雙行程后坐-準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

王曉霞，賀 文，文瑞虎，孫誠誠

(機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引言

電磁軌道炮作為一種新概念武器，具有電磁發(fā)射推力大、彈丸初速高、射程遠(yuǎn)、無煙霧效應(yīng)產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)火炮發(fā)射原理不同，電磁軌道炮采用兆安級(jí)脈沖功率電源放電產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，載流電樞受到兆牛級(jí)安培力推動(dòng)彈丸，彈丸經(jīng)歷平穩(wěn)長(zhǎng)時(shí)高加速過程，最終以超高音速離開軌道炮膛。相對(duì)于傳統(tǒng)炮彈引信，電磁軌道炮引信將承受更加惡劣的發(fā)射環(huán)境，如長(zhǎng)時(shí)高后坐過載、膛內(nèi)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)、出炮口瞬間的瞬態(tài)強(qiáng)電場(chǎng)等[1-3]。這些發(fā)射環(huán)境信息特征獨(dú)特明顯、容易識(shí)別，適合作為引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)境激勵(lì)選擇。利用長(zhǎng)時(shí)高后坐過載解除保險(xiǎn)是電磁軌道炮引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的常規(guī)方案，也是首選方案，但也對(duì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的抗過載能力帶來了更大的挑戰(zhàn)。

2006年，美國武器研究發(fā)展與工程中心(ARDEC)的Barry Schwartz等提出最新研究的24.4 mm口徑軌道炮殺傷爆破彈，其引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為后坐力和磁力的雙保險(xiǎn)[4]，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為單行程直線慣性機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，膛內(nèi)即解除保險(xiǎn)，膛內(nèi)安全性較差。文獻(xiàn)[5]初步設(shè)計(jì)的電磁軌道炮智能彈藥引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)利用后坐力及強(qiáng)磁場(chǎng)作為引信解除保險(xiǎn)的兩道環(huán)境力，隔爆機(jī)構(gòu)選擇垂直轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)；后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用成熟簡(jiǎn)單的后坐銷設(shè)計(jì)方案，并計(jì)算了后坐彈簧的尺寸參數(shù)，膛內(nèi)安全性較差。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的電磁軌道炮電子時(shí)間引信采用后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和磁保險(xiǎn)執(zhí)行結(jié)構(gòu)作為冗余保險(xiǎn)。其中，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用慣性筒-鋼珠-套筒串聯(lián)動(dòng)作組合保險(xiǎn)，具有保證膛內(nèi)安全的優(yōu)點(diǎn)；但機(jī)構(gòu)整體占用空間大，不利于小型化。針對(duì)電磁軌道炮引信長(zhǎng)時(shí)高過載的后坐環(huán)境特征以及后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為保證膛內(nèi)安全性所引起的結(jié)構(gòu)尺寸偏大的問題，本文提出了應(yīng)用于電磁軌道炮引信發(fā)射環(huán)境的雙行程后坐-準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。

1 典型的機(jī)械保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

一般情況下對(duì)具有發(fā)射過載大，非旋轉(zhuǎn)或微旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)的彈藥，引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案常采用后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和電火工拔銷器或電磁拔銷器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電控制保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組成兩道保險(xiǎn)。而電磁軌道炮發(fā)射過程中特有的膛內(nèi)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)和炮口強(qiáng)電場(chǎng)容易對(duì)探測(cè)控制電路的電子元器件和電控執(zhí)行器造成干擾和損壞，采用電控保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全性和可靠性風(fēng)險(xiǎn)高，因此引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)適合采用后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、準(zhǔn)流體延期機(jī)構(gòu)和爬行保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等純機(jī)械設(shè)計(jì)方案，避免膛內(nèi)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)和炮口強(qiáng)電場(chǎng)干擾，安全性和可靠性好。

1.1 典型的雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

引信所受發(fā)射后坐過載上萬g，顯著區(qū)別于勤務(wù)處理中跌落環(huán)境時(shí)宜采用雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。慣性零件(如慣性筒、慣性桿等)需經(jīng)過下沉和上升的往返運(yùn)動(dòng)后機(jī)構(gòu)才能解除保險(xiǎn)，經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)，一般在出炮口后解除保險(xiǎn)，因而能保證膛內(nèi)安全。典型的雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)如圖1所示,有筒式結(jié)構(gòu)和桿式結(jié)構(gòu)。在后坐力作用下慣性筒下沉到位釋放上鋼球完成解除保險(xiǎn)過程第一階段，而制動(dòng)拴上移到位或慣性筒上移到位釋放下鋼球完成第二階段。筒式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是徑向尺寸較大，因徑向空間要容納下落的鋼珠(一般選用鋼珠直徑2.5～3 mm)，后退筒徑向尺寸大，同時(shí)因保險(xiǎn)行程小安全性也差；桿式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，但為保證高安全性，保險(xiǎn)行程必須足夠大，因此軸向尺寸較大。

圖1 典型的雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.1 Typical double-stroke setback arming device

1.2 典型的后坐準(zhǔn)流體保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

對(duì)于微旋或無旋轉(zhuǎn)發(fā)射環(huán)境，準(zhǔn)流體(微徑玻璃珠群)延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)與后坐保險(xiǎn)結(jié)合，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。在發(fā)射環(huán)境下慣性筒下沉到位時(shí)由閉鎖鋼絲鎖定在解保位置，從而打開泄流通道。同時(shí)珠群與活塞受后坐力在膛內(nèi)并未開始泄流，鋼珠依然被活塞擋住，保證膛內(nèi)安全。出炮口，活塞簧作為驅(qū)動(dòng)力，玻璃珠群由徑向泄流，活塞上升到位時(shí)鋼珠脫落釋放回轉(zhuǎn)體，延期保險(xiǎn)解除[7]。

圖2 非旋轉(zhuǎn)式后坐-準(zhǔn)流體保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.2 Non-rotating setback arming and quasi-fluid delay arming device

2 雙行程后坐準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

電磁軌道炮引信的雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用慣性筒式結(jié)構(gòu)，通過卡環(huán)的塑性變形抗力識(shí)別發(fā)射和勤務(wù)處理環(huán)境。慣性筒受長(zhǎng)時(shí)高后坐力使卡環(huán)發(fā)生穩(wěn)定塑性變形而讓位，與典型雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)相比極大地減小了結(jié)構(gòu)尺寸。后坐保險(xiǎn)完全解除后才打開準(zhǔn)流體的泄流通道，延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，泄流方向與爬行力一致，有利于泄流流暢。雙行程后坐-準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)如圖3所示。

圖3 雙行程后坐-準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of double-stroke setback arming and quasi-fluid delay arming device

雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)主要由慣性筒、卡環(huán)、頂桿、慣性簧、頂桿簧和座體等組成，卡環(huán)變形抗力大，設(shè)計(jì)短的保險(xiǎn)距離即可保證平時(shí)的安全性，縮減了保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)尺寸，且能夠產(chǎn)生較大塑形而不斷裂失效，避免對(duì)可動(dòng)件的活動(dòng)造成卡滯；準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)主要由活塞、活塞筒、活塞簧、鋼球、螺堵和座體等組成，活塞筒內(nèi)容納準(zhǔn)流體(如微徑玻璃珠群)，頂桿相當(dāng)于泄流塞，出炮口時(shí)頂桿回退，打開泄流通道，泄流驅(qū)動(dòng)力以彈簧內(nèi)儲(chǔ)能為原動(dòng)力，同時(shí)準(zhǔn)流體和活塞在膛內(nèi)受后坐力不會(huì)泄流。

作用原理：平時(shí)，頂桿在慣性筒和頂桿簧的約束下堵住泄流孔，使準(zhǔn)流體不能外泄，準(zhǔn)流體控制活塞使活塞不能上升，活塞擋住鋼珠，鋼珠鎖定被保險(xiǎn)件(如轉(zhuǎn)子)，如圖3所示，爆炸序列未對(duì)正，處于隔爆安全狀態(tài)；電磁軌道炮發(fā)射時(shí)，慣性筒受陡然上升的后坐力，向下擠壓卡環(huán)使其發(fā)生塑性變形彎曲內(nèi)收，從而脫離慣性筒內(nèi)臺(tái)階面，隨后，在長(zhǎng)時(shí)后坐慣性力作用下卡環(huán)隨慣性筒克服慣性簧抗力繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)到位，頂桿在長(zhǎng)時(shí)后坐力作用下依然被鎖定在初始位置；當(dāng)后坐力小于彈簧抗力時(shí)，頂桿隨慣性筒和卡環(huán)一起返回，后坐保險(xiǎn)解除，同時(shí)打開了準(zhǔn)流延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的泄流通道；出炮口后，在爬行力和活塞簧推力共同作用下活塞推動(dòng)準(zhǔn)流體外泄，經(jīng)歷一定延時(shí)，活塞上升到一定位置鋼珠由斜孔向下滾動(dòng)釋放轉(zhuǎn)子，延期保險(xiǎn)解除，如圖4所示。

圖4 雙行程后坐-準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)后示意圖Fig.4 Schematic diagram of double-stroke setback arming and quasi-fluid delay arming device after arming

3 計(jì)算仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

電磁軌道炮采用多個(gè)電容型儲(chǔ)能模塊并聯(lián)組成的高功率脈沖電源，以保證發(fā)射過程中電流波形的平穩(wěn)性，放電電流接近梯形，發(fā)射過載示意圖如圖5所示。

圖5 電磁軌道炮發(fā)射后坐過載曲線Fig.5 The launch setback overload curve of the electromagnetic railgun

由圖5可以看出后坐過載上升速度很快，平穩(wěn)加速時(shí)間長(zhǎng)，峰值達(dá)4.3萬g，雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)將承受長(zhǎng)時(shí)高后坐過載。在滿足解除保險(xiǎn)可靠要求前提下需要對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，防止出現(xiàn)薄弱零件斷裂或過分變形等影響作用可靠性?？ōh(huán)作為彈性抗力零件，厚度偏薄，依靠其發(fā)生塑性變形而解除對(duì)慣性筒的約束，受沖擊時(shí)容易失效斷裂，而斷裂碎片容易造成對(duì)可動(dòng)零件的卡滯，以及慣性筒下落時(shí)與座體碰撞變形是否會(huì)產(chǎn)生膨脹變形而卡滯不能回復(fù)，影響解除保險(xiǎn)可靠性。

通過ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，鋼板跌落過載從嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)化后以正弦波形模擬，設(shè)置過載峰值為12 000g，持續(xù)0.1 ms；發(fā)射過載按圖5所示數(shù)值的2/3保險(xiǎn)系數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入，材料參數(shù)如表1所示，分析時(shí)慣性筒、卡環(huán)、頂桿、座體均采用彈性-理想塑性(各向同性硬化)帶應(yīng)變失效的材料本構(gòu)模型。卡環(huán)采用163殼單元分析更準(zhǔn)確，慣性簧和頂桿簧采用離散單元combi165代替，設(shè)置預(yù)壓縮量以模擬實(shí)際裝配情況。為減少計(jì)算量，仿真時(shí)未引入完整的容納保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的座體，僅用簡(jiǎn)化帶孔圓板模型代替座體底部，但不影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

仿真計(jì)算結(jié)果如圖6—圖 8所示。從圖6可以看出跌落過載作用下0.6 mm厚卡環(huán)發(fā)生塑性變形，其根部應(yīng)力最大，稍低于屈服應(yīng)力，以彈性變形為主。從圖7可以看出在嚴(yán)格的跌落過載作用下慣性筒在卡環(huán)和慣性簧的共同抗力作用下，下落一小段位移即回復(fù)，而卡環(huán)越厚，慣性筒下落位移越小，表明卡環(huán)越厚跌落時(shí)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)安全性越高。從圖8中可以看出在跌落過載作用下卡環(huán)發(fā)生變形后隨慣性筒下落0.5 mm，而慣性筒繼續(xù)下落至1.1 mm即開始回復(fù)直到初始位置，頂桿位移始終在±0.1 mm范圍內(nèi)波動(dòng)，遠(yuǎn)小于頂桿在泄流孔中堵塞尺寸2 mm，表明該雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)能夠保證跌落的安全性。為簡(jiǎn)化計(jì)算，慣性筒上方未設(shè)置蓋板，所以回復(fù)時(shí)各部件可超過零點(diǎn)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)際情況會(huì)被蓋板限位，保持在初始位置。

圖6 0.6 mm厚卡環(huán)時(shí)跌落過程中形變及應(yīng)力云圖Fig.6 Deformation and stress nephogram of 0.6 mm thick clasp during dropping

圖7 不同厚度卡環(huán)對(duì)應(yīng)的慣性筒跌落位移曲線Fig.7 Drop displacement curve of inertial cylinder corresponding to clasp with different thickness

圖8 0.6 mm厚卡環(huán)時(shí)跌落位移-時(shí)間曲線Fig.8 Drop displacement curve of 0.6 mm thick clasp

馬歇特錘擊試驗(yàn)時(shí)可產(chǎn)生90 μs左右脈寬，達(dá)5萬g的過載(幅值隨錘重和配重變化)，一定程度上可以模擬跌落在鋼板上的過載情況。對(duì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行5齒(峰值約12 260g)和10齒(峰值約18 580g)的馬歇特錘擊試驗(yàn)，圖9為進(jìn)行10齒過載錘擊后0.4 mm厚卡環(huán)的變形情況。拆解后發(fā)現(xiàn)卡環(huán)只有輕微塑性變形，外形尺寸只縮減了0.2 mm，與慣性筒接觸處有壓痕，后坐保險(xiǎn)均未解除。

圖9 峰值18 580 g過載錘擊后卡環(huán)輕微塑性變形Fig.9 Slight plastic deformation of clasp after hammering with 18 580 g overload

圖10所示為不同卡環(huán)厚度時(shí)慣性筒在長(zhǎng)時(shí)高后坐過載作用下的仿真結(jié)果。

圖10 后坐過載時(shí)慣性筒下落位移-時(shí)間曲線Fig.10 Falling displacement curve of inertia cylinder under recoil overload

從圖10可以看出因后坐過載足夠高，慣性筒下落過程并不受卡環(huán)厚度變化影響，并且在膛內(nèi)始終保持在第一階段保險(xiǎn)解除位置；后坐過載小于彈簧抗力時(shí)，慣性筒隨頂桿和卡環(huán)在彈簧抗力下回復(fù)到初始位置，第二階段保險(xiǎn)解除，頂桿退出泄流孔。選取慣性筒底邊和中部外徑上兩對(duì)節(jié)點(diǎn)，其直徑長(zhǎng)度變化如圖11所示，從圖中可以看出慣性筒外徑在剛接觸座體時(shí)膨脹變形量低于0.005 mm，最終穩(wěn)定在0.001 mm范圍內(nèi)，變形量很小，不影響慣性筒回復(fù)。從圖12中可以看出卡環(huán)發(fā)生明顯塑性變形，但未發(fā)生失效斷裂，不會(huì)造成慣性筒和頂桿的運(yùn)動(dòng)的卡滯。

圖11 慣性筒底邊直徑變化曲線Fig.11 Change curve of bottom diameter of inertia cylinder

圖12 后坐過程中0.4 mm厚卡環(huán)和頂桿的應(yīng)力云圖Fig.12 Stress nephogram of 0.4 mm thick clasp and ejector bar during recoil

根據(jù)以上仿真結(jié)果，選取卡環(huán)厚度為0.4 mm和0.6 mm分別進(jìn)行15齒(峰值約33 010g)和18齒(峰值約44 100g)馬歇特錘擊試驗(yàn)，模擬發(fā)射過載峰值對(duì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的影響，結(jié)果如圖13所示。

圖13 模擬發(fā)射過載峰值的馬歇特錘擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Results of Marshall hammer test for simulated emission overload peak

從圖13可以看出：超過3萬g過載后卡環(huán)產(chǎn)生穩(wěn)定塑性彎曲變形，解除對(duì)慣性筒約束后隨慣性筒下沉，過載減小到一定值后卡環(huán)和頂桿隨慣性筒一起上升，后坐保險(xiǎn)解除，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。隨卡環(huán)厚度增加，塑性變形程度降低，但外形尺寸變形量均大于0.8 mm，能解除對(duì)慣性筒的限制；即使超過4萬g，卡環(huán)也未出現(xiàn)斷裂或撕裂現(xiàn)象，無碎片，不會(huì)影響頂桿回退。隨后活塞簧推動(dòng)活塞向上，玻璃珠群泄流至上座體內(nèi)，轉(zhuǎn)子側(cè)向擠壓鋼珠下落，準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)解除；同時(shí)，雙行程后坐-準(zhǔn)流體保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)并未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松動(dòng)，其他剛性零件無明顯變形，只有頂桿與上座體接觸處有輕微壓痕，機(jī)構(gòu)強(qiáng)度滿足抗過載要求。

3.2 準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

電磁軌道炮無離心環(huán)境且爬行過載低，所以設(shè)計(jì)準(zhǔn)流體保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)主要采用彈簧驅(qū)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力，準(zhǔn)流體泄流方向與爬行過載一致，有利于排出。延期解除保險(xiǎn)的過程為：頂桿退出泄流孔后，活塞簧推動(dòng)活塞壓迫準(zhǔn)流體從打開的泄流孔通道流出，直到活塞上升至能夠解除對(duì)鋼珠的約束，鋼珠沿斜孔下落，延期保險(xiǎn)解除。準(zhǔn)流體從泄流孔中所流出直至解除保險(xiǎn)的時(shí)間即為延期時(shí)間。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及文獻(xiàn)研究結(jié)果[5]，準(zhǔn)流體在均勻力場(chǎng)中流動(dòng)速率經(jīng)驗(yàn)公式為：

(1)

采用微徑玻璃珠作為準(zhǔn)流體，泄流出口位置在腔室中心孔處，泄流方向與活塞簧推力和爬行力同向時(shí)，將復(fù)合力場(chǎng)等效為恒定推力場(chǎng)，則式(1)在推力場(chǎng)的推廣公式為：

(2)

式(2)中，k2=4.486，為修正系數(shù)。

(3)

(4)

經(jīng)計(jì)算，活塞簧參數(shù)為中徑D=3 mm，絲徑d=0.35 mm，自由高度h0=17 mm，有效圈數(shù)n=10，裝配預(yù)壓高度h1=6.8 mm時(shí)，延期解除保險(xiǎn)時(shí)間可滿足炮口安全距離要求。

4 結(jié)論

本文提出了應(yīng)用于電磁軌道炮引信的雙行程后坐-準(zhǔn)流體延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用慣性筒式結(jié)構(gòu)，通過卡環(huán)的塑性變形抗力識(shí)別發(fā)射和勤務(wù)處理環(huán)境。慣性筒受長(zhǎng)時(shí)高后坐力使卡環(huán)發(fā)生穩(wěn)定塑性變形而讓位，與典型雙行程后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)相比極大地減小了結(jié)構(gòu)尺寸。后坐保險(xiǎn)完全解除后才打開準(zhǔn)流體的泄流通道，延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，泄流方向與爬行力一致，有利于泄流流暢。仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，雙行程后坐-準(zhǔn)流體保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)滿足解保可靠性前提下既能夠保證平時(shí)的安全性和膛內(nèi)安全性，又具有延期功能保證炮口安全。