内嵌式双球转子延期解除保险时间仿真及模拟实验研究

吴晓军， 方 帆

(1. 中北大学 信息商务学院， 山西 晋中 030600； 2. 先进制造技术山西省重点实验室， 山西 太原 030051； 3. 中国人民解放军63961部队， 北京 100012)

0 引 言

在小口径弹药引信的设计中， 存在的最突出矛盾是引信作用性能要求高而引信设计体积小， 这种矛盾给小口径引信设计尤其是隔爆机构和延期解除保险机构设计带来了很大困难. 球转子机构是一种典型的引信机构， 具有结构简单、 体积小、 便于制造、 能紧凑地与引信其他机构结合设计在一起的优点， 是小口径引信比较理想的一种隔离机构[1].

但是球转子机构自身运动提供的解除保险距离尚不满足引信安全性能的要求， 在引信设计的工程实践中， 需要另外设计延期解除保险装置， 如无返回力矩钟表延期解除保险、 准流体延期解除保险、 气体延期解除保险、 易熔合金延期解除保险、 软带延期解除保险、 火药延期解除保险等[2-9]. 内嵌式双球转子是对传统球转子的一种创新性改进， 具有结构紧凑的优点， 是传统延期解除保险装置的一种有效补充.

文献[1]提出了内嵌式双球转子的原理， 本文结合具体的工程应用背景进行了参数设计， 仿真分析及实验验证.

1 内嵌式双球转子装置工作原理

静止状态时， 离心子嵌入在引信壁中， 并将球壳合件及球转子锁定在隔爆位置. 如图 1 所示.

图 1 内嵌式双球转子工作原理图Fig.1 Schematic of embedded two-ball rotor

发射时， 在离心力作用下， 球壳合件受离心子的限制， 只能沿球壳合件上的导槽运动， 当运动到导槽较大的孔时， 离心子受离心力作用飞出， 解除了对球转子的约束， 球转子开始在离心力作用下转正， 这时球转子、 球壳合件、 雷管和击针对正， 引信处于待发状态， 运动过程如图 2 所示.

图 2 运动过程图Fig.2 Exercise diagram

内嵌式双球转子的受力与传统的球转子类似， 限于篇幅， 本文就不展开分析了.

2 内嵌式双球转子装置动力学仿真

2.1 仿真参数设置

内嵌式双球转子装置选用了典型的内弹道参数， 具体为： 平均最大膛压≤320 MPa； 炮口初速1 050 m/s； 炮口角速度56 000 r/min； 最大后坐过载系数k1与最大爬行力系数k3分别为 132 000 和913； 常温下弹丸在膛内运动时间 0.004 s.

在后效期终了时， 可近似地认为弹丸已飞离炮口约38倍口径的距离， 此时弹丸的速度比炮口初速增加约3%， 所以在后效期内弹丸的平均速度为1.015Vg. 因此， 整个后效期内嵌式双球转子装置所经历的时间为

式中：th为后效时间；D为口径；Vg为炮口初速.

通过结构方案设计初步确定球壳、 球转子及离心子等关键零部件的质量、 质心位置和转动惯量如表 1 所示.

表 1 内嵌式双球转子装置质量、 质心位置及转动惯量

2.2 仿真结果

弹丸飞至后效期后所受爬行力由爬行过载系数k3值确定， 并近似认为内嵌式双球转子装置中球转子转正之前爬行力恒定. 球壳与离心子的弹道环境力由膛压曲线和后效期弹底压力表初步确定， 如图 3 和图 4 所示. 由设计原理可知球转子的启动期一定在弹丸后效期以后， 因此可近似设定球转子只受爬行力的作用， 如图 5 所示.

弹丸旋转速度在膛内近似线性增加， 在炮口处达到最大值wg， 且近似认为出炮口后至球转子转正这段时间内弹丸转速维持恒定， 仿真结果如图 6 所示.

图 3 球壳所受弹道环境力Fig.3 The trajectory environment force on the ball shell

图 4 离心子所受弹道环境力Fig.4 The trajectory environment force on the centrifugal

图 5 球转子所受爬行力Fig.5 The crawling force on the ball rotor

根据设计要求， 设定当弹丸在膛内转速达到炮口最大转速的一半时， 球壳上的C型簧(离心保险)解除保险. 因此由图 6 可知， 在0.002 s时球壳解除离心保险时存在一小范围的波动， 但由于同时受到膛内较大的后坐环境力作用， 此时球壳无法转动， 因此仍处于静止状态. 在0.004 6 s时球壳开始转动， 在0.024 7 s时球壳基本转正， 此时离心子解除对球转子的约束， 球转子开始转动， 至 0.029 s 时转正到位. 考虑到雷管与导爆药搭边时就有引爆导爆药的可能， 按θ=30°的时间作为解除保险的时间， 此时t=0.026 1 s.

图 6 球壳及球转子的转正过程Fig.6 The process of the ball shell and ball rotor’s turning positive

由此可见， 内嵌式双球转子装置的延期解除保险距离包括球壳转正时间和球转子转正两部分时间所得到的距离， 其中通过设置导向槽大大降低了球壳的角速度， 提高了延期解除保险的时间. 内嵌式双球转子解除保险机构延期解除保险距离主要由球壳的运动所决定. 由图6可得球转子的转正时间为0.022 1 s.

最终内嵌式双球转子获得的延期保险距离为

L=V0t=1 050×0.022 1=23.205 (m),

式中：V0为弹丸初速， m/s；L为内嵌式双球转子获得的延期解除保险距离， m.

由仿真结果可知， 内嵌式双球转子装置的延期解除保险距离可以满足20 m的指标要求.

3 模拟实验及分析

为了验证仿真结果的正确性， 设计了相关的实验方案. 实验原理： 利用离心机来模拟旋转， 将试验测试装置连接于离心机转轴， 光信号采集电路安装至测试装置正上方， 通过光路的通断， 显示读取计时信号， 确定球壳和球转子的转正时间. 试验样机和测试装置装配体如图 7， 图 8 所示.

在10 000 r/min的转速下进行多次试验， 内嵌式双球转子机构都可以可靠解除保险， 利用光电测试装置， 完成对内嵌式双球转子机构延期解除保险时间的测试， 其中典型测试结果如图 9 所示.

图 7 离心试验后转正的内嵌式双球转子Fig.7 The embedded double ball rotor turning positive after centrifugal test

图 8 实验装置安装示意图Fig.8 Experimental installation diagram

图 9 10 000 r/min测试结果Fig.9 The test result of 10 000 r/min

图 9 中第一个高电平表示内嵌式双球转子机构处于隔爆状态； 第一个下降沿对应球壳启动时刻， 第一段低电平对应球壳的转正过程； 第一个上升沿对应球壳转正定位销退出时刻， 解除对球转子的约束后， 球转子的转正过程对应第二段高电平； 第二个下降沿对应球转子转正时刻， 内嵌式双球转子机构解除保险， 对应最后的低电平状态. 由图9可知， 球壳转正时间为2.684 s， 球转子转正时间为0.082 s. 采用上文所述典型的外弹道参数， 经外推计算， 内嵌式双球转子延期解除保险装置可以满足20 m延期解除保险距离的要求， 验证了仿真计算的合理性.

4 结 论

本文研究了内嵌式双球转子延期解除保险的原理， 完成了关键参数的设计， 并应用相关的仿真软件进行了仿真. 仿真结果表明： 在典型的弹道环境下， 内嵌式双球转子延期解除保险装置的延期解除保险距离大于20 m. 本文还设计了相关实验， 实验结果说明内嵌式双球转子延期解除保险装置的延期解除保险距离满足引信安全设计准则的要求.

参考文献：

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