王歡 馬靜 陳沖

摘 ?要：通過對(duì)小口徑軌道炮電磁發(fā)射用電樞進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了兩款一體化C型電樞。對(duì)兩款電樞分別進(jìn)行了建模仿真，得到了初始裝配階段的接觸壓力分布云圖，通過對(duì)仿真結(jié)果的理論分析得出凹弧型電樞更加適合小口徑軌道炮的發(fā)射要求。

關(guān)鍵詞：電磁發(fā)射;C型電樞;過盈裝配;接觸壓力

中圖分類號(hào)：TJ866 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0035-03

Abstract： Through the reasonable design of the armature for electromagnetic launch of small caliber rail gun， two types of integrated C-type armature are designed. The two types of armature are modeled and simulated respectively， and the contact pressure distribution cloud diagram of the initial assembly stage is obtained. Through the theoretical analysis of the simulation results， it is concluded that the concave arc armature is more suitable for the launch requirements of small caliber rail gun.

Keywords： electromagnetic emission; C armature; interference assembly; contact pressure

引言

電磁發(fā)射技術(shù)作為一項(xiàng)可行性較強(qiáng)的未來武器技術(shù)引起了世界上許多軍事強(qiáng)國的關(guān)注。電樞是電磁軌道發(fā)射裝置的關(guān)鍵部件，它是將電源電能轉(zhuǎn)化為負(fù)載動(dòng)能的直接作用裝置。樞軌電接觸轉(zhuǎn)捩和射向精度控制是小口徑電磁軌道炮的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。發(fā)射試驗(yàn)表明，小口徑電磁軌道炮在啟動(dòng)階段以及高速階段都存在樞軌電接觸轉(zhuǎn)捩問題。轉(zhuǎn)捩電弧損傷軌道和內(nèi)膛絕緣，降低發(fā)射效率。小口徑電磁軌道炮的電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過電樞結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)選消除樞軌電接觸轉(zhuǎn)捩、防止內(nèi)膛絕緣失效。

1 一體化C型電樞基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)小口徑電磁軌道炮電樞的電磁特性、熱特性和力學(xué)特性設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行電樞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

首先確定的C形電樞結(jié)構(gòu)參數(shù)有：電樞口徑、轉(zhuǎn)角厚度、尾翼長度、尾翼端部厚度等，如圖1所示。然后進(jìn)行接觸面結(jié)構(gòu)、內(nèi)側(cè)面結(jié)構(gòu)和喉部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)電樞的電磁、力學(xué)和熱學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，重復(fù)上述設(shè)計(jì)流程直到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.1 尾翼機(jī)械過盈設(shè)計(jì)

在確定C形電樞的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，開展尾翼接觸過盈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過計(jì)算不同過盈結(jié)構(gòu)及其過盈量情形下接觸壓力分布、接觸面積、接觸位置的變化規(guī)律，分析電樞啟動(dòng)階段電流分布特性，以及尾翼電磁接觸壓力分布特性，考察啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)捩發(fā)生的可能性，分析電樞接觸面電流熔蝕發(fā)生的位置及其熔蝕質(zhì)量，綜合評(píng)估電樞接觸過盈結(jié)構(gòu)性能。重復(fù)上述設(shè)計(jì)流程直到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.2 喉部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電樞喉部電流集中處容易產(chǎn)生熔化，在兩側(cè)尾翼向外張開時(shí)形成裂縫，在磁鋸效應(yīng)作用下，裂縫急劇發(fā)展甚至造成電樞在橫檔處整體斷裂，如圖2所示。通常采用鞍形喉部結(jié)構(gòu)改善喉部電流分布。鞍形結(jié)構(gòu)一方面減小喉部曲率，同時(shí)還能減小喉部邊緣電流密度。利用電流作用積分計(jì)算可判斷喉部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。

1.3 尾翼內(nèi)側(cè)表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尾翼的柔順性主要受材料的力學(xué)性能、橫截面形狀和截面積影響。尾翼接觸表面形狀和尺寸在軌道形狀確定以后就不能改變，因此只能通過優(yōu)化尾翼內(nèi)側(cè)面形狀的改變來調(diào)整尾翼的柔順性。尾翼內(nèi)側(cè)面設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)兼顧尾翼的抗拉強(qiáng)度和柔順性。

2 小口徑電樞設(shè)計(jì)圖

電樞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的三維圖如圖3、圖4所示。電樞材料為鋁合金。其中圖3是凹弧形接觸面電樞，內(nèi)膛采用D形軌道;圖4是凸弧形接觸面電樞，適用于圓形內(nèi)膛。

3 仿真計(jì)算

3.1 仿真模型

計(jì)算電樞裝配過程中接觸界面接觸壓力分布所采用的物理模型如圖5所示。計(jì)算中采用的軟件為ANSYS。

3.2 仿真結(jié)果

（1）凹弧電樞軌道過盈裝配壓力分布（如圖6）

從壓力分布云圖可以得到（如圖7），裝配單邊過盈量為1mm時(shí)，最大接觸壓力為7.87×107N/m2。接觸面中心接觸壓力最大，接近電樞尾翼邊沿時(shí)，接觸壓力逐漸變小?？偨佑|壓力為3397.4N，滿足1g/A定律要求。

（2）凸弧電樞軌道過盈裝配壓力分布（如圖8）

從壓力分布云圖可以得到（如圖9），裝配單邊過盈量為1mm時(shí)，最大接觸壓力為2.48×108N/m2。接觸壓力最大區(qū)域集中在電樞尾翼邊沿位置且靠近尾翼端部，總接觸壓力為4147.3N，滿足1g/A定律要求。

比較起來，凹弧形電樞在裝配后接觸界面接觸壓力分布較凸弧電樞更優(yōu)。主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是接觸壓力分布均勻;二是接觸壓力主要分布在接觸面中心區(qū)域。前者可避免應(yīng)力集中，應(yīng)力集中有可能導(dǎo)致塑性變形主導(dǎo)的干摩擦機(jī)制發(fā)生，一方面損傷接觸材料，同時(shí)導(dǎo)致摩擦力增大，阻礙電樞的啟動(dòng);后者表明樞軌實(shí)際接觸區(qū)域在接觸面中央位置，有利于將電樞電流熔蝕產(chǎn)生的液化鋁控制在接觸面內(nèi)，有利于潤滑和增大接觸面面積，同時(shí)防止了凸弧電樞情形下的液化鋁向內(nèi)膛絕緣的噴射損傷。

在施加電流后，電樞尾翼上產(chǎn)生電磁接觸壓力，凹弧電樞與軌道之間的實(shí)際接觸面積會(huì)因之增大，有利于對(duì)接觸界面的磁擴(kuò)散過程的控制，通過改變電流進(jìn)入電樞的路徑來優(yōu)化接觸面電流分布，減少電樞表面材料的電流熔蝕。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了兩款一體化C型電樞，適合口徑20mm以內(nèi)的小口徑電磁軌道炮。

（2）兩種電樞尾翼的接觸過盈提供接觸壓力均大于

3kN，能有效消除啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)捩。

（3）凹弧形電樞在裝配后接觸界面接觸壓力分布以及電樞啟動(dòng)階段接觸面電流分布均較凸弧電樞更優(yōu)。有利于電流熔蝕現(xiàn)象的控制以及液化鋁橫向噴射的控制，起到保護(hù)絕緣以及提高絕緣壽命的作用。

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