陳前昆

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

導(dǎo)彈發(fā)射過程出筒段在燃?xì)馔屏ψ饔孟卵匕l(fā)射筒軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)彈與發(fā)射筒之間需要橫向支撐。氣密環(huán)和減震墊作為橫向支撐方式的一種，相對(duì)于傳統(tǒng)的適配器支撐而言，能夠在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)不隨導(dǎo)彈出筒，可以徹底消除彈器分離對(duì)導(dǎo)彈齊射時(shí)造成的安全隱患[1-3]。作為新型發(fā)射裝置的重要組成部分，氣密環(huán)和減震墊在導(dǎo)彈發(fā)射過程中存在一定變形，其變形量的大小可衡量發(fā)射裝置氣密性，確定彈在筒內(nèi)的姿態(tài)，對(duì)保證導(dǎo)彈的正常發(fā)射具有較大的參考價(jià)值。

氣密環(huán)和減震墊的變形可通過其位移變化來衡量，國內(nèi)外在位移傳感器研制方面都有深入研究，開發(fā)出了眾多類型的位移傳感器[4-7]。然而，氣密環(huán)和減震墊為異型截面結(jié)構(gòu)，其所在工作環(huán)境非常狹小且復(fù)雜，現(xiàn)有的位移傳感器均不適應(yīng)這種環(huán)境。為有效獲取氣密環(huán)和減震墊在導(dǎo)彈發(fā)射過程中的動(dòng)態(tài)變形參數(shù)，掌握其變形規(guī)律，設(shè)計(jì)了一款新型結(jié)構(gòu)的位移傳感器，并對(duì)傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，開展了實(shí)際測試試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的傳感器適用于氣密環(huán)和減震墊的變形測試。從氣密環(huán)測試數(shù)據(jù)可以看出，在模型彈運(yùn)動(dòng)階段，氣密環(huán)不會(huì)發(fā)生翻邊，能夠保證發(fā)射氣密性；從減震墊傳感器變形量可以看出，模型彈中心線比較靠近第1 象限，在豎直方向上沒有發(fā)生明顯偏斜，其運(yùn)行中的位移變化可為模型彈運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力研究提供參考。

1 氣密環(huán)和減震墊介紹

氣密環(huán)和減震墊固定在發(fā)射筒內(nèi)壁，其結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 氣密環(huán)和減震墊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic drawing of seal ring and cushion

在導(dǎo)彈發(fā)射過程中，氣密環(huán)唇沿緊貼彈體，裝填狀態(tài)下，唇沿有一定壓縮，在彈出筒時(shí)，在彈體運(yùn)動(dòng)和燃?xì)庥绊懴?，氣密環(huán)唇沿會(huì)以較大的速度向上動(dòng)作，其位移變化大且速度較快。而減震墊主要承受彈體橫向載荷，受彈體運(yùn)動(dòng)和燃?xì)庥绊戄^小，其位移及速度變化較小。因此，在對(duì)氣密環(huán)位移傳感器設(shè)計(jì)過程中，需重點(diǎn)考慮傳感器的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，位移變形傳感器也只能安裝在筒內(nèi)部，不能對(duì)彈體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生任何影響，因此，比較理想的方法是將傳感器安裝在氣密環(huán)和減震墊下測，使其位于氣密環(huán)-減震墊與彈體之間的縫隙內(nèi)。

2 傳感器選型和設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

位移傳感器根據(jù)不同的測量原理可分為7 種類型：1）電位器式，又分為繞線電位器和非繞線電位器兩種；2）電阻應(yīng)變式；3）電容式；4）電感式，又可分為自感式和電渦流式；5）磁敏式，又可分為磁致伸縮扭轉(zhuǎn)波式、霍爾式、磁柵式和感應(yīng)同步器式；6）光電式，又分為激光式、光柵式和光纖式；7）超聲波式。各類傳感器性能對(duì)比見表1。

綜合以上對(duì)比，針對(duì)發(fā)射筒內(nèi)部特殊的安裝環(huán)境，從便于使用和安裝角度考慮，所有位移傳感器類型中只有基于電位器式的拉線位移傳感器較適用于發(fā)射筒內(nèi)部氣密環(huán)和減震墊的位移測量。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

拉線位移傳感器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由卷簧、輪轂、鋼絲繩和電位器組成，傳感器工作時(shí)，鋼絲繩與被測對(duì)象相連，被測對(duì)象動(dòng)作帶動(dòng)鋼絲繩拉出，輪轂隨鋼絲繩拉出而轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)電位器頭部圓軸旋轉(zhuǎn)，將鋼絲繩的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)，并經(jīng)電位器內(nèi)部線路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，從而測取被測對(duì)象的位移量。

2.2.1 傳感器數(shù)學(xué)模型

當(dāng)拉繩受力拉動(dòng)時(shí)，傳感器數(shù)學(xué)模型如下式：

表1 各類位移位移傳感器對(duì)比Tab.1 Comparison of various displacement sensors

式中：F 為輪轂所受合力；m 為輪轂質(zhì)量；a為輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)線加速度；x 為輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)線位移；Fk為彈簧力；Ff為阻尼力；F(t)為所受外力。

可以看出，傳感器是由質(zhì)量-彈簧-阻尼組成的典型的2 階測試系統(tǒng)。由2 階測量系統(tǒng)的頻率特性可知，為獲得一個(gè)理想的測量效果，應(yīng)使阻尼比 ξ＜1，且盡量增大固有頻率，即盡量增加 k 值，盡量減小質(zhì)量 m。因此，在傳感器設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在滿足各項(xiàng)條件的基礎(chǔ)上，選擇具有較大彈簧力的彈簧和質(zhì)量較輕的輪轂作為氣密環(huán)和減震墊位移傳感器組件[8-9]。

2.2.2 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣密環(huán)和減震墊傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

為避免傳感器的安裝對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射產(chǎn)生影響，將氣密環(huán)和減震墊位移傳感器安裝在被測對(duì)象下方，通過相應(yīng)的螺釘螺孔進(jìn)行固定，其具體安裝如圖3 所示。

2.3 傳感器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析

2.3.1 傳感器靜態(tài)特性分析

根據(jù)JJF 1 305-2011《線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》要求，拉線位移傳感器的靜態(tài)特性通常包括基本誤差、線性度、回程誤差、重復(fù)性等4 個(gè)參數(shù)[10-11]。

圖2 氣密環(huán)和減震墊位移傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The schematic drawing of displacement sensor for seal ring and cushion

圖3 氣密環(huán)和減震墊位移傳感器實(shí)際安裝圖Fig.3 Actual installation diagram of displacement sensor for seal ring and cushion

根據(jù)規(guī)范中的計(jì)算方法，氣密環(huán)位移傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)為：基本誤差0.18%，線性誤差0.10%，回程誤差0.03%，重復(fù)性誤差0.06%；減震墊位移傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)為：基本誤差0.41%，線性誤差為0.26%，回程誤差0.20%，重復(fù)性誤差0.14%。

由傳感器靜態(tài)特性參數(shù)結(jié)果看出，氣密環(huán)和減震墊拉線位移傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)分別符合0.2 級(jí)和0.5 級(jí)，2 種傳感器的精度能夠滿足對(duì)減震墊和氣密環(huán)位移變化的測量。

2.3.2 傳感器動(dòng)態(tài)特性分析

拉線式位移傳感器的動(dòng)態(tài)性能可通過測取傳感器對(duì)于加速度信號(hào)的響應(yīng)來衡量[9-10]。利用激振器輸出一定加速度的正弦信號(hào)，將拉繩位移傳感器拉繩與加速度傳感器相接，并將加速度傳感器安裝在激振器上，從而測取拉繩位移傳感器的輸出曲線，通過對(duì)比輸入和輸出曲線，分析傳感器對(duì)于不同加速度信號(hào)的響應(yīng)情況，確定對(duì)應(yīng)的加速度響應(yīng)的邊界值。試驗(yàn)過程示意圖如圖4 所示。

調(diào)整激振器的頻率和振幅以獲取不斷增加的加速度值，通過觀測傳感器的輸出曲線形態(tài)及與輸入正弦曲線同步的性，判斷傳感器的最大加速度響應(yīng)。當(dāng)輸入不同加速度信號(hào)時(shí)，傳感器輸出曲線如圖5 和圖6 所示。

可知，輸入的正弦加速度信號(hào)逐漸增加至43.2 g 時(shí)，傳感器位移曲線隨輸入曲線呈正弦變化，頻率一致；當(dāng)加速度達(dá)到44 g 時(shí)，位移曲線出現(xiàn)紊亂，正弦信號(hào)出現(xiàn)疊加干擾，表明在此加速度變化下，傳感器不能有效獲取被測位移信號(hào)，因此氣密環(huán)位移傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)加速度需小于44 g。而由模型彈體內(nèi)彈道數(shù)據(jù)可知，模型彈在發(fā)射筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其最大加速度小于41 g，因此所設(shè)計(jì)的位移傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度能夠滿足測試需求。

圖4 加速度響應(yīng)法試驗(yàn)過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of acceleration response method test process

圖5 加速度分別為25.1 g 和36.2 g 時(shí)，傳感器位移曲線圖Fig.5 Sensor displacement curve at accelerations of 25.1 g and 36.2 g

圖6 加速度分別為43.2 g 和44 g 時(shí)，傳感器位移曲線圖Fig.6 Sensor displacement curve at accelerations of 43.2 g and 44 g

3 傳感器應(yīng)用

在完成傳感器設(shè)計(jì)，通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析后，將氣密環(huán)和減震墊位移傳感器安裝于發(fā)射筒內(nèi)部，開展實(shí)測試驗(yàn)以驗(yàn)證傳感器的適用性。

3.1 測點(diǎn)布置

氣密環(huán)和減震墊動(dòng)態(tài)變形測點(diǎn)分別布置10 個(gè)和12 個(gè)，每圈氣密環(huán)和減震墊布置2 個(gè)測點(diǎn)，分別位于發(fā)射筒I、III 象限，測點(diǎn)命名從發(fā)射筒底部至頂部依次增大。例如，測點(diǎn)S11和T23，表示第1 圈氣密環(huán)的第I 象限測點(diǎn)和減震墊第2 圈的第III 象限測點(diǎn)。此外，在發(fā)射裝置筒壁上布置12 個(gè)壓力測點(diǎn)，壓力測點(diǎn)布置與氣密環(huán)測點(diǎn)依次交叉布置（壓力第1 圈測點(diǎn)P11和P13在氣密環(huán)位移傳感器測點(diǎn)S11和S13下方），通過壓力曲線的變化來判斷彈體離開某一圈氣密環(huán)的時(shí)間點(diǎn)，從而獲取對(duì)應(yīng)的氣密環(huán)位移，進(jìn)而判斷在此過程中氣密環(huán)的密封性。

3.2 測量方案

測量系統(tǒng)由位移傳感器、直流電源、測量電纜、穿艙接插件、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等組成。其測量原理圖如圖7 所示。

圖7 氣密環(huán)和減震墊位移測量原理圖Fig.7 Principle diagram of displacement measurement of seal ring and cushion

傳感器線纜采用粘結(jié)的方式貼敷在筒內(nèi)壁，其尾端通過穿艙接插件與數(shù)據(jù)采集儀相連，由控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集儀的程控采集。

3.3 測試結(jié)果

氣密環(huán)和減震墊位移傳感器測量結(jié)果如圖8～圖11所示。

由氣密環(huán)傳感器的測試結(jié)果可以看出，氣密環(huán)在初始階段，存在2～3 mm 的變形。由壓力測點(diǎn)數(shù)據(jù)上升點(diǎn)可以看出，在模擬彈逐次經(jīng)過氣密環(huán)時(shí)，氣密環(huán)的最大位移不超過9 mm，結(jié)合氣密環(huán)的實(shí)際尺寸，可以確定模型彈在與氣密環(huán)接觸過程中，氣密環(huán)不會(huì)發(fā)生翻邊，能夠保持穩(wěn)定的氣密性；而在模型彈離開氣密環(huán)后，受高壓燃?xì)夂蜌饷墉h(huán)慣性綜合作用影響，氣密環(huán)存在較大的位移變形。

模型彈在發(fā)射前后的位移變形量可以看出，安裝在發(fā)射筒第1 象限的減震墊位移變化量普遍大于第3 象限，說明裝填完成后，模型彈中心線比較靠近第1 象限，且在豎直方向上沒有發(fā)生較大偏斜。此外，傳感器在模型彈運(yùn)行中的位移變化可為模型彈運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力研究提供參考。

圖8 氣密環(huán)S11，S13，S21，S23 測點(diǎn)位移曲線Fig.8 Displacement curves of measuring points of seal rings S11，S13，S21 and S23

圖9 氣密環(huán)S31，S33，S41，S43 測點(diǎn)位移曲線Fig.9 Displacement curves of measuring points of seal rings S11，S13，S21 and S23

圖10 氣密環(huán)S51，S53 測點(diǎn)和減震墊T11～T23測點(diǎn)位移曲線Fig.10 Displacement curves of measuring points of seal rings S51，S53 and cushion T11 to T23

圖11 減震墊T31～T63 測點(diǎn)位移曲線Fig.11 Displacement curves of measuring points of cushion T31 to T63

4 結(jié) 語

針對(duì)氣密環(huán)和減震墊動(dòng)態(tài)變形的測試需求，設(shè)計(jì)一款新型結(jié)構(gòu)的拉線位移傳感器，并對(duì)傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，開展了實(shí)測試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）所設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)尺寸及安裝方式能夠應(yīng)用于氣密環(huán)和減震墊的位移測量，從傳感器靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析結(jié)果看，傳感器能夠獲得可靠的位移數(shù)據(jù)；

2）在模擬彈逐次經(jīng)過氣密環(huán)時(shí)，氣密環(huán)的最大位移不超過9 mm，可以確定模型彈在與氣密環(huán)接觸運(yùn)動(dòng)階段，氣密環(huán)不會(huì)發(fā)生翻邊等情況，能夠保持穩(wěn)定的氣密性；而在模型彈離開氣密環(huán)后，受高壓燃?xì)夂蜌饷墉h(huán)慣性綜合作用影響，氣密環(huán)存在較大的位移變形。

3）位于發(fā)射筒第1 象限的傳感器位移變化量普遍大于位于第3 象限的傳感器位移量，說明裝填完成后，模型彈中心線比較靠近第1 象限，在豎直方向上沒有發(fā)生較大偏斜，其運(yùn)行中的位移變化可為模型彈運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力研究提供參考。