鄭宏宇，相升海，陳 光，吳天翔，李 南，田 云

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.遼寧華興機(jī)電有限公司 研發(fā)中心，遼寧 錦州 121017)

近年來，準(zhǔn)流體延期解除保險機(jī)構(gòu)在國內(nèi)外引信產(chǎn)品中得到了較為廣泛的應(yīng)用，一些專家、學(xué)者對準(zhǔn)流體延期解除保險機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入研究[1-8].文獻(xiàn)[9]對準(zhǔn)流體延期解除保險機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計理論進(jìn)行系統(tǒng)研究，確定了影響引信準(zhǔn)流體延期解除保險距離的主要因素，即泄流孔徑、彈簧推力、離心力.文獻(xiàn)[10]采用均勻設(shè)計方法進(jìn)行試驗(yàn)，得出了準(zhǔn)流體延期解除保險機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方案.文獻(xiàn)[11-12]利用散體力學(xué)的分析方法對引信準(zhǔn)流體機(jī)構(gòu)設(shè)計理論進(jìn)行研究，提出了彈簧推力作用下準(zhǔn)流體側(cè)向流質(zhì)量流速公式. 本文針對某種準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)在生產(chǎn)和交驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)解保時間超差的問題，運(yùn)用因果分析法，確定泄流孔結(jié)構(gòu)是否影響準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)解保時間的主要因素.通過實(shí)驗(yàn)，研究泄流孔結(jié)構(gòu)尺寸對安全系統(tǒng)解保時間的影響，以總結(jié)準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)解保時間的規(guī)律性.

1 準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)交驗(yàn)存在的問題

本文研究的準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)是非旋轉(zhuǎn)式準(zhǔn)流體延期解除保險機(jī)構(gòu)，被用在某型號引信上.該型安全系統(tǒng)采用準(zhǔn)流體實(shí)現(xiàn)引信延期解除保險，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)(可用于高沖擊發(fā)射環(huán)境和碰靶前沖情況)、工作可靠、定時精度高、延時長、成本低的特點(diǎn)，屬于典型的引信延期解除保險定時器.但是該準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)在多年的生產(chǎn)和交驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)解保時間超差的問題.與之對應(yīng)的是同批次安全系統(tǒng)(500～1 000發(fā))全部拆分，對零(部)件進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，重新混合微徑玻璃珠(充當(dāng)準(zhǔn)流體)，并重新裝配成安全系統(tǒng)，然后重新提交部件驗(yàn)收，直到滿足交驗(yàn)合格率100%為止.這就嚴(yán)重延遲了產(chǎn)品交付的日期，增加了工時成本，同時也嚴(yán)重影響企業(yè)的質(zhì)量信譽(yù)和形象.可以說解決這一問題刻不容緩.

2 準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)解保時間超差問題的分析

將“準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)解保時間超差”作為需要解決的問題，把可能產(chǎn)生該問題的原因概括為5類，即人、機(jī)、料、法、環(huán).這里將5類原因及其相關(guān)因素分別以魚骨分布態(tài)勢展開為圖1形式.

圖1 解保時間超差原因的魚骨分布態(tài)勢

通過對每一類原因中各種可能因素的分析可確定，造成解保時間超差問題的主要原因是準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題.

3 準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)作用原理

本文研究的準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)主要由本體、慣性筒、閉鎖鋼絲、慣性筒簧、微徑玻璃珠、活塞、活塞簧、套環(huán)、分流塞、鋼球、滑塊、柱塞、保險銷、保險銷簧、滑塊簧等零(部)件組成(圖2).

(a) 慣性筒簧、活塞初始位置 (b) 活塞、滑塊初始位置

(c) 保險銷、滑塊裝配位置 (d) 解保后滑塊位置

1—本體 2—慣性筒 3—閉鎖鋼絲 4—慣性筒簧 5—微徑玻璃珠 6—活塞 7—活塞簧 8—套環(huán) 9—分流塞 10、13—鋼球 11—滑塊 12—柱塞 14—保險銷 15—保險銷簧 16—滑塊簧

圖2 準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)

彈丸發(fā)射時，慣性筒在后坐慣性過載作用下克服慣性筒簧的抗力，沿彈軸負(fù)方向運(yùn)動.當(dāng)慣性筒運(yùn)動到其上端面低于側(cè)壁上的泄流孔位置時，充當(dāng)準(zhǔn)流體的微徑玻璃珠從腔室內(nèi)開始流出(泄流).慣性筒繼續(xù)向彈軸負(fù)方向運(yùn)動，而活塞在活塞簧彈力的作用下向彈軸正方向運(yùn)動，同時為準(zhǔn)流體泄流提供動力.當(dāng)慣性筒運(yùn)動到其上端面低于閉鎖鋼絲位置時，閉鎖鋼絲復(fù)位，阻擋了慣性筒向彈軸正方向運(yùn)動的可能，從而為微徑玻璃珠泄流提供通路和空間，參見圖2(a).隨著活塞簧推動活塞排流，活塞一直向彈軸正方向運(yùn)動，直到其下端面高于鋼球側(cè)孔時，鋼球才被釋放，參見圖2 (b).此時，滑塊約束解除，滑塊在滑塊簧推力的作用下運(yùn)動，直至其另一端頂死在套環(huán)上，參見圖2 (d).與此同時，滑塊上的雷管正對傳火通道，傳爆序列對正.而此時保險銷在保險銷簧的推動下，向彈軸正方向運(yùn)動，將鋼球推向滑塊的側(cè)槽位置，參見圖2 (c).保險銷最終被保險銷簧頂死在柱塞上，保險銷側(cè)壁將鋼球頂死在滑塊的側(cè)槽中，使滑塊鎖死在解保位置，安全系統(tǒng)可靠解除保險.解保后滑塊位置參見圖2(d).

在安全系統(tǒng)解保過程中，可以將微徑玻璃珠從占位腔室內(nèi)流出(也叫泄流)的起始時刻定義為安全系統(tǒng)解保時間的計時起點(diǎn)，而將完成泄流且滑塊在滑塊簧推力作用下被頂死在極限位置(即解保位置)時刻定義為安全系統(tǒng)解保時間的計時終點(diǎn).計時終點(diǎn)與計時起點(diǎn)的差值即為安全系統(tǒng)解保時間.整個解保過程是由慣性筒爬行、準(zhǔn)流體泄流、滑塊滑動3個動作復(fù)合而成的.

圖3所示為影響準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)解保時間的因素分析圖.

圖3 影響準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)解保時間的因素分析圖

從圖3可以看出，影響慣性筒爬行的力有如下兩個：膛內(nèi)后坐過載引起的慣性力，筒壁與腔室之間的摩擦力.彈丸發(fā)射過載達(dá)20 000 g，為慣性筒爬行的原動力.與之對應(yīng)的摩擦力產(chǎn)生的反方向加速度可以忽略不計.通過計算可知，慣性筒爬行的時間約為0.316 2 μs.這一因素對安全系統(tǒng)解保時間的影響極其微小，可以忽略.而滑塊滑動時間的理論計算值和實(shí)測值均約為1 ms，對安全系統(tǒng)解保時間的影響不大，也可以忽略不計.因此，本文研究的重點(diǎn)將放在準(zhǔn)流體泄流的動作上.

4 泄流孔結(jié)構(gòu)對解保時間的影響

文獻(xiàn)[10-11]利用散體力學(xué)的分析方法對引信準(zhǔn)流體機(jī)構(gòu)設(shè)計理論進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究，得出了彈簧推力作用下準(zhǔn)流體側(cè)向流的質(zhì)量流速公式，即

(1)

式中：qm為顆?？卓诹鲃铀俾?g/s)；ρ為顆粒介質(zhì)密度(g/cm3)；ah取重力加速度g，其值為980 cm/s2；Dc為腔室內(nèi)徑(cm)；d為固體顆粒平均直徑(cm)；θ為顆粒休止角；K0為修正系數(shù)，通常取值為0.143 3，也可以由實(shí)驗(yàn)確定.

根據(jù)式(1),可考慮對腔室內(nèi)徑Dc進(jìn)行調(diào)整.而腔室內(nèi)徑的變化對準(zhǔn)流體側(cè)向流質(zhì)量流速的影響非常大，需要極精致的加工工藝來控制孔徑尺寸，在零件加工時很容易產(chǎn)生批量廢品，不符合工廠的成本、效率要求.

考慮水庫閘口(泄流口或泄流隧洞)的設(shè)計，對研究安全系統(tǒng)準(zhǔn)流體泄流是一種啟發(fā)[13].水庫泄流口的設(shè)計通常采用四壁方口的結(jié)構(gòu)形式，而且至少會有一壁為斜面.將這種斜面結(jié)構(gòu)設(shè)計引入準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)泄流孔口的設(shè)計，對泄流口部進(jìn)行斜面設(shè)計，在本體泄流孔口外側(cè)增設(shè)倒角，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以總結(jié)其規(guī)律.

圖4所示為泄流孔口外側(cè)無倒角的零件結(jié)構(gòu).

圖4 泄流孔口外側(cè)無倒角的零件結(jié)構(gòu)

將圖定零件裝配成20套安全系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行解保時間測試(圖5).在泄流孔口外側(cè)增設(shè)C0.2倒角后解保時間測試結(jié)果如表1所示.對應(yīng)于安全系統(tǒng)樣機(jī)的某型產(chǎn)品，驗(yàn)收規(guī)范中規(guī)定安全系統(tǒng)解保時間的合格范圍為90～200 ms.

(a) 安全系統(tǒng)裝入測試裝置

(b) 讀取安全系統(tǒng)解保時間

表1 增設(shè)C0.2倒角后解保時間測試結(jié)果 ms

從表1可以看出，在20套樣機(jī)中有3套解保時間超差，即不合格品率為15%.

對安全系統(tǒng)樣機(jī)的本體泄流孔進(jìn)行改造，在泄流孔外側(cè)增設(shè)C0.2倒角(圖6).在樣機(jī)編號不變的情況下，再次將每套零件組裝成安全系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)測試.測試結(jié)果顯示，改造后20套安全系統(tǒng)解保時間全部合格，沒有超差品(表1).

圖6 泄流孔口外側(cè)增設(shè)C0.2倒角的零件結(jié)構(gòu)

泄流孔口外側(cè)增設(shè)C0.2倒角改造前后，安全系統(tǒng)解保時間統(tǒng)計曲線如圖7所示.

圖7 增設(shè)C0.2前后安全系統(tǒng)解保時間統(tǒng)計曲線

從圖7可以看出，解保時間均值線由原來的m移動到了m′，向下移動約20 ms.

直線m對應(yīng)改制前20套安全系統(tǒng)樣機(jī)的平均解保時間，可表示為：

(2)

式中：ti表示第i套安全系統(tǒng)樣機(jī)的解保時間；n表示樣機(jī)總數(shù)，這里n=20.

直線m′對應(yīng)的是增設(shè)C0.2倒角后20套安全系統(tǒng)的平均解保時間，可表示為：

(3)

從安全系統(tǒng)解保時間曲線可看出，曲線變化趨勢接近于平移，向下移動了約20 ms.

試驗(yàn)結(jié)果表明，泄流孔的結(jié)構(gòu)是影響準(zhǔn)流體泄流速率的主要因素，通過對原有安全系統(tǒng)泄流孔結(jié)構(gòu)增設(shè)倒角，可以縮短安全系統(tǒng)的解保時間.

增大泄流孔口外側(cè)倒角是否會進(jìn)一步提高泄流速率，從而使安全系統(tǒng)的解保時間繼續(xù)縮短？可通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

首先將上述20套安全系統(tǒng)的本體取下，將泄流孔口外側(cè)倒角從C0.2擴(kuò)大到C0.3(圖8)；然后按照編號將相應(yīng)零件組裝成安全系統(tǒng)，進(jìn)行解保試驗(yàn)，并記錄測試結(jié)果(表2).

圖8 將倒角由C0.2擴(kuò)大到C0.3的零件結(jié)構(gòu)

表2 增設(shè)C0.3倒角后解保時間測試結(jié)果 ms

由表2可知，20套安全系統(tǒng)的解保時間無一發(fā)超差；將倒角增大到C0.3后，20套安全系統(tǒng)樣機(jī)的平均解保時間為165.45 ms，解保時間進(jìn)一步縮短，比本體解保時間平均縮短約30 ms.在泄流孔口外側(cè)增設(shè)C0.3倒角改造前后，安全系統(tǒng)解保時間統(tǒng)計曲線如圖9所示.

圖9 增設(shè)C0.3前后安全系統(tǒng)解保時間統(tǒng)計曲線

從圖9可以看出，解保時間均值線由原來的m移動到了m″，解保時間曲線接近于平移，向下移動了30 ms.

對多次試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，可得出通過改變泄流孔結(jié)構(gòu)(在孔口外側(cè)增設(shè)倒角)縮短解保時間的經(jīng)驗(yàn)公式：

t′=t·(1-c)

(4)

式中:t′為改變泄流孔結(jié)構(gòu)后安全系統(tǒng)的解保時間(ms)；t為泄流孔口外側(cè)無倒角情況下的解保時間(ms)；c為泄流孔結(jié)構(gòu)系數(shù).

經(jīng)驗(yàn)公式(4)的使用條件為：①適用于在量產(chǎn)前的摸底試驗(yàn)；②應(yīng)以抽取的既定樣件裝配安全系統(tǒng)，進(jìn)行測試并記錄結(jié)果，以得到公式中的t；③泄流孔結(jié)構(gòu)系數(shù)c需根據(jù)本批樣機(jī)在加工出倒角后的測試結(jié)果反推出來.

在實(shí)際生產(chǎn)中，因零件結(jié)構(gòu)具有既定性和一致性，且施工前試驗(yàn)又是工藝制定的必要環(huán)節(jié)，因此t與c是容易得到的.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(4)能夠指導(dǎo)和確定本體泄流孔加工的結(jié)構(gòu)尺寸，從而為事前評估零件加工和安全系統(tǒng)裝配后的性能指標(biāo)作出有意義的預(yù)判.

將上述研究應(yīng)用于指導(dǎo)后續(xù)10個批次約9萬發(fā)產(chǎn)品的零件加工和部件裝配、檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品一次交驗(yàn)合格率100%.

5 結(jié) 論

(1) 準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)解保時間與泄流孔口外側(cè)倒角大小成線性關(guān)系，通過在本體泄流孔口外側(cè)增設(shè)倒角，可以有效縮短準(zhǔn)流體安全系統(tǒng)的解保時間.

(2) 改進(jìn)后，產(chǎn)品能夠順利交付，表明該方法正確，采取的措施有效.