內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子延期解除保險時間仿真及模擬實驗研究

吳曉軍， 方 帆

(1. 中北大學(xué) 信息商務(wù)學(xué)院， 山西 晉中 030600； 2. 先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點實驗室， 山西 太原 030051； 3. 中國人民解放軍63961部隊， 北京 100012)

0 引 言

在小口徑彈藥引信的設(shè)計中， 存在的最突出矛盾是引信作用性能要求高而引信設(shè)計體積小， 這種矛盾給小口徑引信設(shè)計尤其是隔爆機(jī)構(gòu)和延期解除保險機(jī)構(gòu)設(shè)計帶來了很大困難. 球轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)是一種典型的引信機(jī)構(gòu)， 具有結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、 便于制造、 能緊湊地與引信其他機(jī)構(gòu)結(jié)合設(shè)計在一起的優(yōu)點， 是小口徑引信比較理想的一種隔離機(jī)構(gòu)[1].

但是球轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)自身運動提供的解除保險距離尚不滿足引信安全性能的要求， 在引信設(shè)計的工程實踐中， 需要另外設(shè)計延期解除保險裝置， 如無返回力矩鐘表延期解除保險、 準(zhǔn)流體延期解除保險、 氣體延期解除保險、 易熔合金延期解除保險、 軟帶延期解除保險、 火藥延期解除保險等[2-9]. 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子是對傳統(tǒng)球轉(zhuǎn)子的一種創(chuàng)新性改進(jìn)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點， 是傳統(tǒng)延期解除保險裝置的一種有效補(bǔ)充.

文獻(xiàn)[1]提出了內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子的原理， 本文結(jié)合具體的工程應(yīng)用背景進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計， 仿真分析及實驗驗證.

1 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子裝置工作原理

靜止?fàn)顟B(tài)時， 離心子嵌入在引信壁中， 并將球殼合件及球轉(zhuǎn)子鎖定在隔爆位置. 如圖 1 所示.

圖 1 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子工作原理圖Fig.1 Schematic of embedded two-ball rotor

發(fā)射時， 在離心力作用下， 球殼合件受離心子的限制， 只能沿球殼合件上的導(dǎo)槽運動， 當(dāng)運動到導(dǎo)槽較大的孔時， 離心子受離心力作用飛出， 解除了對球轉(zhuǎn)子的約束， 球轉(zhuǎn)子開始在離心力作用下轉(zhuǎn)正， 這時球轉(zhuǎn)子、 球殼合件、 雷管和擊針對正， 引信處于待發(fā)狀態(tài)， 運動過程如圖 2 所示.

圖 2 運動過程圖Fig.2 Exercise diagram

內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子的受力與傳統(tǒng)的球轉(zhuǎn)子類似， 限于篇幅， 本文就不展開分析了.

2 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子裝置動力學(xué)仿真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子裝置選用了典型的內(nèi)彈道參數(shù)， 具體為： 平均最大膛壓≤320 MPa； 炮口初速1 050 m/s； 炮口角速度56 000 r/min； 最大后坐過載系數(shù)k1與最大爬行力系數(shù)k3分別為 132 000 和913； 常溫下彈丸在膛內(nèi)運動時間 0.004 s.

在后效期終了時， 可近似地認(rèn)為彈丸已飛離炮口約38倍口徑的距離， 此時彈丸的速度比炮口初速增加約3%， 所以在后效期內(nèi)彈丸的平均速度為1.015Vg. 因此， 整個后效期內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子裝置所經(jīng)歷的時間為

式中：th為后效時間；D為口徑；Vg為炮口初速.

通過結(jié)構(gòu)方案設(shè)計初步確定球殼、 球轉(zhuǎn)子及離心子等關(guān)鍵零部件的質(zhì)量、 質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量如表 1 所示.

表 1 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子裝置質(zhì)量、 質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動慣量

2.2 仿真結(jié)果

彈丸飛至后效期后所受爬行力由爬行過載系數(shù)k3值確定， 并近似認(rèn)為內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子裝置中球轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正之前爬行力恒定. 球殼與離心子的彈道環(huán)境力由膛壓曲線和后效期彈底壓力表初步確定， 如圖 3 和圖 4 所示. 由設(shè)計原理可知球轉(zhuǎn)子的啟動期一定在彈丸后效期以后， 因此可近似設(shè)定球轉(zhuǎn)子只受爬行力的作用， 如圖 5 所示.

彈丸旋轉(zhuǎn)速度在膛內(nèi)近似線性增加， 在炮口處達(dá)到最大值wg， 且近似認(rèn)為出炮口后至球轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正這段時間內(nèi)彈丸轉(zhuǎn)速維持恒定， 仿真結(jié)果如圖 6 所示.

圖 3 球殼所受彈道環(huán)境力Fig.3 The trajectory environment force on the ball shell

圖 4 離心子所受彈道環(huán)境力Fig.4 The trajectory environment force on the centrifugal

圖 5 球轉(zhuǎn)子所受爬行力Fig.5 The crawling force on the ball rotor

根據(jù)設(shè)計要求， 設(shè)定當(dāng)彈丸在膛內(nèi)轉(zhuǎn)速達(dá)到炮口最大轉(zhuǎn)速的一半時， 球殼上的C型簧(離心保險)解除保險. 因此由圖 6 可知， 在0.002 s時球殼解除離心保險時存在一小范圍的波動， 但由于同時受到膛內(nèi)較大的后坐環(huán)境力作用， 此時球殼無法轉(zhuǎn)動， 因此仍處于靜止?fàn)顟B(tài). 在0.004 6 s時球殼開始轉(zhuǎn)動， 在0.024 7 s時球殼基本轉(zhuǎn)正， 此時離心子解除對球轉(zhuǎn)子的約束， 球轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動， 至 0.029 s 時轉(zhuǎn)正到位. 考慮到雷管與導(dǎo)爆藥搭邊時就有引爆導(dǎo)爆藥的可能， 按θ=30°的時間作為解除保險的時間， 此時t=0.026 1 s.

圖 6 球殼及球轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)正過程Fig.6 The process of the ball shell and ball rotor’s turning positive

由此可見， 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子裝置的延期解除保險距離包括球殼轉(zhuǎn)正時間和球轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正兩部分時間所得到的距離， 其中通過設(shè)置導(dǎo)向槽大大降低了球殼的角速度， 提高了延期解除保險的時間. 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子解除保險機(jī)構(gòu)延期解除保險距離主要由球殼的運動所決定. 由圖6可得球轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)正時間為0.022 1 s.

最終內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子獲得的延期保險距離為

L=V0t=1 050×0.022 1=23.205 (m),

式中：V0為彈丸初速， m/s；L為內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子獲得的延期解除保險距離， m.

由仿真結(jié)果可知， 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子裝置的延期解除保險距離可以滿足20 m的指標(biāo)要求.

3 模擬實驗及分析

為了驗證仿真結(jié)果的正確性， 設(shè)計了相關(guān)的實驗方案. 實驗原理： 利用離心機(jī)來模擬旋轉(zhuǎn)， 將試驗測試裝置連接于離心機(jī)轉(zhuǎn)軸， 光信號采集電路安裝至測試裝置正上方， 通過光路的通斷， 顯示讀取計時信號， 確定球殼和球轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)正時間. 試驗樣機(jī)和測試裝置裝配體如圖 7， 圖 8 所示.

在10 000 r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行多次試驗， 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)都可以可靠解除保險， 利用光電測試裝置， 完成對內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)延期解除保險時間的測試， 其中典型測試結(jié)果如圖 9 所示.

圖 7 離心試驗后轉(zhuǎn)正的內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子Fig.7 The embedded double ball rotor turning positive after centrifugal test

圖 8 實驗裝置安裝示意圖Fig.8 Experimental installation diagram

圖 9 10 000 r/min測試結(jié)果Fig.9 The test result of 10 000 r/min

圖 9 中第一個高電平表示內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)處于隔爆狀態(tài)； 第一個下降沿對應(yīng)球殼啟動時刻， 第一段低電平對應(yīng)球殼的轉(zhuǎn)正過程； 第一個上升沿對應(yīng)球殼轉(zhuǎn)正定位銷退出時刻， 解除對球轉(zhuǎn)子的約束后， 球轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)正過程對應(yīng)第二段高電平； 第二個下降沿對應(yīng)球轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正時刻， 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)解除保險， 對應(yīng)最后的低電平狀態(tài). 由圖9可知， 球殼轉(zhuǎn)正時間為2.684 s， 球轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正時間為0.082 s. 采用上文所述典型的外彈道參數(shù)， 經(jīng)外推計算， 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子延期解除保險裝置可以滿足20 m延期解除保險距離的要求， 驗證了仿真計算的合理性.

4 結(jié) 論

本文研究了內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子延期解除保險的原理， 完成了關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計， 并應(yīng)用相關(guān)的仿真軟件進(jìn)行了仿真. 仿真結(jié)果表明： 在典型的彈道環(huán)境下， 內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子延期解除保險裝置的延期解除保險距離大于20 m. 本文還設(shè)計了相關(guān)實驗， 實驗結(jié)果說明內(nèi)嵌式雙球轉(zhuǎn)子延期解除保險裝置的延期解除保險距離滿足引信安全設(shè)計準(zhǔn)則的要求.

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