周 偉，張 力，邱強(qiáng)強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué)，北京 100081;2.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

高技術(shù)武器裝備不斷發(fā)展,使現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式和戰(zhàn)場(chǎng)空間發(fā)生了根本性變化，點(diǎn)目標(biāo)精確打擊對(duì)引信安全系統(tǒng)提出了更高要求[1]。單純依靠感知環(huán)境力解除保險(xiǎn)的傳統(tǒng)引信機(jī)構(gòu)被取代的趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)[2]。電磁保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，該機(jī)構(gòu)被廣泛運(yùn)用在機(jī)電引信設(shè)計(jì)中[3-4]。

電磁拔銷器因其原理簡(jiǎn)單，信號(hào)可反饋，安全狀態(tài)可恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)不斷得到優(yōu)化[4-5]。勤務(wù)處理過(guò)程中拔銷器在非解除保險(xiǎn)狀態(tài)下，保險(xiǎn)銷安全位置的保持依靠彈簧等部件提供自鎖力，發(fā)射過(guò)程中解除保險(xiǎn)則需要克服壓縮彈簧抗力，因此電磁拔銷器保險(xiǎn)銷在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)鍵位置電磁力的大小將對(duì)彈簧等彈性部件設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

當(dāng)前尚有關(guān)于大型電磁鐵力特性測(cè)試方法的研究[6]，但電磁拔銷器體積較小，且輸出實(shí)際電磁吸合力真值為保險(xiǎn)銷磁化后電磁吸合力與彈簧抗力之差(本文用保持力表示該差值)，其力特性曲線不同于單一電磁鐵力特性曲線。目前電磁拔銷器多采用電磁仿真估測(cè)吸合力[7]或直接安裝力傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試，但環(huán)境干擾因素較多，誤差較大，對(duì)于越來(lái)越趨于小型化的拔銷器設(shè)計(jì)，電磁力誤差會(huì)影響引信機(jī)構(gòu)安全性能，給電磁拔銷器整體設(shè)計(jì)帶來(lái)安全隱患。目前引信用電磁拔銷器研究缺乏對(duì)其電磁力實(shí)際大小有效測(cè)試方法，無(wú)法為后續(xù)彈簧等可恢復(fù)部件設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)，本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了引信用電磁拔銷器電磁力測(cè)試方法。

1 電磁拔銷器原理及力測(cè)試要求

一般可以把引信安全保險(xiǎn)裝置分為機(jī)械解除保險(xiǎn)式和電解除保險(xiǎn)式兩大類[2]。電磁拔銷器依靠電磁力驅(qū)動(dòng)保險(xiǎn)銷軸向運(yùn)動(dòng)以控制保險(xiǎn)裝置正常工作。電磁拔銷器是由機(jī)械解除保險(xiǎn)向電解除保險(xiǎn)轉(zhuǎn)型的典型保險(xiǎn)裝置。電磁拔銷器被廣泛應(yīng)用在火工品安全閥[8]、舵機(jī)鎖制裝置中。拔銷器在引信系統(tǒng)中不斷成熟得益于對(duì)其小型化的設(shè)計(jì)改進(jìn)[9]。相比于單一依靠慣性力等環(huán)境信息解除保險(xiǎn)，機(jī)電保險(xiǎn)裝置更加穩(wěn)定多用；保險(xiǎn)銷鎖定與解除保險(xiǎn)能夠隨著上電和去電重復(fù)進(jìn)行，可以保證武器未按預(yù)定條件工作時(shí)恢復(fù)安全狀態(tài)，提升保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全性。在國(guó)內(nèi)外引信機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用中，一般設(shè)計(jì)多級(jí)保險(xiǎn)裝置，電磁拔銷器被設(shè)計(jì)為其中一環(huán)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于電磁拔銷器的研究甚多，電磁拔銷器結(jié)構(gòu)不可勝舉，但基本相同，均依靠拔銷器中電磁鐵部件[10]提供牽引力，圖1為電磁拔銷器基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電磁拔銷器剖視圖Fig.1 Electromagnetic actuator section view

電磁拔銷器主要由保護(hù)件外殼、線圈骨架、勵(lì)磁線圈、底座、可移動(dòng)保險(xiǎn)銷、復(fù)位用彈簧組成。電磁拔銷器基于電磁感應(yīng)原理工作。在彈藥勤務(wù)處理及發(fā)射過(guò)程中電磁拔銷器不通電，保險(xiǎn)銷受彈簧預(yù)壓抗力作用伸出外殼鎖定隔爆件。彈藥發(fā)射后滿足一定條件時(shí)，給拔銷器勵(lì)磁線圈兩端通電，電流的磁效應(yīng)使保險(xiǎn)銷磁化，金屬底座受到磁化后保險(xiǎn)銷電磁吸力作用牽引保險(xiǎn)銷向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到位后解除對(duì)隔爆件的鎖定，從而達(dá)到解除保險(xiǎn)目的。

以上即為電磁拔銷器用于引信安全機(jī)構(gòu)的基本原理，實(shí)際設(shè)計(jì)中也有用一對(duì)同名永磁體(磁彈簧)代替普通彈簧提供預(yù)壓抗力從而鎖定隔爆件的電磁拔銷器[5]。通電工作時(shí)利用復(fù)合磁場(chǎng)牽引保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)，原理相同。在武器系統(tǒng)應(yīng)用中，尤其是導(dǎo)彈引信安全系統(tǒng)中十分常見。

引信安全系統(tǒng)主要功能為安全狀態(tài)的控制與轉(zhuǎn)換，即保證勤務(wù)處理安全，發(fā)射后可靠解除保險(xiǎn)[1]。作為保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的電磁拔銷器同樣需要滿足這兩點(diǎn)基本要求。以常見的彈簧為復(fù)位部件的引信用電磁拔銷器為例說(shuō)明對(duì)拔銷器的要求。

對(duì)于電磁拔銷器，首先要求其在勤務(wù)處理過(guò)程中保證保險(xiǎn)銷始終鎖定隔爆件，因此彈簧需要提供一定的預(yù)壓抗力。在勤務(wù)處理過(guò)程中該預(yù)壓抗力必須能夠抵抗搬運(yùn)等過(guò)程產(chǎn)生的慣性力沖擊，僅考慮勤務(wù)處理則彈簧預(yù)壓力越大越好；而在發(fā)射過(guò)程中電磁拔銷器需要按預(yù)定要求順利解除保險(xiǎn)，即保證通電后電磁力能夠克服彈簧抗力及彈道爬行力驅(qū)動(dòng)保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)到位，解除保險(xiǎn)。但由于電磁拔銷器體型較小，其勵(lì)磁線圈較細(xì)，電壓過(guò)高會(huì)損壞線圈，拔銷器對(duì)通電電壓限制較高，因此電磁力峰值有限?？紤]解除保險(xiǎn)過(guò)程則彈簧彈性力越小越好。綜合考慮電磁拔銷器兩點(diǎn)基本要求，需要在彈簧設(shè)計(jì)上尋找平衡點(diǎn)，而找尋此平衡點(diǎn)需首先了解電磁拔銷器保險(xiǎn)銷在關(guān)鍵位置電磁力的大小。

勤務(wù)處理與導(dǎo)彈發(fā)射均為動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，安裝力傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試是最直接的方法，但無(wú)論在勤務(wù)處理還是發(fā)射過(guò)程中，由于電磁拔銷器相對(duì)導(dǎo)彈體積極小，難以直接安裝力傳感器，其彈簧彈力和電磁力相對(duì)其他力學(xué)數(shù)值同樣極小，直接動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境干擾明顯、誤差極大，難以精確測(cè)量；同時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試可重復(fù)性差，增加測(cè)試時(shí)間和成本。但依據(jù)牛頓第二定律，力與質(zhì)量和加速度直接相關(guān)，電磁拔銷器質(zhì)量已知，在獲得導(dǎo)彈勤務(wù)處理和發(fā)射過(guò)程的加速度閾值后，電磁力測(cè)試可以轉(zhuǎn)換為靜態(tài)過(guò)程(導(dǎo)彈實(shí)際應(yīng)用過(guò)程加速度是不斷變化的，但只要相應(yīng)力值能抵抗最大加速度沖擊即可滿足要求，因此測(cè)試可以靜態(tài)轉(zhuǎn)換)：直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)室階段靜態(tài)測(cè)試電磁拔銷器相應(yīng)力值計(jì)算求解加速度，用該數(shù)值模擬導(dǎo)彈實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中電磁拔銷器可抵抗的最大加速度沖擊，并與閾值比較，即可為電磁拔銷器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。基于該思想本文提出電磁力測(cè)試方法，目的為：1) 現(xiàn)有電磁拔銷器性能測(cè)試；2) 為新電磁拔銷器彈簧設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 電磁力測(cè)試方法

基于以上對(duì)電磁力測(cè)試目的和方法的討論，分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)電磁拔銷器進(jìn)行電磁力測(cè)試。本文采用TYTRON250微力測(cè)試儀進(jìn)行電磁力測(cè)試，測(cè)試儀結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。

圖2 TYTRON250微力測(cè)試儀及工作原理圖Fig.2 MTS TYTRON250 and its principium

TYTRON250微力測(cè)試儀可對(duì)各類微小材料進(jìn)行拉壓彎和疲勞試驗(yàn)，可用于材料微力動(dòng)靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)。位移范圍0.000 1～100 mm, 動(dòng)靜載荷范圍0.01～250 N，位移和載荷測(cè)試精度可達(dá)10-4。通過(guò)控制臺(tái)架帶動(dòng)試件移動(dòng)，可以得到材料或彈性元件的力-位移參數(shù)曲線。

2.1 現(xiàn)有電磁拔銷器性能測(cè)試

勤務(wù)處理安全、發(fā)射后可靠解除保險(xiǎn)是對(duì)電磁拔銷器的基本要求，通過(guò)測(cè)試及計(jì)算，可以得到勤務(wù)處理安全性及發(fā)射后解除保險(xiǎn)相關(guān)性能。

首先測(cè)試勤務(wù)處理及發(fā)射過(guò)程中拔銷器安全性。若拔銷器彈簧在保險(xiǎn)位置提供的抗力大于勤務(wù)處理及發(fā)射過(guò)程最大慣性力，即可保證勤務(wù)處理及發(fā)射安全；因此，測(cè)試保險(xiǎn)位置彈簧抗力，并計(jì)算得到拔銷器在保險(xiǎn)位置能夠抵抗的最大過(guò)載加速度，由此檢驗(yàn)拔銷器是否滿足勤務(wù)處理及發(fā)射時(shí)安全性能要求。

如圖3所示，將電磁拔銷器固定在測(cè)試儀右側(cè)位移敏感端，調(diào)整好左側(cè)初始位置后鎖定儀器，設(shè)置終止位置和步長(zhǎng)，內(nèi)推保險(xiǎn)銷。為保持定步長(zhǎng)勻速移動(dòng)，左側(cè)夾具接觸保險(xiǎn)銷瞬間會(huì)克服彈簧初始抗力產(chǎn)生力的階躍，由此測(cè)得彈簧保險(xiǎn)位置抗力，作為計(jì)算抵抗最大過(guò)載加速度依據(jù)。

圖3 拔銷器初始抗力測(cè)試示意圖Fig.3 Initial resistance test of the actuator

為保證正常工作，電磁拔銷器解除保險(xiǎn)通常采用大電壓吸合，小電壓保持的工作方式。瞬時(shí)大電壓保證保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)到位，小電壓保證保險(xiǎn)銷保持在解除保險(xiǎn)(吸合)位置，該工作方式兼顧拔銷器性能要求與勵(lì)磁線圈安全。因此小電壓狀態(tài)下電磁保持力大小直接決定電磁拔銷器抗彈道干擾能力。

測(cè)試時(shí)將電磁拔銷器固定在測(cè)試儀上，如圖4所示。調(diào)整好初始位置后鎖定儀器，同理設(shè)置終止位置和步長(zhǎng)，在保持電壓作用下保險(xiǎn)銷穩(wěn)定在解除保險(xiǎn)位置。啟動(dòng)測(cè)試儀器外拉保險(xiǎn)銷，當(dāng)拉力達(dá)到保險(xiǎn)銷保持力時(shí)，保險(xiǎn)銷開始被勻速拉動(dòng)，之后電磁吸合力隨保險(xiǎn)銷移動(dòng)而減小，彈簧抗力同時(shí)減小。但電磁吸合力變化更快，如圖5所示(圖示兩條曲線分別根據(jù)電磁鐵經(jīng)驗(yàn)公式和彈力計(jì)算公式繪制)，因此電磁力(電磁吸合力-彈簧抗力)逐漸減小，拉力隨之減小。當(dāng)保險(xiǎn)銷移動(dòng)到圖5點(diǎn)e所示位置后,電磁吸合力與彈簧彈力相等，拉力降為零；超過(guò)e點(diǎn)，無(wú)需施加外力，保險(xiǎn)銷即可恢復(fù)初始保險(xiǎn)位置；而在e點(diǎn)之前，一旦外力消失，銷子將在電磁吸合力作用下克服彈簧抗力恢復(fù)到解除保險(xiǎn)位置。

圖4 拔銷器吸合力測(cè)試示意圖Fig.4 Suction test of the actuator

改變保持電壓，進(jìn)行上述測(cè)試，可以得到不同保持電壓條件下保險(xiǎn)銷保持力。以保持力為依據(jù)計(jì)算電磁拔銷器抗彈道過(guò)載加速度，驗(yàn)證可靠解除保險(xiǎn)性能要求。

圖5 保險(xiǎn)銷在不同位置電磁吸合力-彈簧彈力曲線Fig.5 Electromagnetic-spring force curve of pin in different positions

2.2 電磁拔銷器電磁力測(cè)試

設(shè)計(jì)電磁拔銷器彈簧時(shí)，需首先了解已安裝勵(lì)磁線圈拔銷器內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)弱，即在不同通電電壓條件下，保險(xiǎn)銷從初始(保險(xiǎn))位置運(yùn)動(dòng)到終止(吸合)位置全過(guò)程電磁吸合力變化情況；并以此為依據(jù)，根據(jù)勤務(wù)處理安全性以及彈道抗過(guò)載干擾要求進(jìn)行拔銷器彈簧設(shè)計(jì)。

測(cè)試原始拔銷器電磁力方法與2.1節(jié)所述相同，不同之處為：進(jìn)行電磁吸合力測(cè)試時(shí)，不加彈簧。通過(guò)測(cè)試可以得到：

1) 不同電壓下，拔銷器在保險(xiǎn)位置的電磁力；

2) 不同保持電壓下，拔銷器在吸合位置的電磁力。

這些參數(shù)可為拔銷器工作的初始大電壓、保持小電壓選取，以及彈簧設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

基于第二章所述測(cè)試方法，利用微力測(cè)試儀測(cè)得電磁拔銷器電磁力和彈簧預(yù)壓力，同時(shí)得到電磁保持力/電磁吸合力-保險(xiǎn)銷位移曲線。

以某電磁拔銷器為例進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7及表1所示。

圖6為拔銷器初始抗力測(cè)試曲線，為排除偶然因素影響，對(duì)同一拔銷器重復(fù)三次測(cè)試：測(cè)試初始抗力不通電，拔銷器處于初始保險(xiǎn)位置；測(cè)試開始后，測(cè)試儀左側(cè)力敏感端開始移動(dòng)(內(nèi)推)，當(dāng)橫坐標(biāo)為零時(shí)(圖6點(diǎn)a)，測(cè)試儀開始接觸保險(xiǎn)銷，此時(shí)產(chǎn)生力的階躍即為彈簧初始抗力；此后測(cè)試儀繼續(xù)移動(dòng)，力-位移曲線按照胡克定律繼續(xù)線性增長(zhǎng)直到保險(xiǎn)銷運(yùn)動(dòng)到位(解除保險(xiǎn))。

圖6 初始抗力測(cè)試曲線Fig.6 Initial resistance test curve

圖7為不同保持電壓條件下，拔銷器電磁保持力-保險(xiǎn)銷位移測(cè)試曲線：拔銷器分別接通9、7、5 V常用保持電壓，均處于解除保險(xiǎn)位置；測(cè)試開始后，測(cè)試儀左側(cè)力敏感端開始移動(dòng)(外拉)，當(dāng)橫坐標(biāo)為零(圖7點(diǎn)b)時(shí)，測(cè)試儀開始拉動(dòng)保險(xiǎn)銷，在通電條件下，拔銷器所受拉力與電磁力、彈力合力大小相等，即圖5兩條曲線之差，故拉力逐漸減??；直到橫坐標(biāo)負(fù)-1(圖7點(diǎn)c)處拉力保持為零，對(duì)應(yīng)圖5中e點(diǎn)。圖7點(diǎn)b對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)值即為解除保險(xiǎn)位置電磁保持力。

圖7 保持力測(cè)試曲線Fig.7 Suction test curve

電磁拔銷器通常用于導(dǎo)彈中，其一般需要滿足以下基本要求：彈藥勤務(wù)處理及發(fā)射產(chǎn)生的慣性加速度一般不超過(guò)30g；當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射后引信系統(tǒng)正常工作，電磁拔銷器解除保險(xiǎn)即保險(xiǎn)銷穩(wěn)定吸合，要求保險(xiǎn)銷在彈道中能夠抵抗因彈體振動(dòng)引起的軸向加速度干擾，維持穩(wěn)定狀態(tài)。一般該干擾加速度不超過(guò)100g。經(jīng)測(cè)試，該拔銷器保險(xiǎn)銷質(zhì)量為1.5 g，根據(jù)牛頓第二定律，并分析圖6和圖7，將關(guān)鍵位置力值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)加速度后與閾值對(duì)比，驗(yàn)證其是否滿足引信安全機(jī)構(gòu)要求，結(jié)果如表1所示。

表1 電磁拔銷器主要測(cè)試參數(shù)與結(jié)果Tab.1 The main test parameters of electromagnetic actuator and results

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，將本實(shí)驗(yàn)所測(cè)拔銷器結(jié)構(gòu)參數(shù)代入電磁鐵電磁力經(jīng)驗(yàn)公式[11-12]，公式理論值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值基本吻合，驗(yàn)證該測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。由表1可知，該電磁拔銷器滿足引信安全機(jī)構(gòu)基本要求。

同理，設(shè)計(jì)電磁拔銷器彈簧的測(cè)試方法與上述基本一致，為設(shè)計(jì)參數(shù)合理的彈簧部件，保證電磁拔銷器可靠工作，可通過(guò)該方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文提出了引信用電磁拔銷器電磁力測(cè)試方法。該方法基于靜態(tài)測(cè)試思想將導(dǎo)彈勤務(wù)處理及發(fā)射過(guò)程中內(nèi)部電磁拔銷器微力測(cè)試動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化，并結(jié)合利用TYTRON250微力測(cè)試儀精確測(cè)試電磁吸合力/保持力-保險(xiǎn)銷位移曲線，實(shí)際測(cè)試值與電磁力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算理論值的基本吻合增加了該方法置信度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能夠有效測(cè)試引信用電磁拔銷器實(shí)際電磁力大小，減小直接測(cè)試或電磁仿真的復(fù)雜度和誤差干擾，填補(bǔ)有關(guān)引信用電磁拔銷器研究空白，為電磁拔銷器設(shè)計(jì)及其保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全驗(yàn)證提供參考價(jià)值。