引信鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)抗振動(dòng)弧形槽結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)板

周守鋒，王念魯，馬 楠，許 彬

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)第四軍代室，陜西 西安 710032)

0 引言

無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)在引信上的應(yīng)用可以追溯到半個(gè)多世紀(jì)以前，早在二戰(zhàn)期間，德國就在引信上設(shè)計(jì)了塔瓦羅式無返回力矩調(diào)速器，作為機(jī)械式延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。由于無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)具有延遲時(shí)間的特性，絕大多數(shù)導(dǎo)彈和火箭彈引信的安全系統(tǒng)均采用這種機(jī)構(gòu)解決勤務(wù)處理安全性和發(fā)射時(shí)可靠解除保險(xiǎn)的矛盾[1]。無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)作為一種延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，具有抗干擾能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)較為惡劣的外界環(huán)境，作用可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在導(dǎo)彈、火箭彈引信中被廣泛應(yīng)用[2-3]。導(dǎo)彈及火箭彈引信常采用以發(fā)動(dòng)機(jī)過載作為原動(dòng)力的無返回力矩鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)主要由慣性塊、保險(xiǎn)板、鐘表裝置部件、驅(qū)動(dòng)板部件等組成；結(jié)構(gòu)形式通常是由慣性塊約束驅(qū)動(dòng)板部件，驅(qū)動(dòng)板約束保險(xiǎn)板部件，保險(xiǎn)板部件再約束住保險(xiǎn)銷鎖定水平轉(zhuǎn)子處于保險(xiǎn)位置。此種結(jié)構(gòu)在溫度等非力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)后都能可靠工作，但是在經(jīng)歷振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)后卻有可能出現(xiàn)引信不能可靠解除保險(xiǎn)的問題。文獻(xiàn)[4]對(duì)雙滑塊驅(qū)動(dòng)無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，在VisualNastran軟件環(huán)境下進(jìn)行了該機(jī)構(gòu)參數(shù)最佳匹配規(guī)律研究，采用正交試驗(yàn)和仿真研究該機(jī)構(gòu)中雙滑塊質(zhì)量參數(shù)最佳匹配、拉簧剛度和慣性簧剛度參數(shù)最佳匹配，解決在跌落、震動(dòng)等沖擊時(shí)鐘表機(jī)構(gòu)齒輪易折斷的問題，與本文討論的現(xiàn)象不一致。文獻(xiàn)[5]對(duì)齒輪齒條類型的鐘表機(jī)構(gòu)因振動(dòng)后產(chǎn)生磨損導(dǎo)致不解保的問題進(jìn)行過研究，作者通過改善齒條正弦振動(dòng)響應(yīng)頻率降低磨損以提高保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)抗振動(dòng)性能，但其與本文討論的鐘表機(jī)構(gòu)類型不同，問題原因也不同，方法不能直接借鑒。文獻(xiàn)[6]對(duì)使用相同類型鐘表機(jī)構(gòu)的引信在振動(dòng)試驗(yàn)后不能解保的問題進(jìn)行了分析，提出了用于克服振動(dòng)危害的滑塊小鉤結(jié)構(gòu)，該方法消除了驅(qū)動(dòng)板部件與慣性塊側(cè)面的摩擦損傷。由于文獻(xiàn)[6]所采用保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的支撐簧設(shè)計(jì)抗力較高，其在振動(dòng)試驗(yàn)過程中，支撐簧抗力能夠克服慣性力以及驅(qū)動(dòng)板壓力將慣性塊抵靠在蓋板上，從而在慣性塊與導(dǎo)向柱之間未出現(xiàn)磨損情況。但彈道環(huán)境發(fā)生變化，發(fā)射主動(dòng)段過載減小，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)慣性解保閾值降低時(shí)，慣性塊支撐簧設(shè)計(jì)抗力相對(duì)較弱，在振動(dòng)過程中，慣性塊會(huì)在慣性力以及驅(qū)動(dòng)板壓力的作用下上下滑動(dòng)，從而導(dǎo)致慣性塊與導(dǎo)向柱之間產(chǎn)生摩擦損傷。為此，本文提出了采用具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)板，提高鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)抗振動(dòng)性能。

1 傳統(tǒng)鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)及改進(jìn)后的慣性塊小鉤結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)工作過程

如圖1所示，發(fā)射后，慣性塊感受彈主動(dòng)段過載并克服支撐彈簧的抗力下滑，同時(shí)解除對(duì)驅(qū)動(dòng)板部件的約束，驅(qū)動(dòng)板部件在過載及保險(xiǎn)板扭簧抗力作用下開始繞軸旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)過鐘表裝置的延時(shí)后釋放保險(xiǎn)板，保險(xiǎn)板是一個(gè)D型軸結(jié)構(gòu)，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)到豎直位置后釋放保險(xiǎn)銷，并最終解除引信的慣性保險(xiǎn)。

從工作過程可以看出，這是一個(gè)串聯(lián)的動(dòng)作過程，受力也是依次傳遞，如圖2所示。保險(xiǎn)板部件在扭簧力矩M1的作用下繞O1旋轉(zhuǎn),被驅(qū)動(dòng)板部件擋住,并壓在驅(qū)動(dòng)板部件上的A點(diǎn),驅(qū)動(dòng)板部件受到保險(xiǎn)板部件的壓力N1后繞O2旋轉(zhuǎn),又壓在慣性塊的側(cè)面B點(diǎn)上,并最終達(dá)到力平衡。

圖1 傳統(tǒng)鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.1 Conventional clockwork arming device

圖2 傳統(tǒng)鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)受力關(guān)系圖Fig.2 Conventional clockwork arming device force diagram

1.2 慣性塊小鉤結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[2]針對(duì)上述結(jié)構(gòu)的鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)后不能可靠解除保險(xiǎn)的問題進(jìn)行過分析。圖2中，傳統(tǒng)鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)板部件的釋放銷壓在慣性塊的側(cè)面B點(diǎn)位置，振動(dòng)試驗(yàn)后在慣性塊的表面B點(diǎn)處形成摩擦損傷，使摩擦系數(shù)增大,造成慣性塊沿導(dǎo)向柱向下運(yùn)動(dòng)的摩擦力增大,最終導(dǎo)致機(jī)構(gòu)不解除保險(xiǎn)。

為此提出的解決辦法是給慣性塊底部側(cè)下方增加一個(gè)小鉤，如圖3所示。在保險(xiǎn)位置利用小鉤將驅(qū)動(dòng)板部件的釋放銷鉤起，使釋放銷與慣性塊側(cè)面脫離接觸，消除釋放銷與慣性塊側(cè)面的摩擦。受力圖見圖4，慣性塊增加小鉤后，驅(qū)動(dòng)板部件的釋放銷壓在慣性塊的小鉤上，慣性塊受力由原來的水平方向變成了豎直方向，作用點(diǎn)也由慣性塊的側(cè)面B點(diǎn)變成了小鉤上的C點(diǎn)。改變了受力點(diǎn)以后，磨損的位置也由B點(diǎn)變到C點(diǎn)，而在C點(diǎn)形成的摩擦損傷并不影響慣性塊的上下運(yùn)動(dòng)，也就不影響機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)。

當(dāng)彈道環(huán)境發(fā)生變化，發(fā)射主動(dòng)段過載減小，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)慣性解保閾值降低，慣性塊的支撐彈簧抗力進(jìn)一步減小時(shí)，采用文獻(xiàn)[2]提出的改進(jìn)方法在引信振動(dòng)試驗(yàn)后卻出現(xiàn)了新的零件磨損的情況，慣性塊與導(dǎo)向柱之間產(chǎn)生了新的摩擦損傷，導(dǎo)致慣性保險(xiǎn)不能可靠解除，因此需要采用新的改進(jìn)方法。

圖3 增加小鉤的慣性快Fig.3 Inertia block with small hook

圖4 小鉤結(jié)構(gòu)慣性快受力圖Fig.4 Inertia block with small hook force diagram

2 弧形槽結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)板

針對(duì)上述問題，本文提出采用具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)板來改變慣性塊的受力，改善零件之間的磨損情況，解決慣性保險(xiǎn)不能可靠解除的問題。

改進(jìn)后的鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)如圖5所示。在驅(qū)動(dòng)板上增加一個(gè)與轉(zhuǎn)軸同心的弧形槽，保險(xiǎn)板改短并在端部橫向伸出一個(gè)擋銷，引信保險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)擋銷抵靠在弧形槽內(nèi)側(cè)，保險(xiǎn)板部件受扭簧逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的力矩通過擋銷最終作用在弧形槽內(nèi)側(cè)。

圖5 改進(jìn)后的鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.5 Improved clockwork arming device

改進(jìn)后的鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)受力圖見圖6。保險(xiǎn)板扭簧的力矩M1通過擋銷作用在驅(qū)動(dòng)板部件弧形槽的A點(diǎn)上，該作用力N1方向沿弧形槽圓弧半徑方向向外，由于這個(gè)力的作用方向通過驅(qū)動(dòng)板部件的旋轉(zhuǎn)中心，故不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)板部件產(chǎn)生附加的力矩，驅(qū)動(dòng)板部件沒有了轉(zhuǎn)動(dòng)力矩就和慣性塊之間脫離了接觸，消除了相互作用的力，使慣性塊處在一個(gè)較自由的狀態(tài)，有利于減小振動(dòng)磨損。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)板部件沒有了附加力矩，僅在慣性力的作用下才能轉(zhuǎn)動(dòng)，而且與保險(xiǎn)板部件的相互抵靠又增加了驅(qū)動(dòng)板運(yùn)動(dòng)的阻尼，使驅(qū)動(dòng)板部件對(duì)跌落、沖擊等瞬時(shí)過載環(huán)境更加不敏感，有利于提高引信勤務(wù)處理中的安全性。

圖6 改進(jìn)后的鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)受力關(guān)系圖Fig.6 Improved clockwork arming device force diagram

3 理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 理論分析

通過分解試驗(yàn)后不解保的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，檢查發(fā)現(xiàn)，慣性塊與導(dǎo)向柱配合面上有嚴(yán)重的摩擦損傷，零件表面鍍層已經(jīng)破壞，如圖7所示。分析認(rèn)為正是這些磨損增大了慣性塊滑動(dòng)的摩擦力，致使慣性塊滑動(dòng)受阻，最終導(dǎo)致保險(xiǎn)不能可靠解除。

圖7 磨損的導(dǎo)向柱Fig.7 Worn guide post

要分析這些磨損是怎么產(chǎn)生的，需要分析慣性塊的受力，通過圖8受力分析圖可以看出，慣性塊在保險(xiǎn)位置時(shí)受到的力有4個(gè)：支撐彈簧的抗力f，方向豎直向上；釋放銷對(duì)慣性塊的壓力F，作用點(diǎn)在小鉤上，方向豎直向下；另外由于慣性塊與導(dǎo)向柱之間配合間隙的存在，導(dǎo)致慣性塊導(dǎo)向孔的上下邊沿與導(dǎo)向柱接觸表面形成兩個(gè)點(diǎn)壓力N1和N2。由于支撐彈簧抗力f與釋放銷的作用力F方向相反，且不在一條直線上，這就對(duì)慣性塊產(chǎn)生一個(gè)力矩，根據(jù)力的平衡原理，在慣性塊導(dǎo)向孔上下沿會(huì)產(chǎn)生一組大小相等，方向相反，且在一個(gè)平面內(nèi)的力組N1和N2，這兩個(gè)力的存在就導(dǎo)致慣性塊內(nèi)孔的上下邊沿與導(dǎo)向柱表面形成兩個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)。在引信振動(dòng)試驗(yàn)過程中，慣性塊上下滑動(dòng)與導(dǎo)向柱摩擦，應(yīng)力集中點(diǎn)的存在又加劇了這種摩擦，通過對(duì)比試驗(yàn)后的導(dǎo)向柱和慣性塊的摩擦印記，也能對(duì)應(yīng)應(yīng)力集中點(diǎn)的位置。在經(jīng)過一系列長時(shí)間的振動(dòng)試驗(yàn)后，慣性塊的內(nèi)孔和導(dǎo)向柱面均被摩損，致使慣性塊滑動(dòng)摩擦力增大，最終導(dǎo)致引信不能可靠解除保險(xiǎn)。

圖8 慣性塊受力圖Fig.8 Inertia block force diagram

文獻(xiàn)[2]中的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，分析原因是由于其支撐彈簧的抗力大，能夠?qū)T性塊支撐并抵靠在蓋板上，使慣性塊的受力得到改善，姿態(tài)穩(wěn)定，沒有應(yīng)力集中點(diǎn)，避免了這種邊棱摩擦的情況。

結(jié)合以上分析，要想提高引信振動(dòng)試驗(yàn)后解保可靠性，就要減小振動(dòng)過程中的磨損。具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)板則通過改善慣性塊的受力，能夠減小零件磨損，提高機(jī)構(gòu)抗振動(dòng)性能。

驅(qū)動(dòng)板部件受力見圖6，保險(xiǎn)板伸出的擋銷靠在弧形槽內(nèi)側(cè)，這樣保險(xiǎn)板部件的扭矩力M就通過弧形槽作用在驅(qū)動(dòng)板部件上，驅(qū)動(dòng)板部件受到的這個(gè)力F的作用方向通過驅(qū)動(dòng)板部件的轉(zhuǎn)軸中心O，這就不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)板部件產(chǎn)生附加力矩，形成了保險(xiǎn)板部件與驅(qū)動(dòng)板部件相互抵靠的狀態(tài)。

改善后慣性塊受力如圖9所示，驅(qū)動(dòng)板部件沒有了旋轉(zhuǎn)力矩，釋放銷對(duì)慣性塊壓力F沒有了，根據(jù)力矩平衡，慣性塊與導(dǎo)向柱之間的兩個(gè)應(yīng)力N1、N2也消除了，所以慣性塊原來受到的力F、N1、N2均為零。慣性塊僅受到支撐彈簧的抗力f和蓋板對(duì)其的壓力N，其受力狀態(tài)得到改善，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)慣性塊與導(dǎo)向柱之間是自由滑動(dòng)狀態(tài)，沒有應(yīng)力集中點(diǎn)，減小了振動(dòng)時(shí)慣性塊與導(dǎo)向柱的磨損，使滑塊在過載力作用下能夠順利滑動(dòng)到解保位置，保證機(jī)械保險(xiǎn)可靠解除。因此這種弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)板能夠解決振動(dòng)后慣性保險(xiǎn)不能可靠解除的問題。

圖9 改善后慣性塊受力圖Fig.9 Improved inertia block force diagram

另一方面，驅(qū)動(dòng)板部件沒有了附加力矩，僅在感受到主動(dòng)段彈道過載的慣性力作用下才能轉(zhuǎn)動(dòng)，而且與保險(xiǎn)板部件的相互抵靠又增加了驅(qū)動(dòng)板運(yùn)動(dòng)的阻尼，使驅(qū)動(dòng)板部件對(duì)跌落、沖擊等瞬時(shí)過載環(huán)境更加不敏感，有利于提高引信勤務(wù)處理中的安全性。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)前的12發(fā)產(chǎn)品試驗(yàn)情況見表1。

表1 改進(jìn)前試驗(yàn)情況

從表1可以看出，改進(jìn)前的12發(fā)產(chǎn)品在振動(dòng)試驗(yàn)前解保都正常，振動(dòng)試驗(yàn)后只有4發(fā)正常，其余8發(fā)均未在規(guī)定過載范圍內(nèi)解保。

改進(jìn)后的12發(fā)產(chǎn)品試驗(yàn)情況見表2。

表2 改進(jìn)后試驗(yàn)情況

從表2可以看出，改進(jìn)后的12發(fā)產(chǎn)品在振動(dòng)試驗(yàn)前后均正常解保。從試驗(yàn)后引信分解檢查情況看，慣性塊與導(dǎo)向柱之間基本沒有磨損痕跡，其余各部件也都正常。

4 結(jié)論

本文提出了引信鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)板。該結(jié)構(gòu)能夠改善慣性塊的受力，消除驅(qū)動(dòng)板部件造成的壓力，使慣性塊僅受支撐彈簧的抗力，能夠較穩(wěn)定地抵靠在蓋板上，消除應(yīng)力集中，減小了振動(dòng)過程中的磨損，保證引信慣性保險(xiǎn)能夠可靠解除，同時(shí)引信的安全性也得到一定的提高。理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采用這種結(jié)構(gòu)的鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在振動(dòng)試驗(yàn)前后均能正常解除保險(xiǎn)，因此采用具有弧形槽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)板能夠有效提高鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)抗振動(dòng)性能。