一種抗高過載小型電拔銷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潘守華，劉海旭，王天寶，王亞東，趙 亮，李 釗，曾祥濤

一種抗高過載小型電拔銷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潘守華1，劉海旭1，王天寶2，王亞東1，趙 亮1，李 釗1，曾祥濤1

（1. 北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司，陜西 西安，710025；2. 陸裝駐西安地區(qū)第一代表室，陜西 西安，710025）

設(shè)計(jì)了一種耐受高過載剪切式拔銷器，通過抗過載結(jié)構(gòu)和裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用過盈配合鎖定方式，實(shí)現(xiàn)了小型拔銷器拔銷和銷子自鎖功能。理論計(jì)算和試驗(yàn)研究表明，剪切式拔銷器具有良好的抗高過載能力，且功能可靠。

拔銷器；小型化；高過載

電拔銷器具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、作用可靠和安全性高的特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航天、航空、兵器等武器系統(tǒng)中[1]。隨著武器小型化的發(fā)展，彈道力學(xué)環(huán)境也越來越復(fù)雜，在某炮射導(dǎo)彈阻力器釋放機(jī)構(gòu)用電拔銷器的研制過程中，彈道過載沖擊值模擬為23齒、3個(gè)方向。由于安裝電拔銷器的體積空間相對較小，這對電拔銷器耐受高過載沖擊的設(shè)計(jì)提出了更高要求。傳統(tǒng)支撐片結(jié)構(gòu)的電拔銷器尺寸及耐受高過載的性能已不能滿足使用要求，特別是每發(fā)產(chǎn)品耐受3個(gè)方向高過載性能的要求。為此，筆者提出一種全新的小型拔銷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，解決了小型拔銷器耐受3個(gè)方向高過載，且結(jié)構(gòu)不損壞的問題，以滿足武器系統(tǒng)的使用要求。

1 電拔銷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

該電拔銷器設(shè)計(jì)要求為：尺寸為φ8mm×13mm，拔銷行程不小于3.5mm，同時(shí)需滿足銷子頭朝下23齒錘擊3次，頭朝上23齒錘擊1次，水平18齒錘擊6次（每隔60°錘擊1次）的循環(huán)錘擊，結(jié)構(gòu)不能損壞。

傳統(tǒng)拔銷器采用支撐片結(jié)構(gòu)，其中核心件支撐片為彈性簧片，對銷子在拔銷前起支撐、拔銷后起自鎖的作用[2]。相關(guān)資料顯示該類型拔銷器徑向可耐受23齒錘擊1次；銷子朝上、朝下方向不能耐受18齒過載沖擊。分析認(rèn)為銷子朝上錘擊試驗(yàn)后會(huì)出現(xiàn)銷子外露長度減少、銷子松動(dòng)的現(xiàn)象，存在拔銷器提前拔銷的風(fēng)險(xiǎn)；銷子朝下時(shí)出現(xiàn)燒結(jié)電極塞破裂的現(xiàn)象，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)損壞，電阻發(fā)生了變化。

依據(jù)電拔銷器作用原理和設(shè)計(jì)要求，電極塞選用抗高過載的陶瓷電極塞，設(shè)計(jì)一種剪切銷式電拔銷器，通過點(diǎn)火藥作用推動(dòng)銷子，切斷固定銷子的剪切銷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)拔回的功能，采用過盈配合實(shí)現(xiàn)自鎖。該設(shè)計(jì)核心是調(diào)節(jié)剪切銷直徑、材料及點(diǎn)火藥裝藥量之間的匹配，理論上只要剪切銷的直徑足夠大，就能滿足耐過載要求。但由于拔銷器外形尺寸較?。é?mm×13mm），設(shè)計(jì)時(shí)既要保證剪切銷能耐受23齒過載要求，又要實(shí)現(xiàn)可靠切斷，同時(shí)還要滿足銷子和管殼在剪切銷安裝孔位置的薄弱部分強(qiáng)度均大于剪切銷的強(qiáng)度，所以銷子和管殼的薄弱部分都要有一定的厚度。通過對電極塞和剪切銷所用材料的選型，及試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)新型小型電拔銷器，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 電拔銷器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

發(fā)火件接受到規(guī)定的能量刺激后，產(chǎn)生的火焰氣體沿傳火方向?qū)N子內(nèi)的藥劑點(diǎn)燃，同時(shí)產(chǎn)生沖擊力，使得銷子克服剪切銷的約束向拔銷方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拔銷的功能。銷子運(yùn)動(dòng)到位后緩沖環(huán)將其鎖定，防止銷子的反彈。

1.3 理論計(jì)算

拔銷器抗過載能力主要由銷子固定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定，本結(jié)構(gòu)采用金屬剪切銷將銷子與管殼固定在一起。剪切銷固定結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3.1 過載力值計(jì)算

根據(jù)牛頓第二定律知，銷子在錘擊時(shí)所受的作用力為：

=（1）

式（1）中：為銷子慣性力，N；為銷子質(zhì)量，kg；為錘擊過載加速度，m/s2。查資料可知[3]：23齒錘擊等效過載為：29 000g。

經(jīng)計(jì)算：=203N。

圖2 剪切銷固定結(jié)構(gòu)

1.3.2 剪切銷最小剪斷力

根據(jù)材料手冊，所用不銹鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限σ=540~880MPa；由機(jī)械強(qiáng)度理論知，許用剪應(yīng)力[]為：

式（2）中：[]為材料的許用應(yīng)力，MPa；為材料安全系數(shù)，取=1.25~1.50。

經(jīng)計(jì)算：[]≥360~720MPa。

剪切面積：

式（3）中：為剪切面積，m2；為剪切銷直徑，mm。

由強(qiáng)度理論知，剪切銷被剪斷所需的最小力為許用剪切力與剪切面積的乘積，即：

1=×≥[] ×（4）

剪切銷設(shè)計(jì)裕度取2.5~5.5，得1=×=507.5 ~1 116.5N。

經(jīng)計(jì)算：=0.947~1.004mm。

取剪切銷直徑為1mm。

1.3.3 緩沖環(huán)過盈阻力

為實(shí)現(xiàn)銷子作用后自鎖，設(shè)計(jì)了緩沖環(huán)。緩沖環(huán)與銷子采用過盈配合方式，通過過盈阻力消耗銷子能量，最終實(shí)現(xiàn)銷子自鎖功能[4]。銷子外徑和緩沖環(huán)內(nèi)徑為5.5mm，緩沖環(huán)和銷子均為金屬材料，過盈量決定了銷子運(yùn)動(dòng)的最終狀態(tài)，見圖3。

通過靜態(tài)測試得到不同公差等級(jí)與過盈阻力的關(guān)系，見表1。

圖3 自鎖結(jié)構(gòu)

表1 不同公差等級(jí)與過盈阻力的關(guān)系

Tab.1 Relation between different tolerance grade and interence force

1.3.4 裝藥設(shè)計(jì)

裝藥量與拔銷克服阻力有關(guān)。銷子在縮回過程中須克服銷子端負(fù)載阻力、剪切銷抗力及緩沖環(huán)阻力。對于密閉容腔內(nèi)真實(shí)爆炸氣體，使用阿貝爾余容狀態(tài)方式計(jì)算裝藥量，但拔銷器為非密閉空間，作用后存在氣體流出，參考無后座炮相關(guān)設(shè)計(jì)，假定氣體流出相對量為50%，則修正后的計(jì)算公式為[5]：

式（5）中：為裝藥量，kg；P為火藥燃燒后產(chǎn)生的壓力，MPa；為總?cè)萸唬?9.53×10-3cm3；K為修正系數(shù)，取0.6；為火藥氣體余容，cm3/kg；為火藥力，J/kg。

要使銷子可靠縮回，則火藥燃燒后產(chǎn)生的壓力須大于拔銷的阻力，則：

式（6）中：1為剪切銷剪切力，565.2～1 105.3N；2為銷子端負(fù)載阻力，42N；3為緩沖環(huán)阻力，約210N；1為容腔大徑，m；2為容腔小徑，m。

經(jīng)計(jì)算：P=46.45~77.155MPa

火藥氣體余容根據(jù)公式（7）計(jì)算：

=e-0.4ρ（7）

式（7）中：為氣體余容；為火藥燃燒后的氣體密度，為簡化計(jì)算，爆炸后氣體密度近似認(rèn)為等于裝填密度△。

查資料[5]知，所用點(diǎn)火藥的火藥力為=0.43MJ /kg，代入式（5）~（7），經(jīng)計(jì)算得裝藥藥量為：=8.9~14.8mg。為保證拔銷器均能可靠縮回，裝藥量應(yīng)大于14.8 mg，故確定裝藥量為15～16mg。

2 試驗(yàn)研究

確定電拔銷器剪切銷直徑和產(chǎn)品裝藥量后，為保證產(chǎn)品作用的可靠性，對產(chǎn)品進(jìn)行裝藥裕度試驗(yàn)、抗過載試驗(yàn)和氣候環(huán)境試驗(yàn)。

2.1 裝藥裕度試驗(yàn)

根據(jù)理論計(jì)算的藥量，進(jìn)行了不同藥量的對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 裝藥藥量對比試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Contrast test of charge mass

由表2試驗(yàn)結(jié)果可知，裝藥量在11.1～22.0mg的范圍內(nèi)都能滿足功能要求?？紤]拔銷器工作裕度及爆炸沖擊對系統(tǒng)的影響，確定藥量范圍為15～16mg。確定藥量后，分別按上、下限藥量的120%與80％進(jìn)行了藥量裕度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 輸出端裝藥藥量裕度試驗(yàn)

Tab.3 Output charge margin test

由表3裕度試驗(yàn)結(jié)果表明，藥量設(shè)計(jì)合理，能夠保證銷子可靠縮回，且結(jié)構(gòu)完整。

2.2 抗過載試驗(yàn)

拔銷器在符合WJ 233-1977要求的錘擊機(jī)上進(jìn)行抗過載能力驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)條件按銷子頭朝下23齒錘擊3次→銷子頭朝上23齒錘擊1次→徑向18齒錘擊6次（每隔60°錘擊1次）指標(biāo)進(jìn)行，試驗(yàn)后檢測銷子外露尺寸和產(chǎn)品電阻，試驗(yàn)前后銷子外露尺寸變化不大于0.04mm，電阻變化不大于0.1Ω判定為合格。錘擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 錘擊試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Hammering test results

由表4可知，拔銷器錘擊試驗(yàn)后，同一發(fā)產(chǎn)品銷子外露尺寸最大變化為0.03mm，電阻最大變化為0.03Ω，判定為合格，即銷子外露尺寸和產(chǎn)品電阻基本無變化，表明拔銷器具有良好的抗過載能力。錘擊試驗(yàn)后進(jìn)行了功能試驗(yàn)，拔銷器均可靠作用，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

2.3 環(huán)境試驗(yàn)

拔銷器狀態(tài)確定后，試制40發(fā)產(chǎn)品，進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)和功能試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表5 錘擊試驗(yàn)后功能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.5 Functional test results after hammering test

表6 功能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.6 Functional test results

試驗(yàn)表明，拔銷器設(shè)計(jì)合理，緩沖環(huán)能夠有效對銷子實(shí)現(xiàn)自鎖，且功能可靠。

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種剪切銷式拔銷器，實(shí)現(xiàn)了小型化拔銷器抗高過載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）通過理論計(jì)算及裝藥裕度試驗(yàn)研究，提供小型拔銷器抗高過載及裝藥量的理論計(jì)算方法。

[1] 王凱民.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2006.

[2] 崔衛(wèi)東.拔銷器的小型化設(shè)計(jì)[J].火工品,2006(2):17-19.

[3] 夏建才.火工品制造[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.

[4] 孫潔.拔銷器作用過程的仿真研究[J].火工品，2017(1):10-13.

[5] 王凱民.火工品工程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2014.

The Structure Design of An Anti-high Overload Electric Pin Puller with Small Size

PAN Shou-hua1，LIU Hai-yu1，WANG Tian-bao2，WANG Ya-dong1，ZHAO Liang1，LI Zhao1，ZENG Xiang-tao1

（1.North Special Energy Group Co.Ltd.，Xi’an,710025；2. The First Representative Office of Army Equipment in Xi’an，Xi’an,710025）

A kind of pin puller with forward-fired transfer and reverse movement structure was designed. The anti-high overload pin puller is realized by the anti-high overload structure, charge structure and anti-rebound structure design. The theoretical calculation and experimental study show that the designed pin puller has good anti-high overload ability and reliable function.

Pin puller；Small-sized；High overload

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.003

1003-1480（2019）06-0009-04

2019-11-14

潘守華（1979-），男，高級(jí)工程師，主要從事火工品設(shè)計(jì)研究。