引信安全系統(tǒng)慣性保險(xiǎn)技術(shù)研究?

吳 越,王宏偉,史長(zhǎng)虹,湯建林

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.遼寧華興機(jī)電有限公司,遼寧 錦州 121017;3.中國(guó)人民解放軍總后軍需裝備研究所,北京 100010;4.中國(guó)人民解放軍 66068部隊(duì),山西太原 030051)

0 引 言

155 mm火炮配兩種彈藥,一種為 A彈,另一種為 B彈,兩種彈藥配用同一種引信 MM－A.1996年,MM－A引信配用 B彈進(jìn)行工廠(chǎng)定型試驗(yàn)中發(fā)生瞎火現(xiàn)象,瞎火率達(dá) 1/4.對(duì)此問(wèn)題先后采用多種方案查找引信瞎火的原因,但均未見(jiàn)效.在此期間,為了驗(yàn)證引信瞎火的問(wèn)題,采用了MM－B引信,并進(jìn)行了引信對(duì)地發(fā)火性實(shí)驗(yàn),引信全部作用正常.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了 B彈配用MM－B引信補(bǔ)充鑒定實(shí)驗(yàn),并對(duì)引信進(jìn)行了各項(xiàng)考核,引信作用正常.但在 1998年進(jìn)行的155 mm A彈射表編制實(shí)驗(yàn)中,MM－B引信 161發(fā)瞎火 7發(fā),瞎火率為 1/23.為此對(duì)引信進(jìn)行了改進(jìn),在后來(lái)的 81發(fā) A彈射表編制實(shí)驗(yàn)中均未出現(xiàn)瞎火,然而在 58發(fā) B彈射表編制實(shí)驗(yàn)和輕重彈對(duì)比實(shí)驗(yàn)中又出現(xiàn)了引信瞎火問(wèn)題.說(shuō)明該型引信作用可靠性存在一定的問(wèn)題,而 MM－A引信和 MM－B引信采用的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同,因此需要對(duì)其安全系統(tǒng)慣性保險(xiǎn)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究.

1 引信安全系統(tǒng)慣性保險(xiǎn)技術(shù)分析

1.1 引信結(jié)構(gòu)

MM－B引信是在制式引信的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)而來(lái),采用雙環(huán)境力準(zhǔn)流體延期解除保險(xiǎn)安全系統(tǒng),該安全系統(tǒng)已在引信中得到充分驗(yàn)證,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、作用可靠性高.為了說(shuō)明問(wèn)題,對(duì)此類(lèi)安全系統(tǒng)的組成及原理[1－2]說(shuō)明如下:安全系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成:回轉(zhuǎn)體部件,慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)(慣性銷(xiāo)、慣性銷(xiāo)簧),離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)(兩個(gè)離心子,兩個(gè)離心子簧),延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)(保險(xiǎn)套筒、活塞缸、活塞桿、微徑玻璃珠).

作用原理:平時(shí)離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)離心子鎖住延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的保險(xiǎn)套筒,保險(xiǎn)套筒堵住活塞缸上的泄流孔,防止微徑玻璃珠外泄;活塞桿一端受微徑玻璃珠限制而固定,另外一端則限制回轉(zhuǎn)體部件,構(gòu)成離心保險(xiǎn);慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的慣性銷(xiāo)限制回轉(zhuǎn)體部件轉(zhuǎn)動(dòng),構(gòu)成離心保險(xiǎn),保證回轉(zhuǎn)體部件處于保險(xiǎn)位置.發(fā)射時(shí),慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的慣性銷(xiāo)在后坐力的作用下,克服慣性銷(xiāo)簧的抗力下沉到位,慣性保險(xiǎn)解除;在離心力作用下,離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中兩個(gè)離心子克服離心子簧的抗力外撤,解除對(duì)保險(xiǎn)套筒的限制,保險(xiǎn)套筒打開(kāi)泄流孔,微徑玻璃珠從泄流孔流出,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間泄流后,活塞桿隨之外撤,直到解除對(duì)回轉(zhuǎn)體部件的限制,回轉(zhuǎn)體部件在離心力作用下,轉(zhuǎn)正到位,處于解除保險(xiǎn)狀態(tài).慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和MM－A引信慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同,均借鑒了M739引信慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,既采用低閾值可逆式后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)(＜30 g,不解除保險(xiǎn);＞40 g,解除保險(xiǎn)).隔爆方式采用水平轉(zhuǎn)子式隔離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式.引信炮口保險(xiǎn)距離不小于60 m,可靠解除保險(xiǎn)距離不大于 150 m.

1.2 彈丸基本參數(shù)和彈道特性

A彈與 B彈彈丸諸元比較如表 1所示.A彈與 B彈彈道特性如表 2所示.

表1 彈丸參數(shù)Tab.1 Parameter of projectile

表2 彈道特性表Tab.2 Ballistic characteristics

1.3 對(duì)比試驗(yàn)及瞎火原因分析

1.3.1 彈丸對(duì)比情況

從彈丸諸元看,B彈比 A彈重 2.5 kg,全彈要長(zhǎng) 20.8 mm,質(zhì)心往前 7 mm,直線(xiàn)過(guò)載、炮口轉(zhuǎn)速等略大;從彈道特性看,B彈飛行時(shí)間長(zhǎng),彈道高,落速大.經(jīng)對(duì)瞎火引信進(jìn)行回收檢查,發(fā)現(xiàn)隔離機(jī)構(gòu)中回轉(zhuǎn)體均未轉(zhuǎn)動(dòng)到位,使引信處于隔爆狀態(tài),說(shuō)明與回轉(zhuǎn)體相關(guān)聯(lián)的零部件存在可靠性或強(qiáng)度問(wèn)題,并且處于某種極限狀態(tài).當(dāng)配用于彈道條件稍好的 A彈上時(shí)就可以正常作用;而在條件稍為惡劣時(shí)有時(shí)就會(huì)發(fā)生不正?，F(xiàn)象.

1.3.2 引信對(duì)比情況

155 mm B彈曾配用的 MM－A引信和現(xiàn)配用的 MM－B引信都采用雙環(huán)境力解除保險(xiǎn)安全系統(tǒng),MM－A引信的離心保險(xiǎn)采用鐘表延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),而在 MM－B引信采用的是準(zhǔn)流體延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),該兩種保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在其它引信中已得到充分驗(yàn)證;而 MM－A引信和 MM－B引信采用的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同,為低閾值可逆式后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu).因此,從兩種引信配用于 B彈都有瞎火現(xiàn)象分析,慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)有可能存在可靠性問(wèn)題[3].

1.3.3 彈丸章動(dòng)對(duì)引信的影響

彈丸章動(dòng)過(guò)大是影響引信正常作用的一個(gè)重要因素[4].經(jīng)對(duì) B彈章動(dòng)角的測(cè)定,6發(fā)平均最大章動(dòng)角為 5.8°,最大值為 14°,章動(dòng)角最大峰值距炮口平均為 32.6 m,彈道波長(zhǎng)平均為 136 m,章動(dòng)周期為 0.075 6 s.MM－B引信的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為低閾值可逆式后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),其勤務(wù)處理過(guò)程就是慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的慣性銷(xiāo)在慣性銷(xiāo)簧的作用下,可恢復(fù)對(duì)回轉(zhuǎn)體的限制,使引信處于安全狀態(tài).發(fā)射時(shí),在外環(huán)境力的作用下,慣性銷(xiāo)處于解除保險(xiǎn)狀態(tài),直到離心保險(xiǎn)解除(保險(xiǎn)距離為距炮口 60 m,可靠解除保險(xiǎn)距離不大于 150 m),回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)正,引信處于待發(fā)狀態(tài);若章動(dòng)過(guò)大,慣性銷(xiāo)受章動(dòng)力影響而在離心保險(xiǎn)尚未解除時(shí)(由于直到微徑玻璃珠完全從活塞缸泄流孔流出后,活塞桿才解除對(duì)回轉(zhuǎn)體部件的限制,而彈丸飛行距離距炮口小于 60 m時(shí)[5],活塞桿尚未解除對(duì)回轉(zhuǎn)體部件的限制)恢復(fù)對(duì)回轉(zhuǎn)體的限制,引信重新處于隔爆狀態(tài),造成引信瞎火.慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖 1所示.

圖1 慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of inertial insurance mechanism

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),B彈軸向前沖過(guò)載值見(jiàn)表 3.

表3 過(guò)載值測(cè)試結(jié)果Tab.3 Results of overload test

已知后坐銷(xiāo)質(zhì)量 m=1.7 g,慣性銷(xiāo)簧抗力R′=0.24 N/mm,摩擦系數(shù) f=0.3,彈簧自由高度 h=10.67 mm,r=12.6 mm,全裝藥條件下彈丸角加速度k=1 823 r/s.通過(guò)計(jì)算可知,取 5～13 ms的過(guò)載值 K,慣性銷(xiāo)受到的前沖(章動(dòng))力F1=Km=3 548× 9.8× 1.7× 10－3=59.1 N,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于慣性銷(xiāo)簧抗力值 2.56 N,因此慣性銷(xiāo)簧的抗力值可以忽略不計(jì).

因離心引起的磨擦力 F2=mrk2f=1.7×10－3× 12.6× 10－3× 1 8232× 0.3=21.4 N,慣性銷(xiāo)受到的前沖(章動(dòng))力 F1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 F2,故具有前沖條件.

經(jīng)計(jì)算回轉(zhuǎn)體部件轉(zhuǎn)正到的時(shí)間約為彈丸發(fā)射后 77.8～ 88.9 ms,而彈丸運(yùn)動(dòng) 5～ 13 ms時(shí),回轉(zhuǎn)體部件尚未轉(zhuǎn)正,因此慣性銷(xiāo)在膛內(nèi)受前沖(章動(dòng))力影響具備前沖的條件,造成慣性銷(xiāo)復(fù)位,重新鎖住回轉(zhuǎn)部件.

2 慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可靠性理論計(jì)算

慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)由慣性銷(xiāo)、慣性銷(xiāo)簧組成,該部件為美 M739引信采用的成熟機(jī)構(gòu).其采用的是慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)與離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組合的保險(xiǎn)形式,其任何一個(gè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)值可設(shè)計(jì)的小一點(diǎn),這樣有利于引信的通用性(也正是該引信通用性強(qiáng)的原因之一),但是由此引起的慣性、離心保險(xiǎn)值不能太大的結(jié)果又勢(shì)必限制了引信安全性[6]的進(jìn)一步提高,有時(shí)候甚至導(dǎo)致安全性的降低[7].此類(lèi)安全保險(xiǎn)系統(tǒng)在具體應(yīng)用的時(shí)候應(yīng)該進(jìn)行再設(shè)計(jì),引信再設(shè)計(jì)的必要性及策略在文獻(xiàn)[8]中有系統(tǒng)的介紹.

該慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)由于是可逆式后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),因此存在發(fā)射過(guò)程中受章動(dòng)力影響而在離心保險(xiǎn)尚未解除時(shí)而恢復(fù)對(duì)回轉(zhuǎn)體限制的問(wèn)題.針對(duì)這一問(wèn)題,有必要對(duì)該類(lèi)慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新改進(jìn)設(shè)計(jì),通過(guò)在慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中增加閉鎖裝置,使慣性銷(xiāo)在解除保險(xiǎn)后不能恢復(fù).

改進(jìn)后的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2.

該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

1)慣性銷(xiāo)參數(shù).慣性銷(xiāo)質(zhì)量 m1=0.515 g,慣性銷(xiāo)行程 L=2.58 mm.

2)閉鎖鋼絲參數(shù).鋼絲變形量λa=2,鋼絲直徑 d1=0.35+0.02mm,鋼絲彈性模量 E=2.1×104,變形點(diǎn)端點(diǎn)距離 a=8 mm.

3)慣性銷(xiāo)簧參數(shù).鋼絲直徑 d2=0.4+0.02mm,慣性銷(xiāo)簧質(zhì)量 m2=0.118 g,鋼度R0=0.502 4 N/mm,自由高度 h=16－1.5－0,彈簧預(yù)壓量 λ0=8.95.

圖2 加閉鎖裝置的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Inertia insurance mechanism with the locking device

2.1 求閉鎖鋼絲產(chǎn)生的阻力功

改進(jìn)設(shè)計(jì)以前的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中慣性銷(xiāo)主要受慣性力和彈簧抗力作用[9].改進(jìn)以后的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中慣性銷(xiāo)還要受到閉鎖鋼絲對(duì)慣性銷(xiāo)的作用力.

假設(shè)閉鎖鋼絲對(duì)慣性銷(xiāo)產(chǎn)生的正壓力為 T,根據(jù)公式 T=3 λaEJg/a3,J=π×d4/32,計(jì)算得出T=3.98 N,則閉鎖鋼絲產(chǎn)生的阻力功 Ef=2Tf L.式中:f為閉鎖鋼絲和慣性銷(xiāo)的摩擦系數(shù),取 f=0.2.計(jì)算得出 Ef=4.107 N· mm.

2.2 計(jì)算安全落高

慣性體在碰擊后所獲得的動(dòng)能 E1=P1H(1+U2),P1=(m1+m2/3)g=5.43 N.式中:H為安全落高;P1為慣性體系統(tǒng)的換算重力;U為反跳系數(shù) ,取 U=0.6.

慣性解除保險(xiǎn)時(shí)所需的動(dòng)能 En=R0L(L+2 λ0)/2,所以根據(jù)安全判別式 E1－Ef≤En,得安全落高計(jì)算公式 H= [R0L(L+ 2 λ0)+ 2Ef]/[2P1(1+U2)],計(jì)算得 H=2.35 mm.

計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

2.3 可靠解除保險(xiǎn)計(jì)算

慣性銷(xiāo)下沉到位,彈簧產(chǎn)生的抗力 RL=R0(L+λ0)=5.79 N,閉鎖鋼絲與慣性銷(xiāo)產(chǎn)生的磨擦力 RfN=T· f=3.98× 0.2=0.796 N,慣性體在離心力作用下所產(chǎn)生的磨擦力 RfC= (m1+m3/3)rk2f× 10－6.式中:r為慣性銷(xiāo)到彈軸的距離,r=12.6 mm;k為全裝藥條件下彈丸角加速度,取 k=1 823 r/s.計(jì)算得出 RfC=4.3 N,則慣性銷(xiāo)下沉所受阻力 R=RL+RfN+ RfC=10.9 N,而 2/3K1(m1+m3/3)=12.2 N＞ R=10.9 N,所以能可靠解除保險(xiǎn).

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 引信安全性

根據(jù) GJB573A方法 104.6的要求[10]進(jìn)行了1.5 m落高跌落安全性試驗(yàn).依次將 15發(fā)改進(jìn)以后的引信保高溫 70℃及保低溫 －54℃各 2 h后進(jìn)行跌落試驗(yàn),5發(fā)為一組.試驗(yàn)要求:①試驗(yàn)過(guò)程引信必須安全;②分解檢查安全系統(tǒng)不得有解除保險(xiǎn)的現(xiàn)象.試驗(yàn)情況如表 4所示.

表4 安全性試驗(yàn)Tab.4 Safety test

經(jīng)分解檢查無(wú)異常,完全符合要求.

3.2 射擊試驗(yàn)

在了落高跌落安全性試驗(yàn)之后,又進(jìn)行了實(shí)彈射擊試驗(yàn).MM－B引信配用 155 A彈和 B彈各28發(fā),結(jié)果無(wú)一發(fā)瞎火.這說(shuō)明該機(jī)構(gòu)和改進(jìn)之前相比,安全性完全滿(mǎn)足要求,作用可靠性有明顯的改善.

4 結(jié) 論

1)由于 155 mm彈藥系統(tǒng)特殊的內(nèi)外彈道環(huán)境,使引信的工作環(huán)境更為復(fù)雜,有許多不確定因素對(duì)引信的作用可靠性產(chǎn)生影響.

2)制式安全保險(xiǎn)系統(tǒng)有值得提高的地方,說(shuō)明如果過(guò)多考慮了通用性,則安全性、作用可靠性均會(huì)存在一定的隱患.

3)在使用過(guò)程中,慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)受到后坐力慣性銷(xiāo)下沉后,受離心力作用,慣性銷(xiāo)姿態(tài)會(huì)發(fā)生變化,因此慣性銷(xiāo)在膛內(nèi)前沖力影響復(fù)位的機(jī)率較小,但試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)瞎火,說(shuō)明慣性銷(xiāo)在膛內(nèi)前沖力復(fù)位的機(jī)率盡管很小,但還是存在的.

4)通過(guò)比較 MM－A引信和 MM－B引信結(jié)構(gòu),尋找引信配用于B彈的瞎火原因,可以增加閉鎖裝置,完成 MM－B引信慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì).相關(guān)理論分析計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明:改進(jìn)以后的慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),既能保證 1.5 m跌落安全,又可滿(mǎn)足發(fā)射時(shí)可靠地解除保險(xiǎn)的要求.

5)針對(duì)引信慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的相關(guān)理論分析與計(jì)算,不僅可以用于慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[11]以及可靠性設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)[12],還有助于查找引信的瞎火原因,為解決引信瞎火問(wèn)題提供了一定的依據(jù).

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