艾志遠(yuǎn)，李世中，楊 超，張冬梅，常慧珠

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411207)

0 引言

長期以來，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在許多發(fā)射過載較大的彈藥引信中廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭中軍事武器的發(fā)展，武器的平臺(tái)和類型得到極大拓展，如部分單兵直瞄武器、反坦克導(dǎo)彈、火箭彈、巡飛彈、無人機(jī)、小型無人戰(zhàn)車等，這些彈藥或平臺(tái)相應(yīng)配備的彈藥，其發(fā)射過載具有量值低、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，過載值甚至低于10g，持續(xù)時(shí)間超過1 s。對(duì)于傳統(tǒng)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)來說，其性能已經(jīng)無法滿足這些低過載環(huán)境，尤其在極低過載情況下很難區(qū)分和識(shí)別彈道環(huán)境與勤務(wù)處理跌落環(huán)境。目前為應(yīng)對(duì)極低過載引信安全性問題，主要采用彈簧阻尼器和鐘表機(jī)構(gòu)，例如曲折槽保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和加速度積分器，但這些機(jī)構(gòu)無法同時(shí)應(yīng)對(duì)持續(xù)時(shí)間長和極低過載兩個(gè)發(fā)射環(huán)境，所以迫切需要解決過載持續(xù)時(shí)間較長的極低發(fā)射過載彈藥引信，其勤務(wù)處理、保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)之間的技術(shù)問題。

為了解決在持續(xù)時(shí)間較長的極低過載發(fā)射環(huán)境中，彈藥引信能夠應(yīng)用后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)這一問題，本文采用一種將質(zhì)量重塊和無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)相結(jié)合的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，通過鐘表輪系、擒縱機(jī)構(gòu)和彈簧阻尼器，作用于保險(xiǎn)件上，使系統(tǒng)能夠識(shí)別彈道環(huán)境和勤務(wù)處理跌落環(huán)境，并能可靠解保，能夠在極低過載下解決引信勤務(wù)處理安全和可靠解除保險(xiǎn)的矛盾。

1 低過載后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀

為了解決引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在低過載發(fā)射環(huán)境中，勤務(wù)處理安全性和可靠解除保險(xiǎn)之間矛盾，各國陸續(xù)研發(fā)出了多種能夠區(qū)分跌落等過載和低發(fā)射過載的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。其中應(yīng)用較為廣泛的有曲折槽后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、雙自由度保險(xiǎn)機(jī)和加速度積分器。

曲折槽保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于迫擊炮彈、無后坐力炮和火箭彈引信當(dāng)中，通過曲折槽機(jī)構(gòu)對(duì)于慣性筒的遲滯作用，來解決彈藥引信在發(fā)射時(shí)由于所受到的后坐力與跌落時(shí)所受到的慣性力相差很小帶來的識(shí)別矛盾[1]。曲折槽保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)所需最低過載約為60g，過載持續(xù)時(shí)間約為50 ms。典型曲折槽保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 曲折槽保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.1 Zigzag arming device

雙自由度后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)相對(duì)較晚，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，是一種新型后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。通過后坐簧和上下后坐筒起到延期解保的效果[2]。雙自由度后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解保所需最低過載約為100g，持續(xù)時(shí)間約為15 ms。圖2是一種雙自由度后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的示意圖。

圖2 雙自由度后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.2 Two degree of freedom setback arming device

加速度積分器實(shí)質(zhì)上也是一種鐘表保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，依靠慣性塊、齒輪輪系和彈簧對(duì)轉(zhuǎn)子起到遲滯，以達(dá)到延期解保的作用[3]。加速度積分器在低于12g的過載時(shí)不會(huì)運(yùn)動(dòng)，大于20g過載能可靠解保。圖3為典型加速度積分器結(jié)構(gòu)。

圖3 加速度積分器Fig.3 Acceleration integrator

除了上述幾種保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，還出現(xiàn)了序貫式、剪切銷和流體等形式的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，它們相較于傳統(tǒng)的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)來說，解決了部分低發(fā)射過載和勤務(wù)處理安全性的矛盾[4]。但這些保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的識(shí)別范圍大多為幾十到幾百個(gè)g的過載，持續(xù)時(shí)間十幾到幾十毫秒，對(duì)于10g甚至低于10g，持續(xù)時(shí)間較長的極低過載不能很好識(shí)別。

2 結(jié)構(gòu)組成及原理

為了應(yīng)對(duì)過載持續(xù)時(shí)間長和極低過載兩個(gè)條件，本文采用了一種將帶鉗制銷質(zhì)量塊和無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)相結(jié)合的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，圖4展示了極低過載后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)，其主要構(gòu)件有帶鉗制銷的質(zhì)量重塊、鐘表齒輪輪系和擒縱機(jī)構(gòu)。

圖4 極低過載后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.4 Recoil safety mechanism for extremely low overload fuze

2.1 原動(dòng)機(jī)

在本文設(shè)計(jì)中，原動(dòng)機(jī)由質(zhì)量重塊擔(dān)任，用以識(shí)別極低過載，并通過固定在其上的齒條，將后坐過載帶來的慣性力傳遞給齒輪系，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。質(zhì)量塊上穿有通孔，用來穿過起到導(dǎo)軌和約束作用的金屬桿，通孔內(nèi)部為臺(tái)階形設(shè)計(jì)，用來卡住彈簧。圖5為帶有齒條的質(zhì)量塊。

圖5 帶有齒條的質(zhì)量塊Fig.5 A mass block with a rack

帶有齒條的質(zhì)量塊不僅是原動(dòng)機(jī)，同時(shí)也是保險(xiǎn)件，通過鉗制銷對(duì)被保險(xiǎn)件(如回轉(zhuǎn)體)起到約束作用。圖6是鉗制銷與回轉(zhuǎn)體在解除保險(xiǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程。

圖6(a)為開始向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉗制銷在轉(zhuǎn)子的通槽內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)回轉(zhuǎn)體起到限制作用，回轉(zhuǎn)體內(nèi)雷管與軸線成45°夾角，引信處于隔離狀態(tài)。圖6(b)為質(zhì)量塊在過載作用下沿通槽運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到位時(shí)，鉗制銷與回轉(zhuǎn)體圓環(huán)槽對(duì)準(zhǔn)，回轉(zhuǎn)體在偏心配重部或預(yù)置扭簧等作用下迅速轉(zhuǎn)正，如圖6(c)所示，雷管與導(dǎo)爆管對(duì)正，引信處于待擊發(fā)狀態(tài)，當(dāng)過載消失后，質(zhì)量塊在彈簧作用下向上運(yùn)動(dòng)，鉗制銷繼續(xù)對(duì)回轉(zhuǎn)體起到限制作用，防止引信瞎火。

2.2 鐘表齒輪傳動(dòng)輪系

傳動(dòng)輪系的功能是按一定的傳動(dòng)比，將原動(dòng)機(jī)的能量傳遞給擒縱調(diào)速器。本設(shè)計(jì)采用引信用圓弧齒輪嚙合傳動(dòng)輪系，該型齒輪為優(yōu)化齒形，其力矩比變化率的最大值為最小，對(duì)齒輪參數(shù)偏差不敏感。齒輪的齒頂系數(shù)高，強(qiáng)度高，嚙合性能好，并且齒軸齒根高有所降低，提高了耐用性[5]。

傳動(dòng)輪系總傳動(dòng)比按以下公式計(jì)算：

(1)

式(1)中，k∑為傳動(dòng)輪系總傳動(dòng)比，tmax為引信最大作用時(shí)間，T為平衡擺振動(dòng)周期，Zq為擒縱輪齒數(shù)，αmax為最大裝定角。

tmax根據(jù)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)定為1.8 s，αmax假定為330°，擒縱機(jī)構(gòu)采用了比較成熟的一種，Zq取12，T一般取0.01 s。經(jīng)過計(jì)算總傳動(dòng)比k∑≈13.5。

當(dāng)10

圖7 傳動(dòng)輪系Fig.7 The transmission gear train

在鐘表機(jī)構(gòu)中越靠近原動(dòng)機(jī)的齒軸受力越大，從強(qiáng)度的角度考慮，齒軸齒數(shù)應(yīng)按遞減順序排列，而齒輪齒數(shù)應(yīng)按遞增順序排列。

2.3 無返回力矩擒縱調(diào)速器

無返回力矩擒縱調(diào)速器是無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)的重要組成部分，其通常只有卡擺和擒縱輪兩個(gè)部件，卡擺有卡瓦式和銷釘式兩種結(jié)構(gòu)[6]。本文采用了一種較成熟的銷釘式無返回力矩擒縱調(diào)速器，如圖8所示。

圖8 銷釘式無返回力矩擒縱調(diào)速器Fig.8 Pin type runaway escapement

無返回力矩擒縱調(diào)速器結(jié)構(gòu)中沒有彈性元件，所以沒有恢復(fù)力矩，依靠擒縱輪對(duì)銷釘?shù)膩砘嘏鲎玻蛊胶鈹[產(chǎn)生無固定周期的振動(dòng)。每次對(duì)銷釘?shù)呐鲎捕紩?huì)消耗擒縱輪一部分能量[7]，并通過傳動(dòng)輪系使得原動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)減緩，以達(dá)到延遲解除保險(xiǎn)的作用。

對(duì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，主要是采用質(zhì)量重塊用以識(shí)別極低過載，并充當(dāng)原動(dòng)機(jī)和保險(xiǎn)件，通過鐘表輪系機(jī)構(gòu)、擒縱機(jī)構(gòu)和彈簧相結(jié)合，對(duì)保險(xiǎn)件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻尼，達(dá)到延期的作用，能夠很好地識(shí)別持續(xù)時(shí)間長的極低發(fā)射過載和勤務(wù)處理環(huán)境，從而達(dá)到在極低過載下保險(xiǎn)和延期解保的作用。

3 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

為了驗(yàn)證對(duì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)改進(jìn)的有效性，使用UG軟件對(duì)整個(gè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，并將裝配好的模型導(dǎo)入Adams中，對(duì)零件進(jìn)行材料屬性修改，并且施加一定的約束關(guān)系后進(jìn)行仿真。導(dǎo)入Adams后的模型如圖9所示。

圖9 導(dǎo)入Adams中的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)模型Fig.9 Import the insurance mechanism model in Adams

3.1 發(fā)射時(shí)作用性能仿真

由于齒條不在運(yùn)動(dòng)軸線上，在離心力作用下可能會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力，其計(jì)算公式為

Ffct=mctrctfω2(t)，

(2)

式(2)中，mct為齒條質(zhì)量，rct為齒條偏心距，f為摩擦系數(shù)，ω(t)為彈丸角速度。

其中齒條質(zhì)量mct為0.405×10-3kg，偏心距rct取8.75×10-3m，摩擦系數(shù)f取0.1，對(duì)于彈丸角速度ω(t)，按照保守條件，取157.08 rad/s。由此可得齒條所受摩擦力Ffct為0.008 74 N，其數(shù)值幾乎可以忽略不計(jì)。

齒條固定在質(zhì)量塊上共同構(gòu)成了原動(dòng)機(jī)，其受到的慣性力為

Fk=mya，

(3)

式(3)中，my為原動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，取1.477×10-2kg；過載加速度a為8g(g=9.8 m/s2)，可得原動(dòng)機(jī)所受慣性力約為1.16 N。

原動(dòng)機(jī)所受合力為

Fy=Fk-Ffct-Kx-Fp，

(4)

式(4)中，K為彈簧剛度系數(shù)，x為原動(dòng)機(jī)位移，F(xiàn)p為彈簧預(yù)載荷。

彈簧起到支撐質(zhì)量重塊和回彈作用，其剛度系數(shù)設(shè)為2.5×10-2N/mm，為了保證平時(shí)和勤務(wù)處理時(shí)的安全性，彈簧要有一定的預(yù)壓量，換算成預(yù)載荷，每條彈簧為0.07 N。

仿真開始前，上鉗制銷與轉(zhuǎn)子上端對(duì)齊，鉗制銷在轉(zhuǎn)子的通槽內(nèi)，對(duì)轉(zhuǎn)子起到鎖定作用。

根據(jù)計(jì)算，對(duì)機(jī)構(gòu)施加過載進(jìn)行仿真。定義過載為8g，持續(xù)時(shí)間為2 s，保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)結(jié)果如圖10所示。

圖10 8 g過載下保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況Fig.10 Motion of safety parts under 8 g overload

由圖10可知，在8g過載下，保險(xiǎn)件向下位移，鉗制銷深入轉(zhuǎn)子通槽約2 mm，并沿著通槽運(yùn)動(dòng)。在大約1.5 s時(shí)，保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)到底部，行程為8 mm，此時(shí)鉗制銷與轉(zhuǎn)子圓環(huán)槽對(duì)正，保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)到位，并在過載未結(jié)束時(shí)保持，過載結(jié)束后，在短時(shí)間內(nèi)能夠復(fù)位，保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)效果良好。

發(fā)射過載有可能受到發(fā)射平臺(tái)、發(fā)射環(huán)境等因素的影響而產(chǎn)生小的變動(dòng)，因此在7g和10g過載下分別進(jìn)行了仿真。結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 7 g過載下保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況Fig.11 Motion of safety parts under 7 g overload

圖12 10 g過載下保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況Fig.12 Motion of safety parts under 10 g overload

從仿真結(jié)果中可以看出，在7g和10g過載下，保險(xiǎn)件均能在1 s以后，2 s以內(nèi)運(yùn)動(dòng)到位，可靠解保，并能在過載結(jié)束后復(fù)位。

為了驗(yàn)證其可靠解保的過載工作范圍，分別在6，12和15g過載下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖13所示。

圖13 6 g、12 g和15 g過載下保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況Fig.13 Movement of safety parts under 6 g, 12 g and 15 g overload

由仿真結(jié)果可以看出，在6g過載下，保險(xiǎn)件在2 s左右運(yùn)動(dòng)到位，在15g過載下，保險(xiǎn)件在1 s左右運(yùn)動(dòng)到位，為了可靠解保，解保時(shí)間應(yīng)在1～2 s之間，所以低過載保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的解保工作范圍為6～15g。

3.2 勤務(wù)處理安全性仿真

引信在勤務(wù)處理過程中，其跌落環(huán)境一般可分為跌落向硬目標(biāo)和跌落向軟目標(biāo)，對(duì)于低過載引信，跌落向軟目標(biāo)或者帶有緩沖包裝時(shí)的安全性更為重要[8]。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選定彈丸在3 m高度墜落向鋼板來模擬跌落向硬目標(biāo)的情景，其峰值過載為14 000g，持續(xù)時(shí)間0.2 ms；選定彈丸在3 m高度跌落向土壤來模擬跌落向軟目標(biāo)的情景，其峰值過載500g，持續(xù)時(shí)間5 ms。保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況的仿真結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖14 14 000 g過載下保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況Fig.14 Motion of safety parts under 14 000 g overload

圖15 500 g過載下保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況Fig.15 Motion of safety parts under 500 g overload

從圖14—圖15中可以看出，在14 000g過載下，保險(xiǎn)件最大位移量為0.6 mm，在500g過載下，保險(xiǎn)件最大位移量為0.65 mm，兩種情況下保險(xiǎn)件的最大位移量都未超過1 mm，并在很短時(shí)間內(nèi)迅速復(fù)位，說明保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)勤務(wù)處理跌落環(huán)境有很好的識(shí)別作用。

在運(yùn)輸過程中，由于載具和路況等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)。振動(dòng)過載通常按正弦曲線處理，為了模擬運(yùn)輸振動(dòng)情況，分別在振動(dòng)峰值過載30g，周期2 ms和振動(dòng)峰值1g，周期1.5 s的情況下對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，如圖16和圖17所示。

圖16 峰值過載30 g振動(dòng)時(shí)保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況Fig.16 Motion of the bumper when peak overload 30 g vibrates

圖17 峰值過載1 g振動(dòng)時(shí)保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)情況Fig.17 Motion of the bumper when 1 g vibration is induced by peak overload

從仿真結(jié)果中可以看出，無論是周期2 ms的30g過載振動(dòng)還是周期1.5 s的1g過載振動(dòng)，保險(xiǎn)件的運(yùn)動(dòng)行程均在0.5 mm以內(nèi)，保險(xiǎn)的安全性有充分保證。但同時(shí)由于振動(dòng)的存在，應(yīng)盡量減小保險(xiǎn)件和其他零件間的接觸面積以及摩擦系數(shù)，減少因振動(dòng)產(chǎn)生的摩擦而帶來的磨損。

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響分析

對(duì)于極低過載后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)來說，其內(nèi)部部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)解保性能有很大的影響，比如重塊質(zhì)量和彈簧抗力。

為了增加機(jī)構(gòu)的通用性，在其他條件不變的情況下，通過改變重塊材質(zhì)或體積來改變其質(zhì)量，改變剛度系數(shù)來改變彈簧的抗力，以此來影響保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的性能。圖18和圖19分別為不同質(zhì)量的重塊和不同剛度系數(shù)的彈簧對(duì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解保時(shí)間的影響。

本文設(shè)計(jì)中保險(xiǎn)件采用鋼制結(jié)構(gòu)，如圖18所示，又分別采用銅制和鏤空處理，來表示采用密度更大的材料或者減小體積來增加或減小重塊質(zhì)量，在相同條件和過載下，可以看出重塊質(zhì)量越大，解保時(shí)間越短，質(zhì)量越小，解保時(shí)間越長。

圖18 不同質(zhì)量重塊對(duì)運(yùn)動(dòng)性能影響Fig.18 Influence of different weights on motion performance

圖19為不同剛度系數(shù)的彈簧對(duì)保險(xiǎn)件運(yùn)動(dòng)性能的影響，分別采用了剛度系數(shù)為1.5×10-2，2.5×10-2和5×10-2N/mm的彈簧。由圖可知，隨著剛度系數(shù)的增加，彈簧抗力也增大，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解保時(shí)間越長，剛度系數(shù)越小，解保時(shí)間越短。

圖19 不同剛度系數(shù)彈簧對(duì)運(yùn)動(dòng)性能影響Fig.19 Influence of springs with different stiffness coefficient on motion performance

通過以上兩組仿真可以看出重塊質(zhì)量和彈簧抗力對(duì)于解保性能的影響，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景來適當(dāng)做出調(diào)整，以適應(yīng)更加寬泛的解保過載區(qū)間，增強(qiáng)了該機(jī)構(gòu)的通用性。

4 結(jié)論

本文改進(jìn)的極低過載引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，利用質(zhì)量重塊和無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)相結(jié)合，通過齒輪輪系、擒縱調(diào)速器和彈簧阻尼器，對(duì)保險(xiǎn)件起到遲滯作用，達(dá)到保險(xiǎn)和延期解除保險(xiǎn)的功能，解決了在有限空間內(nèi)、持續(xù)時(shí)間長、極低過載條件下的可靠解保。通過仿真驗(yàn)證了其解?？煽啃砸约扒趧?wù)處理安全性，為極低過載發(fā)射條件下的彈藥引信設(shè)計(jì)提供了參考。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同場景來進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。