氣態(tài)低沖擊阻尼式彈上火工作動器研究

吳建剛，黃　敏，尚雅玲

(1.海軍駐武漢三江航天集團(tuán)軍事代表室，武漢　430040； 2.湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感　432000;

3.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺　264001)

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氣態(tài)低沖擊阻尼式彈上火工作動器研究

吳建剛1，黃敏2，尚雅玲3

(1.海軍駐武漢三江航天集團(tuán)軍事代表室，武漢430040； 2.湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感432000;

3.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺264001)

摘要：目前國內(nèi)彈上作動產(chǎn)品較多使用彈簧、扭簧等貯能零件或火工品作用產(chǎn)生的氣體所為動力源，在推力、沖擊過載等方面分別存在一定的局限性；為了解決該問題，提出了一種基于氣體阻尼的作動器，通過調(diào)整火藥柱的初始質(zhì)量能夠?qū)崿F(xiàn)彈上火工作動產(chǎn)品大推力、小沖擊、速度可控等多方面功能，并且結(jié)構(gòu)簡單、體積較小，應(yīng)用范圍廣泛。

關(guān)鍵詞：作動器；阻尼；推力；沖擊

Citation format:WU Jian-gang, HUANG Min, SHANG Ya-ling.Research on High Load Low Impact Damping Onboard Pyrotechnics Actuation Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):34-36.

當(dāng)前美國和俄羅斯作動器技術(shù)基本已趨于成熟，一般通過火工品點(diǎn)燃火藥，燃燒產(chǎn)生高壓氣體，推動活塞機(jī)構(gòu)運(yùn)動，以類似硅油介質(zhì)作為緩沖劑。彈上作動器火藥燃燒一般燃速極快，幾十毫秒內(nèi)就產(chǎn)生高壓氣體，在無阻尼的情況下，活塞在瞬間氣體推力作用下運(yùn)動速度大，可達(dá)到幾十m/s甚至更高，沖擊過載達(dá)到數(shù)萬g以上，會對彈上其他機(jī)構(gòu)造成較大沖擊，甚至造成結(jié)構(gòu)的損壞。采用機(jī)械緩沖或液態(tài)緩沖技術(shù)，體積較大。氣態(tài)低沖擊阻尼式作動器可通過氣體作為緩沖介質(zhì)，對火藥做功時(shí)產(chǎn)生的機(jī)構(gòu)沖擊起到有效的緩沖作用，同時(shí)該作動器還具有體積小、運(yùn)動速度低、運(yùn)動平緩等特點(diǎn)[1-5]。

通過對氣態(tài)低沖擊阻尼式彈上火工作動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、特性仿真研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明藥柱的初始質(zhì)量對低沖擊阻尼式彈上火工作動器的性能有重要影響，通過調(diào)整藥柱的初始質(zhì)量可實(shí)現(xiàn)高壓密封、小沖擊、活塞運(yùn)動速度可控。

1氣態(tài)低沖擊阻尼式彈上作動器設(shè)計(jì)

1.1實(shí)現(xiàn)低阻尼3種方法

實(shí)現(xiàn)低沖擊阻尼的方式一般有3種：氣態(tài)阻尼、液態(tài)阻尼和固態(tài)阻尼。氣態(tài)阻尼一般采用壓縮空氣或燃?xì)?；液態(tài)阻尼一般采用液壓油；固定阻尼一般采用彈性材料、彈性零件、固態(tài)潤滑粉末(如石墨粉、二硫化鉬等)等[2,6-8]。

3種阻尼方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表1　3種阻尼對照

比較3種阻尼方式，液態(tài)阻尼方式雖然阻尼特性較好，結(jié)構(gòu)簡單，但由于液態(tài)阻尼使用液壓油黏度受溫度影響較大，一般彈上使用產(chǎn)品工作環(huán)境溫度較低，有的達(dá)到-60℃，因此其阻尼特性受環(huán)境影響較大，不宜采用[9-12]。固態(tài)阻尼彈性材料、零件一般適用于低阻力、短行程阻尼；固態(tài)潤滑粉末雖在工業(yè)產(chǎn)品有使用，但在軍品使用較少，還不太成熟。而采用氣態(tài)阻尼雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，對密封設(shè)計(jì)要求較高，但環(huán)境適應(yīng)性好，技術(shù)成熟，因此低沖擊彈上作動器選擇氣態(tài)阻尼的方式。

1.2低沖擊彈上作動器設(shè)計(jì)

低沖擊阻尼彈上作動器主要由點(diǎn)火器、藥盒、活塞、筒體和鎖定銷組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。初始狀態(tài)，活塞由鎖定銷實(shí)現(xiàn)原始位置自鎖。工作時(shí)，點(diǎn)火器點(diǎn)燃火藥，產(chǎn)生的高壓氣體通過導(dǎo)氣管進(jìn)入作動器阻尼腔，然后氣體通過活塞上的小孔進(jìn)入動力腔，由于兩個(gè)腔室截面積不同，因此活塞對外界產(chǎn)生推力，推力增加到一定值時(shí)，切斷鎖定銷，克服前腔阻尼、彈簧以及外界載荷的阻力活塞緩慢運(yùn)動，活塞運(yùn)動過程中，氣體不斷通過活塞上的進(jìn)氣孔從阻尼腔補(bǔ)充到動力腔，保證活塞運(yùn)動速度均勻，動作平緩，對彈上其他機(jī)構(gòu)沖擊小。活塞運(yùn)動到規(guī)定距離時(shí)，由于受到前段結(jié)構(gòu)件阻擋停止運(yùn)動，同時(shí)活塞在氣體壓力的作用下處于自鎖保持狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)火工作動器大推力、低沖擊和體積小的要求，火藥作動時(shí)推力的大小可以通過火工品和藥劑的選型、藥量的匹配計(jì)算、動力腔和阻尼腔的壓力調(diào)整、進(jìn)氣通道的參數(shù)設(shè)置等方式來實(shí)現(xiàn)。

圖1　低沖擊阻尼彈上作動器結(jié)構(gòu)示意圖

2低沖擊阻尼式彈上作動器特性分析

2.1作動器氣動方程

由于作動器作用時(shí)間短，因此，將作動器與外界的能量交換忽略。按功能特點(diǎn)將作動器的氣動空間劃分為3個(gè)部分：燃?xì)獍l(fā)生腔、緩沖腔和動力腔，各腔室間在作用過程中能量與質(zhì)量傳遞關(guān)系如圖2所示。

圖2　作動器能量與質(zhì)量傳遞關(guān)系

根據(jù)圖2，建立各腔室在瞬態(tài)下氣體的能量與質(zhì)量微分方程

(1)

(2)

式中：m為藥柱的初始質(zhì)量；γ為燃?xì)獾谋葻岜?1.266 3)；fV為定容火藥力。

緩沖腔氣體質(zhì)量和能量微分方程為：

(3)

(4)

式中：U為活塞的運(yùn)動速度；S1為緩沖腔一側(cè)活塞承壓面積。

動力腔氣體質(zhì)量和能量微分方程為

(5)

(6)

式中S2為動力腔一側(cè)活塞承壓面積。

由氣體狀態(tài)方程，各腔室壓強(qiáng)、溫度、氣體質(zhì)量、能量有如下關(guān)系：

緩沖腔

(7)

(8)

式中：V1為阻尼腔體積；R為氣體常數(shù)，由通用氣體常數(shù)Rm除以燃?xì)饽栙|(zhì)量得到。

動力腔

(9)

(10)

式中：S1為動力腔一側(cè)活塞承壓面積；V2為動力腔初始體積；S為活塞運(yùn)動位移。

2.2仿真計(jì)算結(jié)果

利用Matlab軟件對上述方程進(jìn)行求解，得到動力腔與緩沖腔壓力-時(shí)間曲線如圖3所示(實(shí)線為緩沖腔曲線，虛線為動力腔曲線)；活塞位移-時(shí)間關(guān)系仿真曲線如圖4所示。

圖3　動力腔與緩沖腔壓力-時(shí)間關(guān)系仿真曲線

圖4　活塞運(yùn)動位移-時(shí)間關(guān)系仿真曲線

3試驗(yàn)驗(yàn)證

在不同的溫度、載荷情況下給低沖擊阻尼式彈上作動器供電(直流28.5V)，記錄從作動器開始動作到動作到位的時(shí)間、測試作動器在動作過程中對其他機(jī)構(gòu)的沖擊、活塞運(yùn)動時(shí)間和位移。試驗(yàn)情況如表2所示[3]。

表2　作動器試驗(yàn)情況匯總

試驗(yàn)表明本文設(shè)計(jì)的沖擊阻尼式彈上火工作動器具有緩沖壓力、降低活塞速度，在不同溫度環(huán)境下使用，通過調(diào)整藥柱的初始質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)推力、速度、行程可調(diào)整功能。

4結(jié)論

本文針對彈上火工作動器集動力輸出功能與緩沖作用為一體的研究目的，開展了結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、進(jìn)行了理論計(jì)算和有效的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明藥柱的初始質(zhì)量對低沖擊阻尼式彈上火工作動器的性能有重要影響，調(diào)整藥柱的初始質(zhì)量可實(shí)現(xiàn)高壓密封、小沖擊，使活塞運(yùn)動速度可控。由于不同型號自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及環(huán)境條件存在差異，低沖擊阻尼式彈上火工作動器在具體應(yīng)用時(shí)還需進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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(責(zé)任編輯周江川)

Research on High Load Low Impact Damping Onboard Pyrotechnics Actuation Technology

WU Jian-gang1, HUANG Min2, SHANG Ya-ling3

(1.Military Representative Office of Navy in Sanjiang Aerospace Corp., Wuhan 430040, China;2.Owned Station of Hong Feng Mechanical Factory, Xiaogan 432000, China;3.Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China)

Abstract:At present, more domestic onboard actuation products use energy generated by storage components or pyrotechnics such as spring and torsion spring as a power source, but there are some limitations in the thrust and impact overload respectively. This paper proposed a new kind of actuator based on gas damping. It can make the onboard actuation in large thrust, small impact and achieve many functions such as speed controllable by adjusting the initial weight of stick. This product has simple structure, small size and wide range of applications.

Key words:actuator; damping; thrust; impact

文章編號：1006-0707(2016)02-0034-04

中圖分類號：TJ45+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.009

作者簡介：吳建剛(1979—),男,碩士,主要從事自動控制技術(shù)研究。

收稿日期：2015-06-29；修回日期：2015-07-25

本文引用格式：吳建剛，黃敏，尚雅玲.氣態(tài)低沖擊阻尼式彈上火工作動器研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(2):34-36.

【裝備理論與裝備技術(shù)】