小型抗拉力和扭矩爆炸螺栓的結構設計

高元科，仵和平，趙文虎，王喜田，黃旭東，李 睿

（北方特種能源集團有限公司西安慶華公司，陜西 西安，710025）

爆炸螺栓已經廣泛應用到航天、航空、兵器等武器系統中。隨著武器的小型化發(fā)展，使用的力學環(huán)境要求也越來越復雜。因此現在很多爆炸螺栓的技術要求都有抗拉力和抗扭矩的要求，而且拉力和扭矩的指標相對較高，體積也相對較小，這對爆炸螺栓的設計提出了更高的要求。傳統常用爆炸螺栓的結構設計很難直接應用到這些拉力和扭矩的指標相對較高、體積相對較小的爆炸螺栓上，因此需對此種螺栓薄弱環(huán)節(jié)進行全新的結構設計，以滿足武器系統的使用要求。

1 傳統爆炸螺栓薄弱環(huán)節(jié)設計

爆炸螺栓薄弱環(huán)節(jié)斷開方式分為爆炸式和剪切式兩種。爆炸式利用藥劑爆轟炸斷螺栓的薄弱環(huán)節(jié)，此結構雖然可以使爆炸螺栓有很高的抗拉力和扭矩能力，但是作用后飛片殘渣較多，可能對武器系統造成破壞，所以此結構不常用；剪切式利用藥劑燃燒產生高溫高壓氣體推動剪切塞切斷薄弱環(huán)節(jié)，此結構作用后無飛片殘渣或少量飛片殘渣，對武器系統不會造成破壞或污染，目前大多數爆炸螺栓都是此結構。剪切式爆炸螺栓根據薄弱環(huán)節(jié)設計不同可細分為剪切塞式和剪切銷式。

1.1 剪切塞式爆炸螺栓

剪切塞式爆炸螺栓（如圖1）是靠火藥力推動剪切塞，剪切塞切斷螺栓本體的薄弱環(huán)節(jié)使螺栓分離。其力學指標主要是靠調節(jié)薄弱環(huán)節(jié)的厚度來實現的，此種結構的薄弱環(huán)節(jié)對抗拉力性能比較理想，通過調節(jié)薄弱環(huán)節(jié)的厚度很容易控制拉力指標；但是抗扭矩能力較低，要想增強抗扭矩能力就必須增加薄弱環(huán)節(jié)的厚度，而增加薄弱環(huán)節(jié)的厚度對提高抗扭矩能力效果并不是很顯著。在體積相對較小的爆炸螺栓中，由于產品體積的制約，薄弱環(huán)節(jié)不可能設計太厚，如果太厚其薄弱環(huán)節(jié)的強度將超過螺栓本體的其余部分的強度，如此爆炸螺栓作用后會破壞爆炸螺栓的螺栓本體，形成飛片殘渣。所以剪切塞式爆炸螺栓主要是針對抗拉力指標以及較小的抗扭矩指標。

圖1 剪切塞式爆炸螺栓結構示意圖Fig.1 The structure sketch of shear plug explosive bolt

1.2 剪切銷式爆炸螺栓

剪切銷式爆炸螺栓（如圖2）是靠火藥力推動剪切塞，切斷剪切銷使螺栓分離。

圖2 剪切銷式爆炸螺栓結構示意圖Fig.2 The structure sketch of shear pin explosive bolt

其力學指標主要是靠調節(jié)剪切銷的直徑來實現的，此種結構兼具較強的抗拉和抗扭矩能力。但是由于剪切銷的結構決定了此種爆炸螺栓具有相對較大的體積，因為要使剪切銷可靠切斷，設計時螺栓桿和螺栓本體都要在剪切銷安裝孔位置的薄弱部分有大于剪切銷的強度，所以螺栓桿和螺栓本體的薄弱部分都要有一定的厚度。要在相對體積較小的爆炸螺栓中運用此種結構，勢必造成剪切銷直徑減小，使之抗扭矩和拉力的能力減弱，特別在抗拉力和抗扭矩指標較高的小型爆炸螺栓上，此種結構受到嚴重制約。

2 小型抗拉力和扭矩爆炸螺栓的結構設計

為使小型爆炸螺栓有較強的抗拉力和抗扭矩能力，綜合剪切塞式和剪切銷式兩種爆炸螺栓的結構設計特點，對結構進行全新設計。將螺栓的受拉力和受扭矩的部位進行分開，使其在受到拉力時有剪切塞式爆炸螺栓的特點，即設計類似于剪切塞式爆炸螺栓的薄弱環(huán)節(jié)來承受拉力；而在受到扭矩時，其受拉力的薄弱環(huán)節(jié)不受扭矩影響，在螺栓上設計類似于剪切銷式爆炸螺栓的剪切銷來承受扭矩，而且此抗扭矩結構對體積要求較小。此種爆炸螺栓結構既抗拉力又抗扭矩且對產品體積要求較小，如圖3～5所示。

圖3 螺栓桿Fig.3 Bolt pole

圖4 螺栓本體Fig.4 Bolt body

圖5 組裝圖Fig.5 Assembly drawing

此種結構是靠火藥力推動螺栓桿，切斷薄弱環(huán)節(jié)使螺栓分離。在受到拉力時由薄弱環(huán)節(jié)承受拉力，調整薄弱環(huán)節(jié)的厚度便可以調整抗拉力強度；在受到扭矩時，由于螺栓桿和螺栓本體分開，使得扭矩不能作用到薄弱環(huán)節(jié)上，而是由螺栓桿上的四方和螺栓本體上的四方承受扭矩。由于四方受到扭矩時的受力面積要比無四方時薄弱環(huán)節(jié)受扭矩的受力面積增大，所以其抗扭矩能力也隨之增強，而且可以通過調節(jié)四方的邊長或薄弱環(huán)節(jié)的厚度來調節(jié)受扭矩的受力面積，從而調節(jié)抗扭矩能力。此結構無剪切銷，受產品體積限制較小，有效節(jié)約了產品體積，為裝藥設計提供更大的設計空間。

3 理論計算

3.1 理論計算對比方案

此結構已在某型爆炸螺栓上得到應用，該型爆炸螺栓體積較小，剪切銷式的設計結構很難應用，只能與相應尺寸的剪切塞式結構進行對比。由于某型爆炸螺栓研制工作剛剛起步，所以試驗量很少，而且也未找到相應尺寸的剪切塞式爆炸螺栓，所以只能以該型爆炸螺栓為例進行抗拉力和扭矩的理論計算，并與剪切塞式結構的理論計算進行對比。兩種爆炸螺栓薄弱環(huán)節(jié)結構示意圖見圖6～8。

圖6 新結構螺栓桿示意圖Fig.6 The new structure sketch of bolt pole

圖7 新結構螺栓本體示意圖Fig.7 The new structure sketch of bolt body

圖8 剪切塞式結構螺栓本體示意圖Fig.8 The structure sketch of the shear plug bolt body

3.2 抗拉力計算

3.2.1 新結構抗拉力計算

螺栓拉斷斷裂面如圖9所示。根據材料手冊，所用不銹鋼棒的抗拉強度極限σb≥1 030MPa；由機械強度理論知，許用剪應力[σ]為：

式（1）中：[σ]為材料的許用應力，MPa；n為材料安全系數，取n=1.25～1.50。

經計算求得：[σ]≥1 030～1 200/(1.25～1.5)

即[σ]≥687～960MPa。

剪切面積

式（2）中：S為剪切面面積，m2；r為剪切面半徑，m；L為剪切面軸向長度，m。將r=0.004m，L=0.001m代入式（2）中，求得S=0.000 025 1m2。

圖9 新結構螺栓拉斷斷裂面示意圖Fig.9 The sketch of pulling-breaking surface of the new structure bolt

由強度理論知，螺栓被拉斷所需的最小力為許用剪應力與剪切面積的乘積，即

3.2.2 剪切塞式結構抗拉力計算

螺栓拉斷斷裂面如圖10所示。

圖10 剪切塞式螺栓拉斷斷裂面示意圖Fig.10 The sketch of pulling -breaking surface of the shear plug explosive bolt

將r=0.002 5m，L=0.001m代入式（2）中，求得S=0.000 015 7m2。

將S=0.000 015 7m2代入式（3）中，求得螺栓被拉斷所需的最小力：

根據計算結果：在某型爆炸螺栓的設計上，采用新結構爆炸螺栓的最大拉斷力為17.2～24.0kN；采用剪切塞式結構爆炸螺栓的最大拉斷力為 10.8～15.1 kN，因此得出采用新結構爆炸螺栓的抗拉斷力能力比采用剪切塞式結構爆炸螺栓提高了1.59倍。

3.3 抗扭矩計算

3.3.1 新結構抗扭矩計算

螺栓在受到扭矩時，螺栓桿上的四方受到扭矩作用，當扭矩大于四方的承受能力時，四方將全部被剪切掉，所以螺栓的扭矩斷裂面共有兩處，分別是四方內切圓柱的側面S1和四方面減去內切圓面所余面S2，如圖11所示。

圖11 新結構螺栓扭矩斷裂面示意圖Fig.11 The sketch of torque -breaking surface of the new structure bolt

式（4）～（5）中：S1為剪切面S1面積，m2；r為剪切面S1半徑，m；H為剪切面S1軸向高度，m；S2為剪切面S2面積，m2；L為四方邊長，m。

將r=0.002 6m，H=0.001m代入式（4）中，求得S1=0.000 016 3m2；將r=0.002 6m，L=0.005 2m代入式（5）中，求得S2=0.000 005 81m2。

由強度理論知，螺栓桿被扭斷所需的最小力為許用剪應力與扭矩斷裂面面積的乘積，即：

借用上面計算結果[σ]≥687～960MPa，得出：

螺栓最大承受扭矩為

式（7）中：F為螺栓桿被扭斷所需的最小力，N；l為力臂長度即四方內切圓半徑（實際S2面的l值要大于四方內切圓半徑，此處簡化處理，取最小值），m。將F=15.2～21.2kN，l=0.002 6m代入式（7）中，求得M=39.52～55.12 N·m。

3.3.2 剪切塞式結構抗扭矩計算

剪切塞式結構螺栓的扭矩斷裂面與拉斷斷裂面相同，借用上面的計算結果爆炸螺栓被扭斷所需的最小力：F=10.8～15.1kN，將力臂l=0.002 5m代入式（7）中，求得螺栓最大承受扭矩M=27.00～37.75 N·m。

根據計算結果：在某型爆炸螺栓的設計上，采用新結構爆炸螺栓的最大承受扭矩為 39.52～55.12 N·m；采用剪切塞式結構爆炸螺栓的最大承受扭矩為27.00～37.75 N·m，因此得出采用新結構爆炸螺栓的抗扭矩能力比采用剪切塞式結構爆炸螺栓提高了1.46倍。

4 結論

通過新的爆炸螺栓結構設計，有效解決了小型爆炸螺栓既抗拉力又抗扭矩的要求，而且通過調節(jié)薄弱環(huán)節(jié)的厚度和四方的邊長可有效調節(jié)螺栓的抗拉力和抗扭矩的能力。通過理論計算，在相同尺寸情況下，新結構爆炸螺栓比傳統剪切塞式結構爆炸螺栓抗拉斷力能力提高了1.59倍，抗扭矩能力提高了1.46倍。針對較大的抗拉力和扭矩指標的小型爆炸螺栓，此結構設計是一種有效的解決手段。

[1]許灝.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

[2]東北工學院編寫組.機械零件設計手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1982.