周守鋒，王念魯，馬 楠，許 彬

(1.西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)第四軍代室，陜西 西安 710032)

0 引言

無返回力矩鐘表機構(gòu)在引信上的應(yīng)用可以追溯到半個多世紀(jì)以前，早在二戰(zhàn)期間，德國就在引信上設(shè)計了塔瓦羅式無返回力矩調(diào)速器，作為機械式延期解除保險機構(gòu)。由于無返回力矩鐘表機構(gòu)具有延遲時間的特性，絕大多數(shù)導(dǎo)彈和火箭彈引信的安全系統(tǒng)均采用這種機構(gòu)解決勤務(wù)處理安全性和發(fā)射時可靠解除保險的矛盾[1]。無返回力矩鐘表機構(gòu)作為一種延期解除保險機構(gòu)，具有抗干擾能力強，能夠適應(yīng)較為惡劣的外界環(huán)境，作用可靠等諸多優(yōu)點，因此在導(dǎo)彈、火箭彈引信中被廣泛應(yīng)用[2-3]。導(dǎo)彈及火箭彈引信常采用以發(fā)動機過載作為原動力的無返回力矩鐘表保險機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要由慣性塊、保險板、鐘表裝置部件、驅(qū)動板部件等組成；結(jié)構(gòu)形式通常是由慣性塊約束驅(qū)動板部件，驅(qū)動板約束保險板部件，保險板部件再約束住保險銷鎖定水平轉(zhuǎn)子處于保險位置。此種結(jié)構(gòu)在溫度等非力學(xué)環(huán)境試驗后都能可靠工作，但是在經(jīng)歷振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境試驗后卻有可能出現(xiàn)引信不能可靠解除保險的問題。文獻(xiàn)[4]對雙滑塊驅(qū)動無返回力矩鐘表機構(gòu)進行了理論分析，在VisualNastran軟件環(huán)境下進行了該機構(gòu)參數(shù)最佳匹配規(guī)律研究，采用正交試驗和仿真研究該機構(gòu)中雙滑塊質(zhì)量參數(shù)最佳匹配、拉簧剛度和慣性簧剛度參數(shù)最佳匹配，解決在跌落、震動等沖擊時鐘表機構(gòu)齒輪易折斷的問題，與本文討論的現(xiàn)象不一致。文獻(xiàn)[5]對齒輪齒條類型的鐘表機構(gòu)因振動后產(chǎn)生磨損導(dǎo)致不解保的問題進行過研究，作者通過改善齒條正弦振動響應(yīng)頻率降低磨損以提高保險機構(gòu)抗振動性能，但其與本文討論的鐘表機構(gòu)類型不同，問題原因也不同，方法不能直接借鑒。文獻(xiàn)[6]對使用相同類型鐘表機構(gòu)的引信在振動試驗后不能解保的問題進行了分析，提出了用于克服振動危害的滑塊小鉤結(jié)構(gòu)，該方法消除了驅(qū)動板部件與慣性塊側(cè)面的摩擦損傷。由于文獻(xiàn)[6]所采用保險機構(gòu)的支撐簧設(shè)計抗力較高，其在振動試驗過程中，支撐簧抗力能夠克服慣性力以及驅(qū)動板壓力將慣性塊抵靠在蓋板上，從而在慣性塊與導(dǎo)向柱之間未出現(xiàn)磨損情況。但彈道環(huán)境發(fā)生變化，發(fā)射主動段過載減小，保險機構(gòu)慣性解保閾值降低時，慣性塊支撐簧設(shè)計抗力相對較弱，在振動過程中，慣性塊會在慣性力以及驅(qū)動板壓力的作用下上下滑動，從而導(dǎo)致慣性塊與導(dǎo)向柱之間產(chǎn)生摩擦損傷。為此，本文提出了采用具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動板，提高鐘表保險機構(gòu)抗振動性能。

1 傳統(tǒng)鐘表保險機構(gòu)及改進后的慣性塊小鉤結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)鐘表保險機構(gòu)工作過程

如圖1所示，發(fā)射后，慣性塊感受彈主動段過載并克服支撐彈簧的抗力下滑，同時解除對驅(qū)動板部件的約束，驅(qū)動板部件在過載及保險板扭簧抗力作用下開始繞軸旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)過鐘表裝置的延時后釋放保險板，保險板是一個D型軸結(jié)構(gòu)，當(dāng)它轉(zhuǎn)動到豎直位置后釋放保險銷，并最終解除引信的慣性保險。

從工作過程可以看出，這是一個串聯(lián)的動作過程，受力也是依次傳遞，如圖2所示。保險板部件在扭簧力矩M1的作用下繞O1旋轉(zhuǎn),被驅(qū)動板部件擋住,并壓在驅(qū)動板部件上的A點,驅(qū)動板部件受到保險板部件的壓力N1后繞O2旋轉(zhuǎn),又壓在慣性塊的側(cè)面B點上,并最終達(dá)到力平衡。

圖1 傳統(tǒng)鐘表保險機構(gòu)Fig.1 Conventional clockwork arming device

圖2 傳統(tǒng)鐘表保險機構(gòu)受力關(guān)系圖Fig.2 Conventional clockwork arming device force diagram

1.2 慣性塊小鉤結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[2]針對上述結(jié)構(gòu)的鐘表保險機構(gòu)振動試驗后不能可靠解除保險的問題進行過分析。圖2中，傳統(tǒng)鐘表保險機構(gòu)驅(qū)動板部件的釋放銷壓在慣性塊的側(cè)面B點位置，振動試驗后在慣性塊的表面B點處形成摩擦損傷，使摩擦系數(shù)增大,造成慣性塊沿導(dǎo)向柱向下運動的摩擦力增大,最終導(dǎo)致機構(gòu)不解除保險。

為此提出的解決辦法是給慣性塊底部側(cè)下方增加一個小鉤，如圖3所示。在保險位置利用小鉤將驅(qū)動板部件的釋放銷鉤起，使釋放銷與慣性塊側(cè)面脫離接觸，消除釋放銷與慣性塊側(cè)面的摩擦。受力圖見圖4，慣性塊增加小鉤后，驅(qū)動板部件的釋放銷壓在慣性塊的小鉤上，慣性塊受力由原來的水平方向變成了豎直方向，作用點也由慣性塊的側(cè)面B點變成了小鉤上的C點。改變了受力點以后，磨損的位置也由B點變到C點，而在C點形成的摩擦損傷并不影響慣性塊的上下運動，也就不影響機構(gòu)解除保險。

當(dāng)彈道環(huán)境發(fā)生變化，發(fā)射主動段過載減小，保險機構(gòu)慣性解保閾值降低，慣性塊的支撐彈簧抗力進一步減小時，采用文獻(xiàn)[2]提出的改進方法在引信振動試驗后卻出現(xiàn)了新的零件磨損的情況，慣性塊與導(dǎo)向柱之間產(chǎn)生了新的摩擦損傷，導(dǎo)致慣性保險不能可靠解除，因此需要采用新的改進方法。

圖3 增加小鉤的慣性快Fig.3 Inertia block with small hook

圖4 小鉤結(jié)構(gòu)慣性快受力圖Fig.4 Inertia block with small hook force diagram

2 弧形槽結(jié)構(gòu)驅(qū)動板

針對上述問題，本文提出采用具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動板來改變慣性塊的受力，改善零件之間的磨損情況，解決慣性保險不能可靠解除的問題。

改進后的鐘表保險機構(gòu)如圖5所示。在驅(qū)動板上增加一個與轉(zhuǎn)軸同心的弧形槽，保險板改短并在端部橫向伸出一個擋銷，引信保險狀態(tài)時擋銷抵靠在弧形槽內(nèi)側(cè)，保險板部件受扭簧逆時針方向旋轉(zhuǎn)的力矩通過擋銷最終作用在弧形槽內(nèi)側(cè)。

圖5 改進后的鐘表保險機構(gòu)Fig.5 Improved clockwork arming device

改進后的鐘表保險機構(gòu)受力圖見圖6。保險板扭簧的力矩M1通過擋銷作用在驅(qū)動板部件弧形槽的A點上，該作用力N1方向沿弧形槽圓弧半徑方向向外，由于這個力的作用方向通過驅(qū)動板部件的旋轉(zhuǎn)中心，故不會對驅(qū)動板部件產(chǎn)生附加的力矩，驅(qū)動板部件沒有了轉(zhuǎn)動力矩就和慣性塊之間脫離了接觸，消除了相互作用的力，使慣性塊處在一個較自由的狀態(tài)，有利于減小振動磨損。同時，驅(qū)動板部件沒有了附加力矩，僅在慣性力的作用下才能轉(zhuǎn)動，而且與保險板部件的相互抵靠又增加了驅(qū)動板運動的阻尼，使驅(qū)動板部件對跌落、沖擊等瞬時過載環(huán)境更加不敏感，有利于提高引信勤務(wù)處理中的安全性。

圖6 改進后的鐘表保險機構(gòu)受力關(guān)系圖Fig.6 Improved clockwork arming device force diagram

3 理論分析及試驗驗證

3.1 理論分析

通過分解試驗后不解保的保險機構(gòu)，檢查發(fā)現(xiàn)，慣性塊與導(dǎo)向柱配合面上有嚴(yán)重的摩擦損傷，零件表面鍍層已經(jīng)破壞，如圖7所示。分析認(rèn)為正是這些磨損增大了慣性塊滑動的摩擦力，致使慣性塊滑動受阻，最終導(dǎo)致保險不能可靠解除。

圖7 磨損的導(dǎo)向柱Fig.7 Worn guide post

要分析這些磨損是怎么產(chǎn)生的，需要分析慣性塊的受力，通過圖8受力分析圖可以看出，慣性塊在保險位置時受到的力有4個：支撐彈簧的抗力f，方向豎直向上；釋放銷對慣性塊的壓力F，作用點在小鉤上，方向豎直向下；另外由于慣性塊與導(dǎo)向柱之間配合間隙的存在，導(dǎo)致慣性塊導(dǎo)向孔的上下邊沿與導(dǎo)向柱接觸表面形成兩個點壓力N1和N2。由于支撐彈簧抗力f與釋放銷的作用力F方向相反，且不在一條直線上，這就對慣性塊產(chǎn)生一個力矩，根據(jù)力的平衡原理，在慣性塊導(dǎo)向孔上下沿會產(chǎn)生一組大小相等，方向相反，且在一個平面內(nèi)的力組N1和N2，這兩個力的存在就導(dǎo)致慣性塊內(nèi)孔的上下邊沿與導(dǎo)向柱表面形成兩個應(yīng)力集中點。在引信振動試驗過程中，慣性塊上下滑動與導(dǎo)向柱摩擦，應(yīng)力集中點的存在又加劇了這種摩擦，通過對比試驗后的導(dǎo)向柱和慣性塊的摩擦印記，也能對應(yīng)應(yīng)力集中點的位置。在經(jīng)過一系列長時間的振動試驗后，慣性塊的內(nèi)孔和導(dǎo)向柱面均被摩損，致使慣性塊滑動摩擦力增大，最終導(dǎo)致引信不能可靠解除保險。

圖8 慣性塊受力圖Fig.8 Inertia block force diagram

文獻(xiàn)[2]中的保險機構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)這個問題，分析原因是由于其支撐彈簧的抗力大，能夠?qū)T性塊支撐并抵靠在蓋板上，使慣性塊的受力得到改善，姿態(tài)穩(wěn)定，沒有應(yīng)力集中點，避免了這種邊棱摩擦的情況。

結(jié)合以上分析，要想提高引信振動試驗后解?？煽啃裕鸵獪p小振動過程中的磨損。具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動板則通過改善慣性塊的受力，能夠減小零件磨損，提高機構(gòu)抗振動性能。

驅(qū)動板部件受力見圖6，保險板伸出的擋銷靠在弧形槽內(nèi)側(cè)，這樣保險板部件的扭矩力M就通過弧形槽作用在驅(qū)動板部件上，驅(qū)動板部件受到的這個力F的作用方向通過驅(qū)動板部件的轉(zhuǎn)軸中心O，這就不會對驅(qū)動板部件產(chǎn)生附加力矩，形成了保險板部件與驅(qū)動板部件相互抵靠的狀態(tài)。

改善后慣性塊受力如圖9所示，驅(qū)動板部件沒有了旋轉(zhuǎn)力矩，釋放銷對慣性塊壓力F沒有了，根據(jù)力矩平衡，慣性塊與導(dǎo)向柱之間的兩個應(yīng)力N1、N2也消除了，所以慣性塊原來受到的力F、N1、N2均為零。慣性塊僅受到支撐彈簧的抗力f和蓋板對其的壓力N，其受力狀態(tài)得到改善，振動試驗時慣性塊與導(dǎo)向柱之間是自由滑動狀態(tài)，沒有應(yīng)力集中點，減小了振動時慣性塊與導(dǎo)向柱的磨損，使滑塊在過載力作用下能夠順利滑動到解保位置，保證機械保險可靠解除。因此這種弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動板能夠解決振動后慣性保險不能可靠解除的問題。

圖9 改善后慣性塊受力圖Fig.9 Improved inertia block force diagram

另一方面，驅(qū)動板部件沒有了附加力矩，僅在感受到主動段彈道過載的慣性力作用下才能轉(zhuǎn)動，而且與保險板部件的相互抵靠又增加了驅(qū)動板運動的阻尼，使驅(qū)動板部件對跌落、沖擊等瞬時過載環(huán)境更加不敏感，有利于提高引信勤務(wù)處理中的安全性。

3.2 試驗驗證

改進前的12發(fā)產(chǎn)品試驗情況見表1。

表1 改進前試驗情況

從表1可以看出，改進前的12發(fā)產(chǎn)品在振動試驗前解保都正常，振動試驗后只有4發(fā)正常，其余8發(fā)均未在規(guī)定過載范圍內(nèi)解保。

改進后的12發(fā)產(chǎn)品試驗情況見表2。

表2 改進后試驗情況

從表2可以看出，改進后的12發(fā)產(chǎn)品在振動試驗前后均正常解保。從試驗后引信分解檢查情況看，慣性塊與導(dǎo)向柱之間基本沒有磨損痕跡，其余各部件也都正常。

4 結(jié)論

本文提出了引信鐘表保險機構(gòu)采用具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動板。該結(jié)構(gòu)能夠改善慣性塊的受力，消除驅(qū)動板部件造成的壓力，使慣性塊僅受支撐彈簧的抗力，能夠較穩(wěn)定地抵靠在蓋板上，消除應(yīng)力集中，減小了振動過程中的磨損，保證引信慣性保險能夠可靠解除，同時引信的安全性也得到一定的提高。理論分析和試驗驗證表明，采用這種結(jié)構(gòu)的鐘表保險機構(gòu)在振動試驗前后均能正常解除保險，因此采用具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動板能夠有效提高鐘表保險機構(gòu)抗振動性能。