引信用電磁拔銷器電磁力測試方法

周 偉，張 力，邱強強

(1.北京理工大學(xué)，北京 100081;2.西北工業(yè)集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

高技術(shù)武器裝備不斷發(fā)展,使現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式和戰(zhàn)場空間發(fā)生了根本性變化，點目標精確打擊對引信安全系統(tǒng)提出了更高要求[1]。單純依靠感知環(huán)境力解除保險的傳統(tǒng)引信機構(gòu)被取代的趨勢不可逆轉(zhuǎn)[2]。電磁保險機構(gòu)應(yīng)運而生，該機構(gòu)被廣泛運用在機電引信設(shè)計中[3-4]。

電磁拔銷器因其原理簡單，信號可反饋，安全狀態(tài)可恢復(fù)等優(yōu)點不斷得到優(yōu)化[4-5]。勤務(wù)處理過程中拔銷器在非解除保險狀態(tài)下，保險銷安全位置的保持依靠彈簧等部件提供自鎖力，發(fā)射過程中解除保險則需要克服壓縮彈簧抗力，因此電磁拔銷器保險銷在運動過程中關(guān)鍵位置電磁力的大小將對彈簧等彈性部件設(shè)計提供重要依據(jù)。

當(dāng)前尚有關(guān)于大型電磁鐵力特性測試方法的研究[6]，但電磁拔銷器體積較小，且輸出實際電磁吸合力真值為保險銷磁化后電磁吸合力與彈簧抗力之差(本文用保持力表示該差值)，其力特性曲線不同于單一電磁鐵力特性曲線。目前電磁拔銷器多采用電磁仿真估測吸合力[7]或直接安裝力傳感器動態(tài)測試，但環(huán)境干擾因素較多，誤差較大，對于越來越趨于小型化的拔銷器設(shè)計，電磁力誤差會影響引信機構(gòu)安全性能，給電磁拔銷器整體設(shè)計帶來安全隱患。目前引信用電磁拔銷器研究缺乏對其電磁力實際大小有效測試方法，無法為后續(xù)彈簧等可恢復(fù)部件設(shè)計提供準確依據(jù)，本文針對此問題，提出了引信用電磁拔銷器電磁力測試方法。

1 電磁拔銷器原理及力測試要求

一般可以把引信安全保險裝置分為機械解除保險式和電解除保險式兩大類[2]。電磁拔銷器依靠電磁力驅(qū)動保險銷軸向運動以控制保險裝置正常工作。電磁拔銷器是由機械解除保險向電解除保險轉(zhuǎn)型的典型保險裝置。電磁拔銷器被廣泛應(yīng)用在火工品安全閥[8]、舵機鎖制裝置中。拔銷器在引信系統(tǒng)中不斷成熟得益于對其小型化的設(shè)計改進[9]。相比于單一依靠慣性力等環(huán)境信息解除保險，機電保險裝置更加穩(wěn)定多用；保險銷鎖定與解除保險能夠隨著上電和去電重復(fù)進行，可以保證武器未按預(yù)定條件工作時恢復(fù)安全狀態(tài)，提升保險機構(gòu)安全性。在國內(nèi)外引信機構(gòu)實際應(yīng)用中，一般設(shè)計多級保險裝置，電磁拔銷器被設(shè)計為其中一環(huán)。

國內(nèi)外關(guān)于電磁拔銷器的研究甚多，電磁拔銷器結(jié)構(gòu)不可勝舉，但基本相同，均依靠拔銷器中電磁鐵部件[10]提供牽引力，圖1為電磁拔銷器基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 電磁拔銷器剖視圖Fig.1 Electromagnetic actuator section view

電磁拔銷器主要由保護件外殼、線圈骨架、勵磁線圈、底座、可移動保險銷、復(fù)位用彈簧組成。電磁拔銷器基于電磁感應(yīng)原理工作。在彈藥勤務(wù)處理及發(fā)射過程中電磁拔銷器不通電，保險銷受彈簧預(yù)壓抗力作用伸出外殼鎖定隔爆件。彈藥發(fā)射后滿足一定條件時，給拔銷器勵磁線圈兩端通電，電流的磁效應(yīng)使保險銷磁化，金屬底座受到磁化后保險銷電磁吸力作用牽引保險銷向下運動，運動到位后解除對隔爆件的鎖定，從而達到解除保險目的。

以上即為電磁拔銷器用于引信安全機構(gòu)的基本原理，實際設(shè)計中也有用一對同名永磁體(磁彈簧)代替普通彈簧提供預(yù)壓抗力從而鎖定隔爆件的電磁拔銷器[5]。通電工作時利用復(fù)合磁場牽引保險銷運動，原理相同。在武器系統(tǒng)應(yīng)用中，尤其是導(dǎo)彈引信安全系統(tǒng)中十分常見。

引信安全系統(tǒng)主要功能為安全狀態(tài)的控制與轉(zhuǎn)換，即保證勤務(wù)處理安全，發(fā)射后可靠解除保險[1]。作為保險機構(gòu)的電磁拔銷器同樣需要滿足這兩點基本要求。以常見的彈簧為復(fù)位部件的引信用電磁拔銷器為例說明對拔銷器的要求。

對于電磁拔銷器，首先要求其在勤務(wù)處理過程中保證保險銷始終鎖定隔爆件，因此彈簧需要提供一定的預(yù)壓抗力。在勤務(wù)處理過程中該預(yù)壓抗力必須能夠抵抗搬運等過程產(chǎn)生的慣性力沖擊，僅考慮勤務(wù)處理則彈簧預(yù)壓力越大越好；而在發(fā)射過程中電磁拔銷器需要按預(yù)定要求順利解除保險，即保證通電后電磁力能夠克服彈簧抗力及彈道爬行力驅(qū)動保險銷運動到位，解除保險。但由于電磁拔銷器體型較小，其勵磁線圈較細，電壓過高會損壞線圈，拔銷器對通電電壓限制較高，因此電磁力峰值有限?？紤]解除保險過程則彈簧彈性力越小越好。綜合考慮電磁拔銷器兩點基本要求，需要在彈簧設(shè)計上尋找平衡點，而找尋此平衡點需首先了解電磁拔銷器保險銷在關(guān)鍵位置電磁力的大小。

勤務(wù)處理與導(dǎo)彈發(fā)射均為動態(tài)實現(xiàn)過程，安裝力傳感器動態(tài)測試是最直接的方法，但無論在勤務(wù)處理還是發(fā)射過程中，由于電磁拔銷器相對導(dǎo)彈體積極小，難以直接安裝力傳感器，其彈簧彈力和電磁力相對其他力學(xué)數(shù)值同樣極小，直接動態(tài)測試環(huán)境干擾明顯、誤差極大，難以精確測量；同時動態(tài)測試可重復(fù)性差，增加測試時間和成本。但依據(jù)牛頓第二定律，力與質(zhì)量和加速度直接相關(guān)，電磁拔銷器質(zhì)量已知，在獲得導(dǎo)彈勤務(wù)處理和發(fā)射過程的加速度閾值后，電磁力測試可以轉(zhuǎn)換為靜態(tài)過程(導(dǎo)彈實際應(yīng)用過程加速度是不斷變化的，但只要相應(yīng)力值能抵抗最大加速度沖擊即可滿足要求，因此測試可以靜態(tài)轉(zhuǎn)換)：直接通過實驗室階段靜態(tài)測試電磁拔銷器相應(yīng)力值計算求解加速度，用該數(shù)值模擬導(dǎo)彈實際應(yīng)用過程中電磁拔銷器可抵抗的最大加速度沖擊，并與閾值比較，即可為電磁拔銷器設(shè)計提供依據(jù)?；谠撍枷氡疚奶岢鲭姶帕y試方法，目的為：1) 現(xiàn)有電磁拔銷器性能測試；2) 為新電磁拔銷器彈簧設(shè)計提供依據(jù)。

2 電磁力測試方法

基于以上對電磁力測試目的和方法的討論，分別對不同結(jié)構(gòu)電磁拔銷器進行電磁力測試。本文采用TYTRON250微力測試儀進行電磁力測試，測試儀結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2所示。

圖2 TYTRON250微力測試儀及工作原理圖Fig.2 MTS TYTRON250 and its principium

TYTRON250微力測試儀可對各類微小材料進行拉壓彎和疲勞試驗，可用于材料微力動靜態(tài)力學(xué)試驗。位移范圍0.000 1～100 mm, 動靜載荷范圍0.01～250 N，位移和載荷測試精度可達10-4。通過控制臺架帶動試件移動，可以得到材料或彈性元件的力-位移參數(shù)曲線。

2.1 現(xiàn)有電磁拔銷器性能測試

勤務(wù)處理安全、發(fā)射后可靠解除保險是對電磁拔銷器的基本要求，通過測試及計算，可以得到勤務(wù)處理安全性及發(fā)射后解除保險相關(guān)性能。

首先測試勤務(wù)處理及發(fā)射過程中拔銷器安全性。若拔銷器彈簧在保險位置提供的抗力大于勤務(wù)處理及發(fā)射過程最大慣性力，即可保證勤務(wù)處理及發(fā)射安全；因此，測試保險位置彈簧抗力，并計算得到拔銷器在保險位置能夠抵抗的最大過載加速度，由此檢驗拔銷器是否滿足勤務(wù)處理及發(fā)射時安全性能要求。

如圖3所示，將電磁拔銷器固定在測試儀右側(cè)位移敏感端，調(diào)整好左側(cè)初始位置后鎖定儀器，設(shè)置終止位置和步長，內(nèi)推保險銷。為保持定步長勻速移動，左側(cè)夾具接觸保險銷瞬間會克服彈簧初始抗力產(chǎn)生力的階躍，由此測得彈簧保險位置抗力，作為計算抵抗最大過載加速度依據(jù)。

圖3 拔銷器初始抗力測試示意圖Fig.3 Initial resistance test of the actuator

為保證正常工作，電磁拔銷器解除保險通常采用大電壓吸合，小電壓保持的工作方式。瞬時大電壓保證保險銷運動到位，小電壓保證保險銷保持在解除保險(吸合)位置，該工作方式兼顧拔銷器性能要求與勵磁線圈安全。因此小電壓狀態(tài)下電磁保持力大小直接決定電磁拔銷器抗彈道干擾能力。

測試時將電磁拔銷器固定在測試儀上，如圖4所示。調(diào)整好初始位置后鎖定儀器，同理設(shè)置終止位置和步長，在保持電壓作用下保險銷穩(wěn)定在解除保險位置。啟動測試儀器外拉保險銷，當(dāng)拉力達到保險銷保持力時，保險銷開始被勻速拉動，之后電磁吸合力隨保險銷移動而減小，彈簧抗力同時減小。但電磁吸合力變化更快，如圖5所示(圖示兩條曲線分別根據(jù)電磁鐵經(jīng)驗公式和彈力計算公式繪制)，因此電磁力(電磁吸合力-彈簧抗力)逐漸減小，拉力隨之減小。當(dāng)保險銷移動到圖5點e所示位置后,電磁吸合力與彈簧彈力相等，拉力降為零；超過e點，無需施加外力，保險銷即可恢復(fù)初始保險位置；而在e點之前，一旦外力消失，銷子將在電磁吸合力作用下克服彈簧抗力恢復(fù)到解除保險位置。

圖4 拔銷器吸合力測試示意圖Fig.4 Suction test of the actuator

改變保持電壓，進行上述測試，可以得到不同保持電壓條件下保險銷保持力。以保持力為依據(jù)計算電磁拔銷器抗彈道過載加速度，驗證可靠解除保險性能要求。

圖5 保險銷在不同位置電磁吸合力-彈簧彈力曲線Fig.5 Electromagnetic-spring force curve of pin in different positions

2.2 電磁拔銷器電磁力測試

設(shè)計電磁拔銷器彈簧時，需首先了解已安裝勵磁線圈拔銷器內(nèi)部磁場強弱，即在不同通電電壓條件下，保險銷從初始(保險)位置運動到終止(吸合)位置全過程電磁吸合力變化情況；并以此為依據(jù)，根據(jù)勤務(wù)處理安全性以及彈道抗過載干擾要求進行拔銷器彈簧設(shè)計。

測試原始拔銷器電磁力方法與2.1節(jié)所述相同，不同之處為：進行電磁吸合力測試時，不加彈簧。通過測試可以得到：

1) 不同電壓下，拔銷器在保險位置的電磁力；

2) 不同保持電壓下，拔銷器在吸合位置的電磁力。

這些參數(shù)可為拔銷器工作的初始大電壓、保持小電壓選取，以及彈簧設(shè)計提供依據(jù)。

3 實驗驗證與結(jié)果分析

基于第二章所述測試方法，利用微力測試儀測得電磁拔銷器電磁力和彈簧預(yù)壓力，同時得到電磁保持力/電磁吸合力-保險銷位移曲線。

以某電磁拔銷器為例進行測試，測試結(jié)果如圖6、圖7及表1所示。

圖6為拔銷器初始抗力測試曲線，為排除偶然因素影響，對同一拔銷器重復(fù)三次測試：測試初始抗力不通電，拔銷器處于初始保險位置；測試開始后，測試儀左側(cè)力敏感端開始移動(內(nèi)推)，當(dāng)橫坐標為零時(圖6點a)，測試儀開始接觸保險銷，此時產(chǎn)生力的階躍即為彈簧初始抗力；此后測試儀繼續(xù)移動，力-位移曲線按照胡克定律繼續(xù)線性增長直到保險銷運動到位(解除保險)。

圖6 初始抗力測試曲線Fig.6 Initial resistance test curve

圖7為不同保持電壓條件下，拔銷器電磁保持力-保險銷位移測試曲線：拔銷器分別接通9、7、5 V常用保持電壓，均處于解除保險位置；測試開始后，測試儀左側(cè)力敏感端開始移動(外拉)，當(dāng)橫坐標為零(圖7點b)時，測試儀開始拉動保險銷，在通電條件下，拔銷器所受拉力與電磁力、彈力合力大小相等，即圖5兩條曲線之差，故拉力逐漸減??；直到橫坐標負-1(圖7點c)處拉力保持為零，對應(yīng)圖5中e點。圖7點b對應(yīng)縱坐標值即為解除保險位置電磁保持力。

圖7 保持力測試曲線Fig.7 Suction test curve

電磁拔銷器通常用于導(dǎo)彈中，其一般需要滿足以下基本要求：彈藥勤務(wù)處理及發(fā)射產(chǎn)生的慣性加速度一般不超過30g；當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射后引信系統(tǒng)正常工作，電磁拔銷器解除保險即保險銷穩(wěn)定吸合，要求保險銷在彈道中能夠抵抗因彈體振動引起的軸向加速度干擾，維持穩(wěn)定狀態(tài)。一般該干擾加速度不超過100g。經(jīng)測試，該拔銷器保險銷質(zhì)量為1.5 g，根據(jù)牛頓第二定律，并分析圖6和圖7，將關(guān)鍵位置力值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)加速度后與閾值對比，驗證其是否滿足引信安全機構(gòu)要求，結(jié)果如表1所示。

表1 電磁拔銷器主要測試參數(shù)與結(jié)果Tab.1 The main test parameters of electromagnetic actuator and results

為保證實驗數(shù)據(jù)準確性，將本實驗所測拔銷器結(jié)構(gòu)參數(shù)代入電磁鐵電磁力經(jīng)驗公式[11-12]，公式理論值與實驗測試值基本吻合，驗證該測試方法的準確性。由表1可知，該電磁拔銷器滿足引信安全機構(gòu)基本要求。

同理，設(shè)計電磁拔銷器彈簧的測試方法與上述基本一致，為設(shè)計參數(shù)合理的彈簧部件，保證電磁拔銷器可靠工作，可通過該方法進行驗證。

4 結(jié)論

本文提出了引信用電磁拔銷器電磁力測試方法。該方法基于靜態(tài)測試思想將導(dǎo)彈勤務(wù)處理及發(fā)射過程中內(nèi)部電磁拔銷器微力測試動態(tài)轉(zhuǎn)化，并結(jié)合利用TYTRON250微力測試儀精確測試電磁吸合力/保持力-保險銷位移曲線，實際測試值與電磁力經(jīng)驗公式計算理論值的基本吻合增加了該方法置信度。實驗結(jié)果表明：該方法能夠有效測試引信用電磁拔銷器實際電磁力大小，減小直接測試或電磁仿真的復(fù)雜度和誤差干擾，填補有關(guān)引信用電磁拔銷器研究空白，為電磁拔銷器設(shè)計及其保險機構(gòu)安全驗證提供參考價值。