摩擦對引信后坐保險件解除保險特性的影響

鄒陳來, 王雨時, 王光宇

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

0 引言

后坐保險機構(gòu)是利用彈丸發(fā)射時的后坐過載使保險件解除保險的一種引信常用保險機構(gòu),其設(shè)計需同時滿足發(fā)射時可靠解除保險和勤務(wù)處理安全的要求。勤務(wù)處理安全性主要是保證引信意外跌落時不能解除對被保險件的保險。引信保險機構(gòu)的作用可靠性要求與勤務(wù)處理安全性要求的區(qū)別:可靠作用即要求在一定發(fā)射過載作用下可靠解除保險,而勤務(wù)處理安全性則要求在規(guī)定(可信)的勤務(wù)處理過程中不能解除保險,主要是在意外跌落過載作用下不能解除保險。對于保險機構(gòu)設(shè)計而言,兩者是相互矛盾的。一般而言,提高作用可靠性將降低勤務(wù)處理安全性,而提高勤務(wù)處理安全性往往會降低發(fā)射時的作用可靠性。如何有效權(quán)衡安全性與作用可靠性之間的矛盾,合理選取機構(gòu)的參數(shù),是設(shè)計后坐保險機構(gòu)的核心工作。文獻[1-2]運用剛體動力學(xué)理論,分析了引信后坐保險機構(gòu)斜置設(shè)計方案在勤務(wù)處理和發(fā)射時的動態(tài)特性。文獻[3]運用剛體動力學(xué)理論和仿真軟件ADAMS,對比分析了引信經(jīng)典彈性后坐保險機構(gòu)和剛性后坐保險機構(gòu)對不同后坐過載作用時間的響應(yīng)特性。文獻[4]通過求解引信后坐質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)運動微分方程,結(jié)合ADAMS軟件仿真,從工程設(shè)計角度提出:適當(dāng)減小后坐質(zhì)量,增大彈簧裝配預(yù)壓量、彈簧剛度系數(shù)以及將保險球?qū)蚩纵S線與引信軸線夾角取為45°都有助于解決引信后坐質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)保險與解除保險之間的矛盾。文獻[5]根據(jù)實測的跌落沖擊響應(yīng)曲線,對引信后坐保險機構(gòu)以不同落高、45°傾斜跌向不同介質(zhì)時的可靠性進行了數(shù)值仿真。

文獻[6-7]用分段求解運動耦合微分方程的方法得出了雙自由度后坐保險機構(gòu)的位移響應(yīng)。文獻[8]運用數(shù)值仿真方法研究了引信雙自由度后坐保險機構(gòu)發(fā)射、垂直跌落和傾斜跌落時的運動特性,解決了跌落安全性不足的問題。文獻[9]結(jié)合控制理論和振動理論,得到了引信雙自由度保險機構(gòu)動力學(xué)方程和運動學(xué)微分方程,并分析了其振動特性。文獻[10]對一種火箭增程彈用引信雙自由度后坐保險機構(gòu)的動態(tài)特性進行了仿真,并采用正交模擬得到了機構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。

文獻[11]推導(dǎo)了普通平底彈丸垂直跌落地面過程的沖擊加速度峰值和作用時間理論計算公式,結(jié)合ANSYS/LS-DYNA軟件仿真,得到了裸態(tài)平底榴彈底向下垂直跌落時彈丸和引信的沖擊特性公式。文獻[12]考慮彈底激勵經(jīng)彈-引系統(tǒng)傳遞后產(chǎn)生的影響,提出了引信后坐機構(gòu)的一種工程設(shè)計方法,使設(shè)計精度得到提高。文獻[13]對引信典型后坐機構(gòu)平時安全性的計算方法與運動特性進行了研究,指出機構(gòu)在墜落時的運動行程與在引信體上測得的沖擊加速度時間歷程的積分即速度呈線性關(guān)系,并給出了計算公式。

文獻[14]運用動力學(xué)方法對彈丸跌落時的引信慣性部件運動規(guī)律進行了分析和仿真,指出引信慣性部件的最大位移出現(xiàn)在最大碰撞沖擊加速度結(jié)束后,即當(dāng)碰撞沖擊力消失后,慣性部件依靠自身慣性繼續(xù)壓縮彈簧。在發(fā)射過載作用下,由于發(fā)射過載作用時間長,后坐保險件可以保證在發(fā)射過載消失前解除保險;在跌落沖擊作用下時,沖擊力作用時間短,慣性部件在跌落沖擊力消失前和消失后均較難解除保險。

雖然目前后坐保險機構(gòu)已廣泛應(yīng)用于各類引信及引信安全和解除保險機構(gòu)中,但未見有文獻研究被保險件或其反恢復(fù)銷對保險件的作用力對后坐保險件動態(tài)響應(yīng)的影響問題。以往對后坐保險件的動態(tài)響應(yīng)研究均忽略了摩擦的影響,做了簡化,如《引信設(shè)計手冊》、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z135—2002《引信工程設(shè)計手冊》。從機構(gòu)原理上講,該摩擦普遍存在,可能是被保險件產(chǎn)生的,也可能是反恢復(fù)件產(chǎn)生的。

對于帶彈簧預(yù)壓作用的被保險件(如預(yù)壓柱簧或錐簧推壓的滑塊,又如預(yù)扭的扭簧推扭的轉(zhuǎn)子),當(dāng)后坐保險機構(gòu)為其第一道保險時,在后坐保險機構(gòu)解除保險以前,保險件與被保險件直接接觸對被保險件形成限位。保險件與被保險件相對運動或有相對運動趨勢時,保險件將受到被保險件的摩擦阻滯作用,并對保險機構(gòu)的性能產(chǎn)生影響,包括解除保險可靠性和勤務(wù)處理安全性。本文針對此問題,根據(jù)剛體動力學(xué)理論和ADAMS動力學(xué)仿真,研究預(yù)壓簧直接或通過其他零件間接作用于后坐保險件上的摩擦力對后坐保險件在發(fā)射和跌落時動態(tài)響應(yīng)特性(解除保險運動)的影響,試圖找出規(guī)律,從而為后坐保險機構(gòu)動態(tài)性能的設(shè)計優(yōu)化提供參考。事實上,除上述引信隔爆件解除保險用預(yù)壓簧對隔爆件的后坐保險機構(gòu)解除保險運動有摩擦阻滯緩釋作用之外,引信后坐保險機構(gòu)的反恢復(fù)機構(gòu)或稱閉鎖機構(gòu)(多為壓縮柱簧或預(yù)扭扭簧直接或通過柱銷頂壓在后坐保險件上)對后坐保險件的解除保險運動的影響本質(zhì)上是相同的。

1 有側(cè)向預(yù)壓簧產(chǎn)生摩擦緩釋作用的引信后坐保險機構(gòu)

一種迫擊炮彈引信單自由度后坐保險機構(gòu)如圖1所示,該保險機構(gòu)的直接被保險件為受彈簧預(yù)壓力作用的滑柱。該結(jié)構(gòu)主要由慣性筒、慣性簧、引信體、滑柱簧、滑柱等組成。其中慣性筒為后坐保險件,滑柱為被保險件,引信體為結(jié)構(gòu)件,慣性簧和滑柱簧是抗力件,裝配狀態(tài)下慣性簧和滑柱簧均存在一定的預(yù)壓。在此不考慮隔爆件(滑塊,未畫出)對滑柱的影響。

圖1 有側(cè)向預(yù)壓簧產(chǎn)生摩擦緩釋作用的引信后坐保險機構(gòu)Fig.1 Setback arming device of a fuze with frictional retardation from loaded spring

彈丸或引信勤務(wù)處理意外跌落時,慣性筒在其運動方向上受到的外力主要有:跌落沖擊產(chǎn)生的慣性力、慣性簧預(yù)壓形成的支撐力、引信體約束形成的摩擦力和支撐力以及滑柱的正壓力和摩擦力。若慣性筒受到的跌落沖擊產(chǎn)生的慣性力小于或等于上述慣性簧支撐力和各種摩擦力的合力,則慣性筒將不產(chǎn)生運動,后坐保險機構(gòu)不會解除保險;若跌落沖擊產(chǎn)生的慣性力大于上述諸力的合力,則慣性筒將產(chǎn)生運動。若運動距離小于解除保險行程,則后坐保險機構(gòu)也不會解除保險(跌落沖擊過程結(jié)束后,后坐保險機構(gòu)會恢復(fù),即恢復(fù)保險),后坐保險機構(gòu)滿足勤務(wù)處理跌落安全性要求。若慣性筒發(fā)生運動且運動距離等于或大于解除保險行程,則慣性筒將意外解除保險,后坐保險機構(gòu)不滿足跌落安全性要求。

同理,彈丸發(fā)射時,慣性筒將受到發(fā)射過載的作用,若發(fā)射過載作用于慣性筒上產(chǎn)生的后坐力大于慣性筒受到的上述諸力的合力,則慣性筒將發(fā)生后坐運動。若慣性筒可以運動至解除保險位置,則該后坐保險機構(gòu)設(shè)計參數(shù)滿足解除保險要求。

2 有側(cè)向預(yù)壓簧產(chǎn)生摩擦緩釋作用的引信后坐保險機構(gòu)解除保險運動數(shù)學(xué)模型

2.1 建立慣性筒相對于引信體運動的慣性坐標(biāo)系

單自由度后坐保險機構(gòu)為典型的2階線性無阻尼彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。下面按牛頓力學(xué)的方法對其受力和運動特性進行分析,并建立數(shù)學(xué)模型。

為簡化分析計算過程,利用作用時間0≤t≤T/2(T為正弦激勵的周期)的正弦簡諧激勵,近似等效發(fā)射時的后坐過載曲線,取最大后坐過載系數(shù)為k1,則任意時刻t引信后坐保險件因沖擊產(chǎn)生的慣性力為Ft,Ft=k1mgsin(ωt),其中m為后坐保險系統(tǒng)的等效質(zhì)量,m=m1+m2,m1為后坐保險件的質(zhì)量,m2為慣性簧的質(zhì)量,ω=2π/T。當(dāng)k1取跌落時的最大沖擊過載系數(shù)時,Ft表示跌落時引信零件上形成的慣性沖擊力,相應(yīng)地時間周期T也需根據(jù)跌落過載脈沖時間寬度選取。

對解除保險前的慣性筒進行受力分析。將參考坐標(biāo)系固連于引信,彈丸發(fā)射時隨同引信一起平動和轉(zhuǎn)動。由于引信后坐保險機構(gòu)解除保險運動在最大膛壓點以前完成,該階段彈丸速度和轉(zhuǎn)速都很小,即使是配用于旋轉(zhuǎn)彈,也不考慮離心力的影響。

假設(shè)引信(彈丸)軸線與豎直方向呈θ角傾斜跌落,不考慮慣性筒與其駐室之間的間隙導(dǎo)致的慣性筒微小偏斜,只考慮慣性筒平動,則圖1所示的后坐保險機構(gòu)在傾斜跌落時其慣性筒的受力如圖2所示。圖2中,Oxy為固連于引信體的慣性坐標(biāo)系,f1為慣性筒駐室側(cè)壁對慣性筒的摩擦力,F0為慣性筒駐室上端對慣性筒的支撐力,F1為慣性簧對慣性筒的支撐力,F2為滑柱對慣性筒的正壓力,f2為滑柱對慣性筒的摩擦力,Ft為慣性筒受到跌落沖擊過載產(chǎn)生的慣性力,Ftx為Ft平行于慣性筒運動方向的分力,Fty為Ft垂直于慣性筒運動方向的分力,FN為慣性筒駐室側(cè)壁對慣性筒的正壓力。

圖2 引信(彈丸)傾斜跌向目標(biāo)時慣性筒的受力Fig.2 Force analysis for the inertial unit as the fuze or projectile drops inclinedly

取初始時刻慣性筒質(zhì)心為坐標(biāo)原點,慣性筒的運動方向為x軸(向下為正)建立坐標(biāo)系,得到慣性筒各階段的運動方程,設(shè)慣性簧的初始預(yù)壓長度為λ1,慣性簧剛度為K1。傾斜跌落狀態(tài)滑柱對慣性筒的正壓力F2與滑柱的運動狀態(tài)有關(guān)。

2.2 滑柱的受力及運動數(shù)學(xué)模型

對于滑柱,受到的慣性沖擊力可以近似為Ft2=k1m3gsin(ωt),其中m3為滑柱-滑柱簧系統(tǒng)的等效質(zhì)量,m3=m30+m31,m30為滑柱的質(zhì)量,m31為滑柱簧的質(zhì)量。

傾斜跌落狀態(tài)下滑柱受到的跌落沖擊產(chǎn)生的慣性力Ft2可分解為垂直于滑柱運動方向的分力Ft2x和平行于滑柱運動方向的分力Ft2y。

(1)

引信或彈丸受到跌落或發(fā)射沖擊過載作用期間,假設(shè)滑柱因沖擊過載作用脫離與慣性筒的接觸后,滑柱不再返回與慣性筒接觸,則僅初始階段,即滑柱保持靜止且沒有運動趨勢的階段(假設(shè)0≤t≤t20)(t20為滑柱開始相對于引信體有運動趨勢的時刻),滑柱與慣性筒之間存在作用力。圖3所示為該階段滑柱的受力狀態(tài)示意圖,其中F′2為慣性筒對滑柱的正壓力,f′2為慣性筒對滑柱的摩擦力,F3為滑柱簧對滑柱的支撐力,FN2為滑柱駐室與滑柱之間的正壓力。

圖3 引信(彈丸)傾斜跌向目標(biāo)的初始階段滑柱的受力Fig.3 Force analysis for the slide pin in the initial stage as the fuze or projectile drops inclinedly

此時,Ft2y≤F30,F30為滑柱簧預(yù)壓力?；芰M足以下關(guān)系:

(2)

式中:K2為滑柱簧的剛度;λ2為滑柱簧的預(yù)壓長度。

由式(1)和式(2)可得該階段慣性筒對滑柱的正壓力:

F′2=K2λ2-k1m3gsinθ·sin (ωt)

(3)

到t=t20時刻(t20

(4)

2.3 慣性筒的受力及運動數(shù)學(xué)模型

對于慣性筒,傾斜跌落狀態(tài)下的跌落慣性力Ft可分解為平行于慣性筒運動方向的分力Ftx和垂直于慣性筒運動方向的分力Fty:

(5)

慣性筒的動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)在慣性筒的位移響應(yīng)、速度響應(yīng)中均處于同等地位,故可假設(shè)慣性筒與引信體以及慣性筒與滑柱間的動、靜摩擦系數(shù)均為μ,則有

(6)

此時慣性筒的受力可分為3個階段,在此設(shè)慣性筒相對于其駐室即引信體的運動時刻為t10,沖擊過載結(jié)束時刻為t12,慣性筒減速到0 m/s的時刻為t13。

2.3.1 第1～1階段(0≤t≤t10)

(7)

根據(jù)式(7)和式(3),得

(8)

2.3.2 第1～2階段(t10≤t≤t12)

假設(shè)從慣性筒開始相對于其駐室即引信體運動時刻(即t10時刻)到t11時刻,慣性筒受到的橫向分力Fty小于F2;從t11時刻開始慣性筒受到的橫向分力Fty大于F2。

在t10≤t≤t11階段,慣性筒駐室即引信體孔壁對慣性筒的正壓力FN與F2方向相反,此時慣性筒受力如圖2(a)所示。

(9)

式中:x為慣性筒相對于引信體的位移量。

在t11時刻,由Fty(t11)=F2(t11)以及式(9)和式(2),可解得

(10)

由于0≤sin (ωt11)≤1,0 rad≤θ≤π/2 rad,故由式(10)可得

(11)

因此,當(dāng)θ<θmin時,Fty(t11)=F2(t11)無解,即在t10≤t≤t12階段恒有Fty

由此可知,θ≤θmin時,慣性筒在t10≤t≤t12階段受力均滿足式(9),F2滿足式(3)。

求解式(9),可得t10≤t≤t11時慣性筒的位移響應(yīng)如下:

x=D4+D3sin (ωt)+D1cos (ωnt)+D2sin (ωnt)

(12)

式(12)對時間t求導(dǎo),得到如下速度響應(yīng):

(13)

(14)

(15)

將式(14)、式(15)代入式(12),得到t10≤t≤t12時的慣性筒位移響應(yīng)為

(16)

當(dāng)θ>θmin時,由Fty(t11)=F2(t11)可得t11有兩個解,分別為

(17)

或

(18)

即t10≤t≤t11或t12≥t≥t′11時,Fty≤F2,此時慣性筒受力仍滿足式(9),F2滿足式(3)。

當(dāng)t11F2,此時引信體對慣性筒的正壓力FN與F2方向相反,慣性筒受力如圖2(b)所示,此時

(19)

由式(19)可知,該條件下慣性筒的運動狀態(tài)與滑柱對其的正壓力F2無關(guān)。

當(dāng)t=t11時,FN=0 N,式(9)與式(19)相同。

求解式(19),可得t11≤t≤t′11時慣性筒的位移響應(yīng):

x=D4+D5sin (ωt)+D6cos (ωnt)+D7sin (ωnt)

(20)

式(20)對時間t求導(dǎo),得到速度響應(yīng)為

(21)

(22)

(23)

當(dāng)t′11≤t時,慣性筒的受力滿足式(9),可得其位移響應(yīng)為

x=D4+D3sin (ωt)+D8cos (ωnt)+D9sin (ωnt)

(24)

式中:D8、D9為慣性筒在該階段運動微分方程的兩個系數(shù),可由慣性筒在該階段的運動起始狀態(tài)求得速度響應(yīng)為

(25)

(26)

(27)

將式(26)、式(27)代入式(24),可以得到t′11≤t≤t12時慣性筒的位移響應(yīng)。

2.3.3 第1～3階段(t12≤t≤t13)

跌落沖擊結(jié)束后,跌落過載消失,若慣性筒仍繼續(xù)向下運動,則慣性筒的受力如圖4所示。假設(shè)t=t13時刻慣性筒速度減為0 m/s。

圖4 沖擊過載消失后慣性筒做慣性運動時的受力Fig.4 Force analysis for the inertial unit when the shock overload disappears

此時,慣性筒的受力滿足

(28)

為計算方便,假設(shè)過載消失時刻為時間零點,慣性筒受摩擦力和慣性簧支撐力作用(忽略重力作用)下作減速運動,設(shè)此時速度為vr,位移為xr,彈簧壓縮量為λ1+xr,則由式(28)可得慣性筒運動微分方程為

(29)

(30)

式(30)對時間t求導(dǎo),得到速度響應(yīng)為

(31)

設(shè)t=t3時慣性筒的速度減小到0 m/s,由式(31)求解得到:

(32)

將式(32)代入式(30),可求得慣性筒速度為 0 m/s時的位移x3,若x3≥h,則可判斷能解除慣性筒對滑柱的保險;若x3

3 算例分析

3.1 數(shù)值計算

圖1所示的一種迫擊炮彈引信后坐保險機構(gòu)設(shè)計參數(shù)如表1所示,現(xiàn)估取各摩擦系數(shù)分別為0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.50和1.00,計算慣性筒在發(fā)射和跌落時的態(tài)響應(yīng)特性。根據(jù)文獻[13,15-17]提供的試驗或仿真數(shù)據(jù),分別選取120 mm迫擊炮的發(fā)射沖擊過載和82 mm迫擊炮3 m落高跌落不同目標(biāo)時的沖擊過載進行計算。選取典型的發(fā)射過載和跌落過載環(huán)境參數(shù)作為理論計算參數(shù)如表2所示,其中跌落過載1和跌落過載2分別為文獻[17]中82 mm迫擊炮彈3 m落高跌向水泥地面和鋼板時的過載,跌落過載3為文獻[15]中測試所得82 mm迫擊炮彈尾部向下1.5 m跌向鋼板時的過載,跌落過載4為文獻[18]中仿真計算所得130 mm殺爆彈底部向下1.5 m跌向鋼板時的過載。

表1 一種迫擊炮彈引信后坐保險機構(gòu)設(shè)計參數(shù)

表2 計算用彈丸發(fā)射過載和跌落過載參數(shù)

根據(jù)第2節(jié)給出的理論公式,編制MATLAB計算程序,計算得到不同沖擊過載作用下慣性筒的位移和速度響應(yīng)。當(dāng)慣性筒解除保險或未解除保險但向下運動的速度降為0 m/s時,停止計算,之后的運動不再考慮。通常認(rèn)為動摩擦系數(shù)是靜摩擦系數(shù)的0.8～1.0倍,以下計算均假設(shè)靜摩擦系數(shù)等于動摩擦系數(shù)。

3.1.1 豎直跌落(發(fā)射)時慣性筒的運動特性

假設(shè)引信(彈丸)軸線與豎直方向的傾斜角θ為0°,分別取摩擦系數(shù)μ為0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.50和1.00,得到慣性筒在引信(彈丸)豎直向下跌落(或發(fā)射)時的位移響應(yīng)-時間和速度響應(yīng)-時間曲線,如圖5～圖9所示。

圖5 發(fā)射過載作用下慣性筒的位移響應(yīng)-時間和速度響應(yīng)-時間曲線Fig.5 Displacement and velocity of the inertial unit under launch overload

圖6 跌落過載1作用下慣性筒的位移響應(yīng)-時間和速度響應(yīng)-時間曲線Fig.6 Displacement and velocity of the inertial unit under drop overload 1

圖7 跌落過載2作用下慣性筒的位移響應(yīng)-時間和速度響應(yīng)-時間曲線Fig.7 Displacement and velocity of the inertial unit under drop overload 2

圖8 跌落過載3作用下慣性筒的位移響應(yīng)-時間和速度響應(yīng)-時間曲線Fig.8 Displacement and velocity of the inertial unit under drop overload 3

圖9 跌落過載4作用下慣性筒的位移響應(yīng)-時間和速度響應(yīng)-時間曲線Fig.9 Displacement and velocity of the inertial unit under drop overload 4

其中圖5為發(fā)射過載作用下慣性筒的位移響應(yīng)-時間和速度響應(yīng)-時間曲線,圖6～圖9分別為跌落過載1～跌落過載4作用下慣性筒的位移響應(yīng)-時間和速度響應(yīng)-時間曲線。

當(dāng)摩擦系數(shù)μ取0～1.00時,在發(fā)射過載作用下慣性筒均能解除保險,且解除保險時慣性筒均有超過14.5 m/s的向下速度;在跌落過載1作用下,摩擦系數(shù)小于0.97時慣性筒均解除保險,摩擦系數(shù)大于0.97時慣性筒不解除保險;在跌落過載2作用下,摩擦系數(shù)小于等于0.30時慣性筒均解除保險,摩擦系數(shù)大于0.30時慣性筒不會解除保險;在跌落過載3和跌落過載4作用下,即使沒有摩擦力作用,慣性筒向下的運動速度減小為0 m/s時,位移均未達到解除保險行程,故慣性筒不會解除保險。

3.1.2 傾斜跌落時慣性筒的運動特性

根據(jù)上述理論進行數(shù)值計算可得,在跌落過載1和跌落過載2作用下,分別以0.1°、0.2°、1.0°、5.0°角度傾斜跌落時,慣性筒的解除保險時間如表3所示;在跌落過載3和跌落過載4作用下分別以0.1°、0.2°、1.0°、5.0°角度傾斜跌落時,慣性筒均未解除保險,慣性筒的位移如表4所示。

表3 不同傾斜角度以跌落過載1和跌落過載2作用時不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的解除保險時間

表4 不同傾斜角度以跌落過載3和跌落過載4作用時不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的慣性筒最大位移

對比表3和表4中數(shù)據(jù)可知,對于有側(cè)向預(yù)壓簧產(chǎn)生摩擦緩釋作用的引信后坐保險機構(gòu)而言,若假設(shè)傾斜跌落時引信受到的跌落沖擊過載不變,則與豎直跌落相比,傾斜跌落更不利于保證慣性筒的安全性。

由文獻[19]可知,在彈丸傾斜跌向目標(biāo)時產(chǎn)生的沖擊過載會有大幅降低,由垂直跌落到1°傾斜跌落,沖擊過載峰值減小很快,多數(shù)彈丸1°傾斜跌落時的跌落過載峰值小于垂直跌落時過載峰值的一半,即單從跌落沖擊過載角度考慮,傾斜跌落條件下更有利于保證后坐保險機構(gòu)的跌落安全性。

假設(shè)F2=0 N,可得無側(cè)壓簧作用時慣性筒的位移響應(yīng),即表3和表4中摩擦系數(shù)μ=0時的數(shù)據(jù)。對比可知有側(cè)壓簧的作用更有利于保證引信單自由度后坐保險機構(gòu)的跌落安全性。

3.2 仿真分析

針對圖1和表1所給出的一種迫擊炮彈引信后坐保險機構(gòu)建立虛擬樣機,導(dǎo)入ADAMS剛體動力學(xué)仿真軟件,建立仿真分析模型,如圖10所示。根據(jù)設(shè)計完成模型材料屬性賦值,定義接觸、約束和彈簧,并施加外力。發(fā)射過載(或跌落過載)形成的慣性力施加在慣性筒質(zhì)心,方向向下并隨慣性筒一起運動,其大小和作用時間通過函數(shù)表達式定義。

圖10 一種迫擊炮彈引信后坐保險機構(gòu)的ADAMS剛體動力學(xué)仿真模型Fig.10 Model of the setback arming device of the mortar fuze using ADAMS rigid body dynamic simulation

通過改變慣性筒與引信體之間、慣性筒與滑柱之間的摩擦系數(shù),并根據(jù)表2中的過載參數(shù)改變施加在慣性筒上的沖擊力,得到不同沖擊過載作用下摩擦系數(shù)不同時慣性筒的質(zhì)心位置變化曲線,結(jié)果如圖11～圖15所示。由仿真計算結(jié)果可知,在發(fā)射過載、跌落過載1和跌落過載2作用下,除個別摩擦系數(shù)特別大的3種情況之外,慣性筒均能解除保險;在跌落過載3和跌落過載4作用下,慣性筒的最大位移均小于解除保險行程,慣性筒不會解除保險。

圖11 發(fā)射過載作用下不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的慣性筒質(zhì)心位置變化曲線Fig.11 Change of center mass of the inertial unit with different friction coefficients under lunch overload

圖12 跌落過載1作用下不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的慣性筒質(zhì)心位置變化曲線Fig.12 Change of center mass of the inertial unit with different friction coefficients under drop overload 1

圖13 跌落過載2作用下不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的慣性筒質(zhì)心位置變化曲線Fig.13 Change of center mass of the inertial unit with different friction coefficients under drop overload 2

圖14 跌落過載3作用下不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的慣性筒質(zhì)心位置變化曲線Fig.14 Change of center mass of the inertial unit with different friction coefficients under drop overload 3

圖15 跌落過載4作用下不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的慣性筒質(zhì)心位置變化曲線Fig.15 Change of center mass of the inertial unit with different friction coefficients under drop overload 4

為研究摩擦系數(shù)對慣性筒解除保險運動的影響,并與數(shù)值計算結(jié)果進行對比,對于慣性筒能解除保險的情況,統(tǒng)計并對比得到在不同沖擊作用下不同摩擦系數(shù)時慣性筒的解除保險時間,結(jié)果如表5所示;對于慣性筒不會解除保險的情況,統(tǒng)計并對比得到在不同沖擊作用下不同摩擦系數(shù)時慣性筒的最大位移,結(jié)果如表6所示。

表5 不同沖擊過載作用下不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的解除保險作用時間

表6 不同沖擊過載作用下不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的慣性筒最大位移

4 結(jié)果分析與改進

4.1 結(jié)果分析

1)理論計算結(jié)果與剛體動力學(xué)軟件的仿真結(jié)果一致,兩者可以相互佐證,說明結(jié)果是可信的。

2)預(yù)壓彈簧作用的滑柱對慣性筒存在摩擦阻滯緩釋效應(yīng),這種效應(yīng)對后坐保險機構(gòu)在跌落沖擊作用下的位移響應(yīng)影響較為明顯,對后坐保險在發(fā)射過載作用下的位移響應(yīng)影響很有限;跌落沖擊過載1峰值與發(fā)射過載峰值相近,持續(xù)時間比發(fā)射過載要短,大幅增加滑柱與后坐保險件間的摩擦系數(shù)有助于該機構(gòu)滿足跌落安全性要求;跌落沖擊過載2峰值比發(fā)射但持續(xù)時間遠(yuǎn)小于發(fā)射過載持續(xù)時間,該沖擊條件下增加了摩擦緩釋效應(yīng)的后坐保險機構(gòu)可以很好地保證跌落安全性要求。合理地設(shè)計滑柱簧的預(yù)壓抗力和/或滑柱與慣性筒之間的摩擦特性,可明顯改善后坐保險機構(gòu)的跌落安全性,同時對后坐保險機構(gòu)發(fā)射時解除保險的可靠性不會有明顯的影響。

3)摩擦力對后坐保險機構(gòu)的影響主要在慣性筒運動的第三階段,即慣性減速階段,增加摩擦力可使慣性筒的速度快速衰減到0 m/s,保證跌落不解除保險。

4)發(fā)射過載持續(xù)時間足夠長,發(fā)射過載消失前慣性筒即可解除保險,慣性筒不存在第三階段的運動,因此摩擦阻滯力對發(fā)射時解除保險可靠性影響很小。

5)在彈丸傾斜跌向目標(biāo)時產(chǎn)生的沖擊過載會有大幅降低,傾斜跌落條件下更有利于保證后坐保險機構(gòu)的跌落安全性。

4.2 設(shè)計改進

根據(jù)迫擊炮引信后坐保險機構(gòu)在發(fā)射過載、跌落過載1和跌落過載2作用下的響應(yīng)可知,保險機構(gòu)在發(fā)射時能可靠解除保險,在峰值與發(fā)射過載峰值相近、持續(xù)時間為毫秒級的沖擊過載(跌落過載1和跌落過載2)作用時,不能很好地保證跌落安全性。根據(jù)理論分析,在不影響發(fā)射時解除保險性能的前提下,對該后坐保險機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化計算。優(yōu)化的參數(shù)包括滑柱簧的預(yù)壓抗力F2和慣性筒與引信體孔壁、慣性筒與滑柱之間的摩擦系數(shù)μ,其余參數(shù)見表1。

由理論分析可知,摩擦力f1=f2=μF2,即滑柱簧的預(yù)壓抗力F2和摩擦系數(shù)μ是以摩擦力f1和f2的形式對慣性筒的位移相應(yīng)產(chǎn)生影響的?，F(xiàn)選取摩擦力f1=f2=f在0～6 N范圍內(nèi)變化,按枚舉法,計算得到不同摩擦力時慣性筒在不同沖擊過載作用下的位移響應(yīng)如圖16所示。

圖16 不同沖擊過載作用下慣性筒的最大位移響應(yīng)-摩擦力曲線Fig.16 Maximum displacement response-friction force curves of the inertial unit with different friction fficients under various impact overloads

由圖16可知,摩擦力f小于4.20 N時可以保證慣性筒在發(fā)射過載作用下能解除保險,摩擦力f大于2.13 N時可以保證慣性筒在跌落過載1作用下不會意外解除保險,摩擦力f大于0.67 N時可以保證慣性筒在跌落過載2作用下不會意外解除保險。在跌落過載3和跌落過載4作用下,即使無摩擦阻滯力作用,慣性筒的最大位移也能保證小于解除保險行程,即慣性筒不會解除保險。

因此,若需同時滿足跌落過載1和跌落過載2沖擊下的跌落安全性要求,且滿足發(fā)射時可靠解除保險要求,選取新方案參數(shù)μ和F2時,應(yīng)保證f=μF2大于2.13 N,且小于4.20 N。為保證后坐保險機構(gòu)具有一定的跌落安全性裕度和可靠解除保險裕度,應(yīng)選取摩擦系數(shù)μ和滑柱簧預(yù)壓抗力F2使摩擦力f處于其上述上、下限范圍內(nèi)并盡量遠(yuǎn)離上、下限。

5 結(jié)論

本文針對具有彈簧預(yù)壓作用的被保險件對后坐保險件的摩擦緩釋效應(yīng),通過理論和仿真分析的方法,研究了該效應(yīng)對后坐保險件在意外跌落和發(fā)射時動態(tài)響應(yīng)的影響,得到了有側(cè)壓簧即被保險件預(yù)壓簧作用時后坐保險件在多種不同沖擊過載作用下的位移響應(yīng)和速度響應(yīng)。得出主要結(jié)論如下:

1)被保險件對后坐保險件的摩擦緩釋效應(yīng)有利于提高后坐保險機構(gòu)的跌落安全性,而對后坐保險機構(gòu)發(fā)射時正常解除保險影響十分有限。

2)對于部分跌落高度處于設(shè)計臨界狀態(tài)的引信后坐保險機構(gòu),被保險件與后坐保險件之間摩擦力的大小及有無,將直接影響其跌落安全性是否滿足要求。

3)對于處于這種狀態(tài)的產(chǎn)品,應(yīng)嚴(yán)格控制后坐零件運動副表面的加工質(zhì)量和摩擦系數(shù)。同時應(yīng)控制被保險件彈簧的預(yù)壓抗力以及抗力散布,預(yù)防預(yù)壓抗力下限過小,影響跌落安全性。而對于帶反恢復(fù)機構(gòu)的后坐保險機構(gòu),反恢復(fù)件施力端頭不平,或存在明顯毛刺或硬棱,會使后坐保險件受到異常的阻滯力,可能影響后坐保險件在發(fā)射時可靠解除保險。

4)通過優(yōu)化被保險件彈簧的預(yù)壓抗力和/或被保險件與后坐保險件之間的摩擦特性,即優(yōu)化后坐保險件受到的摩擦阻滯力,可使后坐保險機構(gòu)的跌落安全性得到改善。對于受到過載峰值與發(fā)射過載峰值相近,作用時間達到毫秒級的跌落過載作用時,單自由度后坐保險機構(gòu)安全性與作用可靠性之間的矛盾尤為突出,合理設(shè)計后坐保險件受到的摩擦阻滯力可以有效地解決該矛盾。

5)若傾斜跌落時引信受到的跌落沖擊過載不變,則與豎直跌落相比,傾斜跌落可能導(dǎo)致側(cè)壓銷(如前述滑柱)脫離,不利于保證慣性筒的安全性,但有側(cè)壓銷仍比無側(cè)壓銷更有利。通過優(yōu)化側(cè)壓銷結(jié)構(gòu),減輕側(cè)壓銷的質(zhì)量,可以降低傾斜跌落帶來的不利影響。此外,也可以通過預(yù)扭的扭簧代替彈簧側(cè)壓銷來解決傾斜跌落時側(cè)壓銷脫離的問題。