初速1 050 m/s； 炮口角速度56 000 r/min； 最大后坐過載系數k1與最大爬行力系數k3分別為 132 000 和913； 常溫下彈丸在膛內運動時間 0.004 s.

在后效期終了時， 可近似地認為彈丸已飛離炮口約38倍口徑的距離， 此時彈丸的速度比炮口初速增加約3%， 所以在后效期內彈丸的平均速度為1.015Vg. 因此， 整個后效期內嵌式雙球轉子裝置所經歷的時間為

式中：th為后效時間；D為口徑；Vg為炮口初速.

通過結構方案設計初步確定球殼、 球轉子及離心子等關鍵零部件的質量、 質心位置和轉動慣量如表 1 所示.

表 1 內嵌式雙球轉子裝置質量、 質心位置及轉動慣量

2.2 仿真結果

彈丸飛至后效期后所受爬行力由爬行過載系數k3值確定， 并近似認為內嵌式雙球轉子裝置中球轉子轉正之前爬行力恒定. 球殼與離心子的彈道環(huán)境力由膛壓曲線和后效期彈底壓力表初步確定， 如圖 3 和圖 4 所示. 由設計原理可知球轉子的啟動期一定在彈丸后效期以后， 因此可近似設定球轉子只受爬行力的作用， 如圖 5 所示.

彈丸旋轉速度在膛內近似線性增加， 在炮口處達到最大值wg， 且近似認為出炮口后至球轉子轉正這段時間內彈丸轉速維持恒定， 仿真結果如圖 6 所示.

圖 3 球殼所受彈道環(huán)境力Fig.3 The trajectory environment force on the ball shell

圖 4 離心子所受彈道環(huán)境力Fig.4 The trajectory environment force on the centrifugal

圖 5 球轉子所受爬行力Fig.5 The crawling force on the ball rotor

根據設計要求， 設定當彈丸在膛內轉速達到炮口最大轉速的一半時， 球殼上的C型簧(離心保險)解除保險. 因此由圖 6 可知， 在0.002 s時球殼解除離心保險時存在一小范圍的波動， 但由于同時受到膛內較大的后坐環(huán)境力作用， 此時球殼無法轉動， 因此仍處于靜止狀態(tài). 在0.004 6 s時球殼開始轉動， 在0.024 7 s時球殼基本轉正， 此時離心子解除對球轉子的約束， 球轉子開始轉動， 至 0.029 s 時轉正到位. 考慮到雷管與導爆藥搭邊時就有引爆導爆藥的可能， 按θ=30°的時間作為解除保險的時間， 此時t=0.026 1 s.

圖 6 球殼及球轉子的轉正過程Fig.6 The process of the ball shell and ball rotor’s turning positive

由此可見， 內嵌式雙球轉子裝置的延期解除保險距離包括球殼轉正時間和球轉子轉正兩部分時間所得到的距離， 其中通過設置導向槽大大降低了球殼的角速度， 提高了延期解除保險的時間. 內嵌式雙球轉子解除保險機構延期解除保險距離主要由球殼的運動所決定. 由圖6可得球轉子的轉正時間為0.022 1 s.

最終內嵌式雙球轉子獲得的延期保險距離為

L=V0t=1 050×0.022 1=23.205 (m),

式中：V0為彈丸初速， m/s；L為內嵌式雙球轉子獲得的延期解除保險距離， m.

由仿真結果可知， 內嵌式雙球轉子裝置的延期解除保險距離可以滿足20 m的指標要求.

3 模擬實驗及分析

為了驗證仿真結果的正確性， 設計了相關的實驗方案. 實驗原理： 利用離心機來模擬旋轉， 將試驗測試裝置連接于離心機轉軸， 光信號采集電路安裝至測試裝置正上方， 通過光路的通斷， 顯示讀取計時信號， 確定球殼和球轉子的轉正時間. 試驗樣機和測試裝置裝配體如圖 7， 圖 8 所示.

在10 000 r/min的轉速下進行多次試驗， 內嵌式雙球轉子機構都可以可靠解除保險， 利用光電測試裝置， 完成對內嵌式雙球轉子機構延期解除保險時間的測試， 其中典型測試結果如圖 9 所示.

圖 7 離心試驗后轉正的內嵌式雙球轉子Fig.7 The embedded double ball rotor turning positive after centrifugal test

圖 8 實驗裝置安裝示意圖Fig.8 Experimental installation diagram

圖 9 10 000 r/min測試結果Fig.9 The test result of 10 000 r/min

圖 9 中第一個高電平表示內嵌式雙球轉子機構處于隔爆狀態(tài)； 第一個下降沿對應球殼啟動時刻， 第一段低電平對應球殼的轉正過程； 第一個上升沿對應球殼轉正定位銷退出時刻， 解除對球轉子的約束后， 球轉子的轉正過程對應第二段高電平； 第二個下降沿對應球轉子轉正時刻， 內嵌式雙球轉子機構解除保險， 對應最后的低電平狀態(tài). 由圖9可知， 球殼轉正時間為2.684 s， 球轉子轉正時間為0.082 s. 采用上文所述典型的外彈道參數， 經外推計算， 內嵌式雙球轉子延期解除保險裝置可以滿足20 m延期解除保險距離的要求， 驗證了仿真計算的合理性.

4 結 論

本文研究了內嵌式雙球轉子延期解除保險的原理， 完成了關鍵參數的設計， 并應用相關的仿真軟件進行了仿真. 仿真結果表明： 在典型的彈道環(huán)境下， 內嵌式雙球轉子延期解除保險裝置的延期解除保險距離大于20 m. 本文還設計了相關實驗， 實驗結果說明內嵌式雙球轉子延期解除保險裝置的延期解除保險距離滿足引信安全設計準則的要求.

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