耿萬鈞,孫興昀，嚴(yán) 楠

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

0 引言

安全保險機(jī)構(gòu)是引信安全系統(tǒng)的重要組成部分[1]，目前公開的用于小口徑彈藥引信的小尺寸安全保險機(jī)構(gòu)基本上都是利用彈藥發(fā)射后的旋轉(zhuǎn)離心力或后坐過載激勵來實(shí)現(xiàn)解除保險[2-6]，但是不同類型的小口徑彈藥的發(fā)射環(huán)境相差很大[7]，所以依靠環(huán)境力實(shí)現(xiàn)解鎖的安全保險機(jī)構(gòu)具有一定的局限性。

通過結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)，火工滑塊作動器可直接作為小口徑彈藥引信的安全保險機(jī)構(gòu)[8-10]，但是文獻(xiàn)[8-10]介紹的滑塊作動器(見圖1)沒有滑塊解鎖后的鎖定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能保證解除保險的可靠性。本文針對此問題，提出了不依靠彈藥的發(fā)射環(huán)境力實(shí)現(xiàn)解鎖的滑塊作動器。

圖1 LAAS-CNRS設(shè)計(jì)的安全保險機(jī)構(gòu)Fig.1 Safety and arming device of LAAS-CNRS’ design

1 滑塊作動器工作原理

滑塊作動器由發(fā)火元件、發(fā)火藥、頂蓋、滑塊和底座等部分組成，如圖2所示，整體尺寸為18 mm×10 mm×4 mm。

圖2 滑塊作動器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of slideractuator

工作原理如下：作用前(見圖3)，滑塊處于安全位置，微型雷管與受主裝藥被滑塊隔斷，可以防止微型雷管意外點(diǎn)火引起彈藥意外爆炸；彈藥發(fā)射后，適當(dāng)時機(jī)，發(fā)火元件點(diǎn)燃發(fā)火藥，發(fā)火藥氣體產(chǎn)物推動滑塊運(yùn)動到解除保險位置，滑塊上的傳爆孔位于微型雷管和受主裝藥之間傳爆序列上下對正(見圖4)。

圖3 滑塊作動器作動前Fig.3 Before the action of slide actuator

圖4 滑塊作動器作動后Fig.4 After the action of slide actuator

2 安全解除保險功能設(shè)計(jì)

滑塊作動器作為引信的安全保險機(jī)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)限制滑塊在安全狀態(tài)時移動以及解除保險狀態(tài)時退回的結(jié)構(gòu)，可分別稱之為止推、止退結(jié)構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)的滑塊作動器的止推、止退結(jié)構(gòu)為過盈配合結(jié)構(gòu)，如圖5所示。作用前，過盈結(jié)構(gòu)可將滑塊鎖定在安全位置；作用后，氣體產(chǎn)物對滑塊的推力大于過盈配合結(jié)構(gòu)的摩擦力時，滑塊會發(fā)生壓縮變形“擠入”滑槽的過盈結(jié)構(gòu)部分；滑動運(yùn)動到位后，過盈配合結(jié)構(gòu)的摩擦阻力可以防止滑塊退回到安全位置。

圖5 滑塊作動器的過盈配合結(jié)構(gòu)Fig.5 Interference structure of slider actuator

根據(jù)彈藥使用要求，可增加設(shè)計(jì)一道與文獻(xiàn)[8-10]類似的后座保險鎖(圖1中的慣性銷)，即一個帶有彈簧的圓柱銷。當(dāng)滑塊位于保險位置時，圓柱銷在彈簧作用下插入到滑塊的傳爆孔中，將滑塊鎖定；彈藥發(fā)射時，圓柱銷受到后坐力壓縮彈簧退出滑塊傳爆孔，此時滑塊只受到過盈結(jié)構(gòu)限制。

3 理論及仿真分析

3.1 止推摩擦阻力理論分析

滑塊的上下面與頂蓋和底座設(shè)計(jì)為間隙配合，因此可以將滑塊運(yùn)動過程中的阻力簡化為滑塊兩側(cè)壁所受底座側(cè)壁過盈配合部分的摩擦力?；瑝K整體尺寸相對較小、材料剛度相對較大，過盈量較小，滑塊運(yùn)動時變形較小，所以可以將滑塊與底座側(cè)壁接觸面受力簡化近似為均勻的平面接觸摩擦力[12]。設(shè)L為滑塊寬度，l為過盈區(qū)域的變形量，F(xiàn)為過盈配合接觸面的接觸壓力，S為接觸面積，μ為摩擦系數(shù)，則滑塊在過盈配合區(qū)域滑動時受到的摩擦力Ff為：

Ff=F×S×μ

(1)

利用廣義胡克定律可以將上式推導(dǎo)為[12]：

(2)

式(2)中，E為材料的彈性模量。

由式(2)可知在滑塊整體寬度不變的條件下，滑塊受到的摩擦力與接觸面積S以及滑塊“擠進(jìn)”過盈結(jié)構(gòu)的壓縮變形量l成正比。

裝藥量越大，滑塊運(yùn)動到位的可靠性越高；裝藥量越少，其發(fā)火藥燃燒對引信系統(tǒng)其他組件的影響就會越小，所以在保證可靠作用前提下，應(yīng)盡量降低裝藥量。結(jié)合滑塊作動器的作用原理可知，滑塊受到的止推摩擦力越小，滑塊可靠作用所需的裝藥量就越??；由上述理論分析可知，在材料、過盈尺寸設(shè)計(jì)以及滑塊整體尺寸相同條件下，滑塊與過盈結(jié)構(gòu)接觸面積以及過盈區(qū)域的變形量越小，其受到的止推摩擦阻力也就越小。

結(jié)合上述分析，提出一種改進(jìn)的滑塊結(jié)構(gòu)，削去滑塊中間部分材料，在滑塊與底座滑槽側(cè)壁的臺階結(jié)構(gòu)接觸部分形成兩個擋臂，改進(jìn)后的滑塊結(jié)構(gòu)見圖6。圖5、圖6所示的滑塊可分別稱為平板式滑塊和擋臂式滑塊。

圖6 優(yōu)化后的滑塊結(jié)構(gòu)Fig.6 Improved slider structure

擋臂式滑塊在擠進(jìn)滑槽的過盈配合結(jié)構(gòu)過程中，與滑槽側(cè)壁產(chǎn)生擠壓和摩擦作用就只有這兩個擋臂部分，與過盈結(jié)構(gòu)接觸的面積遠(yuǎn)小于平板式滑塊；另外，類似懸臂梁的擋臂在滑塊滑動時會發(fā)生彎曲變形，有助于減小滑塊和滑槽側(cè)壁的擠壓力，同樣會降低滑塊與滑槽之間的摩擦力。

3.2 數(shù)值仿真分析

過盈問題屬于邊界條件高度非線性的復(fù)雜接觸問題，滑塊運(yùn)動過程的真實(shí)受力環(huán)境復(fù)雜，直接理論計(jì)算得到過盈結(jié)構(gòu)的摩擦力非常困難[13]。因此，借助有限元仿真軟件ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行分析計(jì)算。

考慮到模型的對稱性，建立滑槽和滑塊的1/2簡化模型，如圖7所示?；瑝K厚度為1 mm、最大寬度為4 mm，兩種模型的過盈結(jié)構(gòu)位置相同，過盈量均為0.05 mm(即滑槽臺階結(jié)構(gòu)的高度為0.05 mm)，滑塊運(yùn)動到解除保險位置的距離同為2.5 mm；擋臂式滑塊的擋臂的臂長為1.0 mm，臂寬為0.7 mm，模型的材料均為2A12鋁合金，參數(shù)見表1[14]。

圖7 滑塊作動器有限元模型Fig.7 Finite element model of slideractuator

表1 仿真模型基本參數(shù)

在滑塊靠近裝藥的一側(cè)施加恒定推力載荷，計(jì)算滑塊能夠滑到解保險位置時候臨界推力值，該臨界推力值可約等于滑塊作動器的止推摩擦力。

3.2.1平板式滑塊

平板式滑塊作動器仿真計(jì)算過程見圖8，在后處理過程中，分別觀察滑塊運(yùn)動到位后滑槽(圖9左)和滑塊(圖9右)的變形情況。

圖8 平板式滑塊作動器仿真計(jì)算過程Fig.8 Simulation calculation process of plate type slider actuator

圖9 滑槽和平板式滑塊的變形情況Fig.9 Deformation of chute and plate type slider

通過平板式滑塊作動器仿真計(jì)算可以看出，應(yīng)力集中在滑塊與底座滑槽側(cè)壁的接觸處，最大應(yīng)力始終在滑塊與滑槽過盈結(jié)構(gòu)最初的接觸部位，滑塊運(yùn)動的阻力就來自于滑槽過盈結(jié)構(gòu)的摩擦作用，在滑塊運(yùn)動到位后，整個滑塊與底座的接觸部分產(chǎn)生擠壓變形，滑槽上與滑塊最先作用的部分變形最明顯。

在滑槽的過盈結(jié)構(gòu)上取1個有限元單元，獲取此有限元單元沿滑槽和滑塊摩擦面法線方向的位移，見圖10，此位移量可以表征過盈結(jié)構(gòu)的變形量。

圖10 平板式滑塊作動器過盈結(jié)構(gòu)變形量Fig.10 Deformation amount of plate type slider actuator’s interference structure

通過仿真計(jì)算得到平板式滑塊作動器的過盈結(jié)構(gòu)變形量約為0.036 mm，止推摩擦力約為230 N。

3.2.2擋臂式滑塊

擋臂式滑塊作動器仿真計(jì)算過程見圖11。用相同的方法分別觀察分析擋臂式滑塊作動器的滑槽和滑塊，見圖12。在相同的位置選取1個有限元單元獲取其沿滑槽和滑塊摩擦面法線方向的位移，見圖13。

圖11 擋臂式滑塊作動器仿真計(jì)算過程Fig.11 Simulation calculation process ofarm block type slider actuator

圖12 滑槽和擋臂式滑塊的變形情況Fig.12 Deformation of chute and arm block type slider

圖13 擋臂式滑塊作動器過盈結(jié)構(gòu)變形量Fig.13 Deformation amount of arm block type slider actuator’s interference structure

從擋臂式滑塊作動器仿真過程可以看出：應(yīng)力集中在滑塊擋臂與底座滑槽側(cè)壁的接觸處，滑槽與滑塊的擋臂發(fā)生過擠壓的區(qū)域發(fā)生了塑性變形，無法恢復(fù)原始形狀；擋臂式滑塊運(yùn)動過程中，擋臂的根部會出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，擋臂會產(chǎn)生類似懸臂梁的彎曲變形，這與前文的分析結(jié)果一致。

通過仿真計(jì)算得到擋臂式滑塊作動器的過盈結(jié)構(gòu)變形量約為0.016 mm，止推摩擦力約為55 N。

3.2.3結(jié)果分析

1) 過盈量為0.05 mm條件下，平板式滑塊的止推摩擦力達(dá)到230 N，而擋臂式滑塊的止推摩擦力只有55 N，說明平板式滑塊的改進(jìn)設(shè)計(jì)為擋臂式滑塊能夠有效降低止推摩擦力，進(jìn)而可以降低臨界裝藥量。

2) 平板式滑塊的過盈結(jié)構(gòu)變形量為0.036 mm，擋臂式滑塊的變形量為0.016 mm，擋臂從根部向與滑塊移動方向相反的方向彎曲，說明擋臂式滑塊可有效降低止推摩擦力的原因一方面為摩擦接觸面積減小，另一方面為通過擋臂彎曲減小過盈區(qū)域變形量。

3) 滑塊與滑槽過盈結(jié)構(gòu)在滑塊移動到解除保險位置時仍然有擠壓變形現(xiàn)象，說明運(yùn)動到位的滑塊與滑槽之間存在摩擦阻力，可以將滑塊鎖定在解除保險位置。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

4.1 止推止退摩擦力實(shí)驗(yàn)

按照仿真計(jì)算中模型的結(jié)構(gòu)尺寸，加工簡化結(jié)構(gòu)的滑塊作動器，利用高精度伺服壓力機(jī)對沖頭施加緩慢增加的推力，通過記錄分析壓機(jī)施加的壓力曲線確定滑塊和滑槽過盈結(jié)構(gòu)之間的摩擦阻力，實(shí)驗(yàn)裝置見圖14，實(shí)驗(yàn)后的滑塊見圖15，結(jié)果見表2。

表2 止推摩擦力和止退摩擦力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖14 摩擦力實(shí)驗(yàn)裝置Fig.14 Friction test device

圖15 實(shí)驗(yàn)后滑塊變形情況對比Fig.15 Comparison between the deformation of the slider after the experiment

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 過盈量為0.05 mm條件下，平板式滑塊的止推摩擦力均值為209 N，擋臂式滑塊的止推摩擦力均值為50 N，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真的結(jié)果比較一致。

2) 平板式滑塊的止退摩擦力均值為60 N，擋臂式滑塊的止退摩擦力均值為18 N，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算得到的過盈結(jié)構(gòu)變形量結(jié)果相印證，變形量越小摩擦力越小，同時說明過盈結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)止退功能。

3) 實(shí)驗(yàn)后滑塊的變形情況與仿真計(jì)算結(jié)果相仿，滑塊的擠壓變形以及擋臂的彎曲變形均較為一致。

4.2 樣機(jī)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對完整結(jié)構(gòu)的平板式滑塊和擋臂式滑塊的樣機(jī)做了臨界裝藥量的實(shí)驗(yàn)，參試產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸和仿真計(jì)算模型相同，產(chǎn)品所裝藥劑為斯蒂芬酸鉛，采用橋絲點(diǎn)火，實(shí)驗(yàn)樣品見圖16。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，滑塊完全移動到解除保險位置即判定為成功。

表3 樣機(jī)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16 滑塊作動器實(shí)物圖Fig.16 Slider actuator

圖17為實(shí)驗(yàn)后的滑塊作動器，其中左圖為滑塊移動到解保險位置的滑塊作動器，右圖為滑塊未成功移動到解保險位置的滑塊作動器。從圖中可以看到：滑塊運(yùn)動到位后，滑塊上的傳爆孔和底座的受主裝藥對正，滑塊未運(yùn)動到位時，滑塊依然隔斷爆轟通道。

圖17 實(shí)驗(yàn)后的滑塊作動器Fig.17 Slider actuator after experiment

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：過盈量為0.05 mm條件下，平板式滑塊設(shè)計(jì)的臨界裝藥量大于擋臂式滑塊設(shè)計(jì)；裝藥量2.5 mg以上時，擋臂式滑塊設(shè)計(jì)的滑塊作動器能夠?qū)崿F(xiàn)安全與解除保險功能。

5 結(jié)論

本文提出了不依靠彈藥發(fā)射的離心力實(shí)現(xiàn)解鎖功能的小口徑彈藥引信用滑塊作動器。該滑塊作動器主要利用過盈配合結(jié)構(gòu)保證彈藥勤務(wù)處理時引信的安全狀態(tài)和彈藥發(fā)射后引信的可靠解除保險狀態(tài)，同時可以根據(jù)需要增加后座保險鎖。數(shù)值仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，滑塊作動器原理可行，能夠?qū)崿F(xiàn)安全與解除保險的功能，為小口徑彈藥引信的安全保險機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。