武志博,焦 斌,趙振戎,趙星云,趙浩成,汪 博

(1.中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.中北大學(xué)省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室,山西 太原 030051;3.中國人民解放軍第四八零八工廠軍械修理廠,山東 青島 266042)

0 引言

引信是武器系統(tǒng)發(fā)揮終端毀傷效能的最終執(zhí)行機構(gòu),其安全性與作用可靠性直接決定著武器與目標(biāo)對抗的成敗[1]。MEMS安全與解除隔離裝置(簡稱安解裝置)作為引信的重要組成部分,其對于環(huán)境的敏感性能直接決定著引信作用的可靠性。二維過載模擬是指既能夠模擬引信發(fā)射時的后坐過載又能同時模擬離心過載,它是引信實際應(yīng)用的關(guān)鍵所在,對于引信的研制和生產(chǎn)起著巨大的推進(jìn)作用[2]。引信安解裝置及其關(guān)鍵部件的性能考核與校驗主要是依賴模擬試驗系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計了一種MEMS保險機構(gòu)二維過載加載模擬裝置,通過改變電機的轉(zhuǎn)速和扭簧的力矩,可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整加速度幅值和加載持續(xù)時間。文獻(xiàn)[4-6]設(shè)計了一種基于空氣炮助推啟動的帶矢量轉(zhuǎn)臺的復(fù)合式離心機,通過空氣炮發(fā)射助推轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)離心機的瞬間啟動,同時用伺服電機帶動矢量轉(zhuǎn)盤,從而模擬導(dǎo)彈的發(fā)射和機動飛行過程。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種多級感應(yīng)式線圈炮與旋轉(zhuǎn)管復(fù)合的引信發(fā)射后坐與旋轉(zhuǎn)雙環(huán)境模擬試驗裝置。文獻(xiàn)[8-9]應(yīng)用撞擊旋轉(zhuǎn)法,研究了引信液體儲備電池性能參數(shù)與后坐力和旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系。分析上述文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有的模擬試驗裝置不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高,而且僅能實現(xiàn)小幅值過載的加載。本文針對20 mm小口徑彈MEMS安解裝置,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)靈巧且能實現(xiàn)大幅值過載模擬的二維過載模擬試驗系統(tǒng)。

1 MEMS安解裝置

1.1 MEMS安解裝置基本組成

20 mm小口徑彈MEMS安解裝置基本組成如圖1所示。按各部件功能的不同,可將其劃分為解除后坐保險功能單元和解除離心保險功能單元[10]。前者是利用彈丸發(fā)射時產(chǎn)生的后坐力解除對離心隔爆滑塊的運動限制,即解除MEMS安解裝置后坐保險;后者則是利用彈丸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生額定離心力解除離心隔爆滑塊對傳爆序列的隔絕作用,從而實現(xiàn)系統(tǒng)完全解除保險。

1．后坐保險單元卡座;2.后坐滑塊卡頭;3.Z型槽;4.后坐滑塊;5.后坐保險單元彈簧;6.離心保險單元彈簧;7.傳火通孔;8.離心隔爆滑塊;9.離心隔爆滑塊卡頭;10.基板橫梁;11.離心保險單元卡座;12.基板;13.定位保險桿。圖1 20 mm小口徑彈MEMS安解裝置Fig.1 The diagram of MEMS S&A device for 20 mm small-caliber projectile

1.2 MEMS安解裝置膛內(nèi)環(huán)境力

彈丸發(fā)射時,在發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生氣體膛壓的作用下,軸向速度迅速躍遷到數(shù)百米每秒,MEMS安解裝置受到相當(dāng)大的發(fā)射后坐力。后坐滑塊會克服彈簧拉力向下運動,當(dāng)后坐滑塊到達(dá)底部時,后坐滑塊卡頭進(jìn)入后坐保險單元卡座內(nèi),被其限制無法復(fù)位從而解除系統(tǒng)的第一道保險(后坐保險)。由于身管膛線的存在,使擠進(jìn)身管的彈丸軸向轉(zhuǎn)速由0迅速躍遷到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)、甚至上萬轉(zhuǎn),相應(yīng)地MEMS安解裝置也受到相當(dāng)大的離心力。離心隔爆滑塊在離心力的作用下克服彈簧阻力向外移動,并由離心保險單元卡座固定,完成解除對傳爆序列的隔爆作用進(jìn)而實現(xiàn)完全解除系統(tǒng)保險功能(離心保險)。MEMS安解裝置各功能單元受力運動情況如圖2所示。

圖2 MEMS安解裝置在膛內(nèi)的受力示意圖Fig.2 The force diagram of MEMS S&A device in the chamber

1.3 等效相似模擬原理

根據(jù)前文敘述,彈丸發(fā)射時MEMS安解裝置后坐滑塊會沿著彈軸方向向下運動,離心隔爆滑塊會沿著徑向向外運動。以MEMS安解裝置基板建立參考目標(biāo),后坐滑塊始終受到向下的作用力,離心隔爆滑塊始終受到向外的橫向力。因此,可以根據(jù)等效相似性原理,利用撞擊加速法來模擬彈丸發(fā)射時的后坐環(huán)境力,利用等效離心旋轉(zhuǎn)來模擬離心隔爆滑塊受到的橫向力(彈丸轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘上萬轉(zhuǎn),且受限于動平衡因素和電機轉(zhuǎn)速的影響,直接模擬彈丸自轉(zhuǎn)較難實現(xiàn))。這樣做的優(yōu)勢在于通過增大離心半徑,從而降低旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。等效離心模擬原理如圖3所示。

圖3 等效離心旋轉(zhuǎn)模擬原理圖Fig.3 The schematic diagram of equivalent centrifugal rotation simulation

2 二維過載模擬試驗系統(tǒng)

2.1 模擬試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

二維過載模擬試驗系統(tǒng)主要包括離心機、碰撞機構(gòu)、圓環(huán)軌道、滑車和加速度測試裝置等,如圖4(a)所示。離心機由轉(zhuǎn)盤、主轉(zhuǎn)軸、變頻調(diào)速電機以及臺架組成。在轉(zhuǎn)盤下方安裝有碰撞機構(gòu),轉(zhuǎn)盤與圓環(huán)軌道位于同一水平面內(nèi)。載有MEMS安解裝置和加速度測試裝置的滑車靜止放置在圓環(huán)型軌道內(nèi)。

圖4 模擬試驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of simulation test system

碰撞機構(gòu)是模擬試驗系統(tǒng)的核心部件,主要包括限位槽、沖擊錘、鋼絲繩、圓筒、制動盤和電磁制動器組,如圖4(b)所示。限位槽固定安裝在離心轉(zhuǎn)盤下方,沖擊錘插入在限位槽內(nèi),并且可以沿著限位槽做往復(fù)伸縮運動。鋼絲繩纏繞在圓筒上,其中一端固定(在圓筒上),另一端連接沖擊錘。圓筒與轉(zhuǎn)盤同軸裝配,并通過齒-槽結(jié)構(gòu)配合,因此能夠?qū)崿F(xiàn)一定角度內(nèi)的相對轉(zhuǎn)動。制動盤固定在圓筒下部,兩臺電磁制動器對稱安裝在制動盤的兩側(cè),且相互獨立控制。

2.2 模擬試驗系統(tǒng)控制流程

模擬試驗系統(tǒng)控制流程如圖5所示,分為兩路控制分支:變頻調(diào)速電機控制和二維過載同步加載控制。工控機(IPC)通過串行通信端口RS485發(fā)送命令到變頻器,變頻器根據(jù)給定指令控制變頻電機穩(wěn)定地運行,通過反饋可以得到更快的響應(yīng)速度和更精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速。通過電磁鉗盤式制動器組的通電與斷電,控制沖擊錘的伸出與收回動作,從而實現(xiàn)二維過載的加載模擬。

圖5 模擬試驗系統(tǒng)控制框圖Fig.5 The control diagram of simulation test system

2.3 模擬試驗系統(tǒng)工作過程

2.3.1離心機儲能過程

試驗開始前,裝有MEMS安解裝置試件的滑車靜止放置在圓環(huán)軌道內(nèi),電磁制動器A抱緊制動盤,電磁制動器B松開。啟動變頻電機,電機通過主轉(zhuǎn)軸帶動離心轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動,此時由于與圓筒固定的制動盤被抱緊,導(dǎo)致圓筒旋轉(zhuǎn)受阻保持靜止,圓筒與離心轉(zhuǎn)盤發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,鋼絲繩會纏繞在圓筒上,沖擊錘被拉回至限位槽底部。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過一定角度后,轉(zhuǎn)動會受限,而隨著電機輸出轉(zhuǎn)矩的不斷增大,轉(zhuǎn)盤與圓筒會突破電磁制動器A的摩擦制動力(電機的輸出轉(zhuǎn)矩大于電磁制動器A的制動轉(zhuǎn)矩),轉(zhuǎn)盤會與圓筒、制動盤一起轉(zhuǎn)動(電磁制動器A由靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?,直至達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速,如圖6所示。

圖6 離心機儲能過程Fig.6 The schematic diagram of centrifuge energy storage process

2.3.2后坐過載加載過程

當(dāng)電機達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定后,啟動后坐過載加載,光電傳感器監(jiān)測到?jīng)_擊錘旋轉(zhuǎn)至指定位置,控制電磁制動器A松開,摩擦轉(zhuǎn)矩失效。沖擊錘在離心力的作用下沿著限位槽向外甩出,頭部伸入到圓環(huán)軌道內(nèi)。沖擊錘與載有MEMS安解裝置的滑車高速碰撞,由此實現(xiàn)后坐過載的加載模擬,如圖7所示。

圖7 后坐過載加載過程Fig.7 The working principle diagram of recoil overload loading process

2.3.3離心過載加載過程

在沖擊錘的高速撞擊下,滑車獲得一定的速度并沿著圓環(huán)軌道慣性運動。此時,由于其受到離心力的作用,實現(xiàn)了離心過載的加載。應(yīng)該注意的是碰撞完后滑車速度大于沖擊錘速度,滑車會與沖擊錘產(chǎn)生二次碰撞。為了避免該情況,在整個系統(tǒng)中增加了電磁制動器B。當(dāng)沖擊錘與滑車碰撞完成后,電磁制動器B抱緊制動盤,目的是給圓筒一個制動轉(zhuǎn)矩,鋼絲繩纏繞圓筒,沖擊錘在鋼絲繩拉力的作用下退回到限位槽底部,如圖8所示。

圖8 離心過載加載過程Fig.8 The working principle diagram of centrifugal overload loading process

2.4 模擬試驗系統(tǒng)參數(shù)

2.4.1二維過載指標(biāo)要求

動態(tài)模擬引信發(fā)射過程中的后坐過載環(huán)境,要求后坐過載加速度A后坐不小于1萬g,過載持續(xù)時間不小于500 μs;動態(tài)模擬發(fā)射過程中受膛線作用,彈體高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心過載環(huán)境,要求離心過載加速度A離心不小于1 000g。

2.4.2離心機轉(zhuǎn)速

后坐過載是由沖擊錘高速撞擊滑車實現(xiàn)的,其載峰值和脈寬與離心機的轉(zhuǎn)速有關(guān)。由于離心機的轉(zhuǎn)速很快,系統(tǒng)動能非常大,且碰撞接觸時間很短(約500 μs),假定在碰撞的瞬間,系統(tǒng)的動能和動量矩是守恒的。因此,轉(zhuǎn)盤碰撞前后的角速度可以寫作

(1)

式(1)中,J為離心機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量,J=43.2 kg·m2;m滑為滑車的質(zhì)量,m滑=0.78 kg;r滑為滑車的旋轉(zhuǎn)半徑,r滑=0.68 m;ω0為碰撞前離心機的旋轉(zhuǎn)角速度;ω1為碰撞后轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角速度;v0為碰撞前滑車的速度,v0=0;v1為碰撞后滑車的速度。

根據(jù)式(1)可知,碰撞前離心機的角速度ω0可以寫作

(2)

假設(shè)后坐過載波形為理想半正弦曲線,則碰撞后滑車的最大速度vmax寫作

(3)

計算得到:ω0=23.12 rad/s。

因此,要使得后坐過載加速度滿足幅值達(dá)到1萬g,脈沖持續(xù)時間500 μs,對應(yīng)的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為221 r/min。

離心過載加速度與滑車?yán)@圓形軌道旋轉(zhuǎn)的速度有關(guān)?；嚨碾x心加速度A離心可以寫作

(4)

計算得到v2=82.46 m/s。將v2代入式(2),計算得到:ω′0=61.14 rad/s。

因此,要使得離心過載加速度滿足幅值達(dá)到1 000g,對應(yīng)的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為584 r/min。

在工程實踐中,通常通過增加緩沖墊的方式來調(diào)整沖擊脈沖波形。后坐過載的脈寬可以通過式(5)求得[11]

(5)

式(5)中,τ是沖擊脈寬的持續(xù)時間,m是帶緩沖墊的滑車的質(zhì)量,M是離心機系統(tǒng)的等效質(zhì)量,K是系統(tǒng)的剛度系數(shù),E是緩沖材料的彈性模量,S是緩沖墊片的面積,l是緩沖墊的厚度。

綜合上述分析,設(shè)定離心機轉(zhuǎn)速為700 r/min,可以同時滿足后坐過載和離心過載的模擬加載要求。

2.4.3制動力

為了確定電磁制動器的制動力,有必要對沖擊錘進(jìn)行受力分析,如圖9所示。沖擊錘所受離心力的表達(dá)式為

圖9 沖擊錘受力分析Fig.9 The force analysis diagram of impact hammer

F1=m錘ω2r1,

(6)

式(6)中,m錘為沖擊錘的質(zhì)量,m錘=1.5 kg;ω為沖擊錘的旋轉(zhuǎn)角速度;r1為沖擊錘的旋轉(zhuǎn)半徑,r1=0.35 m。

根據(jù)式(6)可計算得到離心機轉(zhuǎn)速為700 r/min時,沖擊錘所受離心力為2 821 N。

沖擊錘離心力對圓筒的轉(zhuǎn)矩寫作

M1=F1r筒,

(7)

式(7)中,r筒為圓筒的半徑,r筒=0.06 m。由式(7)計算得到?jīng)_擊錘離心力對圓筒的轉(zhuǎn)矩M1=169 N·m。

要保證離心機達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速前沖擊錘不被甩出,需滿足M2>M1。電磁鉗盤式制動器A的制動力FA需滿足

(8)

式(8)中,r盤為制動盤的半徑,r盤=0.2 m。因此,選定電磁鉗盤式制動A的制動力為900 N。

沖擊錘完全伸出時,所受到的離心機寫作

F2=m錘ω2r2,

(9)

式(9)中,r2為沖擊錘完全伸出時的旋轉(zhuǎn)半徑,r2=0.45 m。計算得到?jīng)_擊錘所受離心力為3 627 N,沖擊錘離心力對圓筒的轉(zhuǎn)矩M2=218 N·m。同理,可計算得到電磁鉗盤式制動B的制動力為1 200 N。

3 模擬試驗結(jié)果

3.1 模擬試驗系統(tǒng)實物

本文所述模擬試驗系統(tǒng)離心機選用艾默生的三相變頻調(diào)速電機FLSMV80M-18.5-1500,額定電壓380 V,額定功率18.5 kW,電機額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min;變頻器選擇艾默生M600-06400470A10100AB100變頻器,額定電壓400 V,額定電流63 A,額定功率30 kW,工作頻率50 Hz。變頻器與上位機通信可用485串口對電機進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)速。模擬試驗系統(tǒng)實物照片如圖10所示。

圖10 模擬試驗系統(tǒng)實物照片F(xiàn)ig.10 The photo of simulation test system

滑車裝置包括三個部分:MEMS安解裝置試件、加速度測試裝置以及滑車殼體。加速度測試裝置使用兩個高g值加速度傳感器BM1001,測試量程分別設(shè)為±3萬g和±5 000g。將兩個經(jīng)過校準(zhǔn)的加速度傳感器分別沿X,Y軸方向安裝在傳感器座上,分別對應(yīng)后坐過載方向和離心過載方向。測試系統(tǒng)采用內(nèi)觸發(fā)方式,觸發(fā)閾值為1 000g,采樣頻率200 kHz,存儲時間16 s,上電方式為手動上電。為確保數(shù)據(jù)的可靠獲取和存儲,采用環(huán)氧樹脂將測試裝置內(nèi)部灌封?；囇b置實物照片如圖11所示。

圖11 滑車裝置實物照片F(xiàn)ig.11 The photo of the block device

3.2 測試結(jié)果

設(shè)定離心機轉(zhuǎn)速為700 r/min,二維過載加載間隔時間為95.0 ms,并選擇橫截面積60 mm×70 mm,厚度30 mm的橡膠塊作為緩沖墊進(jìn)行模擬試驗,得到二維過載模擬試驗實測數(shù)據(jù)如圖12所示。從圖中可以看出實測加速度曲線中包含有較高的噪聲信號,因此需要對實測曲線進(jìn)行濾波處理。利用Matlab軟件對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波,濾波截止頻率2.5 kHz,得到濾波后的二維過載實測曲線,如圖13所示。從圖中可以看出,實測后坐過載加速度峰值達(dá)到16 541g,過載脈寬約為512 μs,實測離心過載加速度可達(dá)1 017g,滿足二維過載模擬試驗要求。

圖12 后坐和離心過載實測曲線Fig.12 The measured curve of recoil and centrifugal overload

圖13 濾波后的后坐和離心過載實測曲線Fig.13 The measured curve of recoil and centrifugal overload after filtering

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種引信二維過載模擬試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)20 mm小口徑彈MEMS安解裝置的二維過載加載模擬。利用離心機帶動沖擊錘高速撞擊裝有引信安解裝置的滑車并使其瞬間加速,模擬后坐過載加載過程;撞擊后滑車在圓環(huán)軌道內(nèi)慣性旋轉(zhuǎn),模擬離心過載加載過程。通過建立模擬試驗系統(tǒng)的動力學(xué)方程和沖擊錘的運動方程,計算并選定了離心機轉(zhuǎn)速為700 r/min,電磁制動器組制動力分別為900 N和1 200 N。利用研制的模擬系統(tǒng)完成了二維過載加載模擬試驗,測試得到了后坐過載和離心過載加速度曲線。實測后坐過載加速度峰值達(dá)到16 541g,過載脈寬約為512 μs;實測離心過載加速度可達(dá)1 017g,能夠滿足二維過載模擬試驗要求。