小口径弹药引信用滑块作动器

耿万钧,孙兴昀，严 楠

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.北京理工大学，北京 100081)

0 引言

安全保险机构是引信安全系统的重要组成部分[1]，目前公开的用于小口径弹药引信的小尺寸安全保险机构基本上都是利用弹药发射后的旋转离心力或后坐过载激励来实现解除保险[2-6]，但是不同类型的小口径弹药的发射环境相差很大[7]，所以依靠环境力实现解锁的安全保险机构具有一定的局限性。

通过结构匹配设计，火工滑块作动器可直接作为小口径弹药引信的安全保险机构[8-10]，但是文献[8-10]介绍的滑块作动器(见图1)没有滑块解锁后的锁定结构设计，不能保证解除保险的可靠性。本文针对此问题，提出了不依靠弹药的发射环境力实现解锁的滑块作动器。

图1 LAAS-CNRS设计的安全保险机构Fig.1 Safety and arming device of LAAS-CNRS’ design

1 滑块作动器工作原理

滑块作动器由发火元件、发火药、顶盖、滑块和底座等部分组成，如图2所示，整体尺寸为18 mm×10 mm×4 mm。

图2 滑块作动器结构Fig.2 Structure of slideractuator

工作原理如下：作用前(见图3)，滑块处于安全位置，微型雷管与受主装药被滑块隔断，可以防止微型雷管意外点火引起弹药意外爆炸；弹药发射后，适当时机，发火元件点燃发火药，发火药气体产物推动滑块运动到解除保险位置，滑块上的传爆孔位于微型雷管和受主装药之间传爆序列上下对正(见图4)。

图3 滑块作动器作动前Fig.3 Before the action of slide actuator

图4 滑块作动器作动后Fig.4 After the action of slide actuator

2 安全解除保险功能设计

滑块作动器作为引信的安全保险机构，需要设计限制滑块在安全状态时移动以及解除保险状态时退回的结构，可分别称之为止推、止退结构。

本文设计的滑块作动器的止推、止退结构为过盈配合结构，如图5所示。作用前，过盈结构可将滑块锁定在安全位置；作用后，气体产物对滑块的推力大于过盈配合结构的摩擦力时，滑块会发生压缩变形“挤入”滑槽的过盈结构部分；滑动运动到位后，过盈配合结构的摩擦阻力可以防止滑块退回到安全位置。

图5 滑块作动器的过盈配合结构Fig.5 Interference structure of slider actuator

根据弹药使用要求，可增加设计一道与文献[8-10]类似的后座保险锁(图1中的惯性销)，即一个带有弹簧的圆柱销。当滑块位于保险位置时，圆柱销在弹簧作用下插入到滑块的传爆孔中，将滑块锁定；弹药发射时，圆柱销受到后坐力压缩弹簧退出滑块传爆孔，此时滑块只受到过盈结构限制。

3 理论及仿真分析

3.1 止推摩擦阻力理论分析

滑块的上下面与顶盖和底座设计为间隙配合，因此可以将滑块运动过程中的阻力简化为滑块两侧壁所受底座侧壁过盈配合部分的摩擦力。滑块整体尺寸相对较小、材料刚度相对较大，过盈量较小，滑块运动时变形较小，所以可以将滑块与底座侧壁接触面受力简化近似为均匀的平面接触摩擦力[12]。设L为滑块宽度，l为过盈区域的变形量，F为过盈配合接触面的接触压力，S为接触面积，μ为摩擦系数，则滑块在过盈配合区域滑动时受到的摩擦力Ff为：

Ff=F×S×μ

(1)

利用广义胡克定律可以将上式推导为[12]：

(2)

式(2)中，E为材料的弹性模量。

由式(2)可知在滑块整体宽度不变的条件下，滑块受到的摩擦力与接触面积S以及滑块“挤进”过盈结构的压缩变形量l成正比。

装药量越大，滑块运动到位的可靠性越高；装药量越少，其发火药燃烧对引信系统其他组件的影响就会越小，所以在保证可靠作用前提下，应尽量降低装药量。结合滑块作动器的作用原理可知，滑块受到的止推摩擦力越小，滑块可靠作用所需的装药量就越小；由上述理论分析可知，在材料、过盈尺寸设计以及滑块整体尺寸相同条件下，滑块与过盈结构接触面积以及过盈区域的变形量越小，其受到的止推摩擦阻力也就越小。

结合上述分析，提出一种改进的滑块结构，削去滑块中间部分材料，在滑块与底座滑槽侧壁的台阶结构接触部分形成两个挡臂，改进后的滑块结构见图6。图5、图6所示的滑块可分别称为平板式滑块和挡臂式滑块。

图6 优化后的滑块结构Fig.6 Improved slider structure

挡臂式滑块在挤进滑槽的过盈配合结构过程中，与滑槽侧壁产生挤压和摩擦作用就只有这两个挡臂部分，与过盈结构接触的面积远小于平板式滑块；另外，类似悬臂梁的挡臂在滑块滑动时会发生弯曲变形，有助于减小滑块和滑槽侧壁的挤压力，同样会降低滑块与滑槽之间的摩擦力。

3.2 数值仿真分析

过盈问题属于边界条件高度非线性的复杂接触问题，滑块运动过程的真实受力环境复杂，直接理论计算得到过盈结构的摩擦力非常困难[13]。因此，借助有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA进行分析计算。

考虑到模型的对称性，建立滑槽和滑块的1/2简化模型，如图7所示。滑块厚度为1 mm、最大宽度为4 mm，两种模型的过盈结构位置相同，过盈量均为0.05 mm(即滑槽台阶结构的高度为0.05 mm)，滑块运动到解除保险位置的距离同为2.5 mm；挡臂式滑块的挡臂的臂长为1.0 mm，臂宽为0.7 mm，模型的材料均为2A12铝合金，参数见表1[14]。

图7 滑块作动器有限元模型Fig.7 Finite element model of slideractuator

表1 仿真模型基本参数

在滑块靠近装药的一侧施加恒定推力载荷，计算滑块能够滑到解保险位置时候临界推力值，该临界推力值可约等于滑块作动器的止推摩擦力。

3.2.1平板式滑块

平板式滑块作动器仿真计算过程见图8，在后处理过程中，分别观察滑块运动到位后滑槽(图9左)和滑块(图9右)的变形情况。

图8 平板式滑块作动器仿真计算过程Fig.8 Simulation calculation process of plate type slider actuator

图9 滑槽和平板式滑块的变形情况Fig.9 Deformation of chute and plate type slider

通过平板式滑块作动器仿真计算可以看出，应力集中在滑块与底座滑槽侧壁的接触处，最大应力始终在滑块与滑槽过盈结构最初的接触部位，滑块运动的阻力就来自于滑槽过盈结构的摩擦作用，在滑块运动到位后，整个滑块与底座的接触部分产生挤压变形，滑槽上与滑块最先作用的部分变形最明显。

在滑槽的过盈结构上取1个有限元单元，获取此有限元单元沿滑槽和滑块摩擦面法线方向的位移，见图10，此位移量可以表征过盈结构的变形量。

图10 平板式滑块作动器过盈结构变形量Fig.10 Deformation amount of plate type slider actuator’s interference structure

通过仿真计算得到平板式滑块作动器的过盈结构变形量约为0.036 mm，止推摩擦力约为230 N。

3.2.2挡臂式滑块

挡臂式滑块作动器仿真计算过程见图11。用相同的方法分别观察分析挡臂式滑块作动器的滑槽和滑块，见图12。在相同的位置选取1个有限元单元获取其沿滑槽和滑块摩擦面法线方向的位移，见图13。

图11 挡臂式滑块作动器仿真计算过程Fig.11 Simulation calculation process ofarm block type slider actuator

图12 滑槽和挡臂式滑块的变形情况Fig.12 Deformation of chute and arm block type slider

图13 挡臂式滑块作动器过盈结构变形量Fig.13 Deformation amount of arm block type slider actuator’s interference structure

从挡臂式滑块作动器仿真过程可以看出：应力集中在滑块挡臂与底座滑槽侧壁的接触处，滑槽与滑块的挡臂发生过挤压的区域发生了塑性变形，无法恢复原始形状；挡臂式滑块运动过程中，挡臂的根部会出现了应力集中现象，挡臂会产生类似悬臂梁的弯曲变形，这与前文的分析结果一致。

通过仿真计算得到挡臂式滑块作动器的过盈结构变形量约为0.016 mm，止推摩擦力约为55 N。

3.2.3结果分析

1) 过盈量为0.05 mm条件下，平板式滑块的止推摩擦力达到230 N，而挡臂式滑块的止推摩擦力只有55 N，说明平板式滑块的改进设计为挡臂式滑块能够有效降低止推摩擦力，进而可以降低临界装药量。

2) 平板式滑块的过盈结构变形量为0.036 mm，挡臂式滑块的变形量为0.016 mm，挡臂从根部向与滑块移动方向相反的方向弯曲，说明挡臂式滑块可有效降低止推摩擦力的原因一方面为摩擦接触面积减小，另一方面为通过挡臂弯曲减小过盈区域变形量。

3) 滑块与滑槽过盈结构在滑块移动到解除保险位置时仍然有挤压变形现象，说明运动到位的滑块与滑槽之间存在摩擦阻力，可以将滑块锁定在解除保险位置。

4 样机实验

4.1 止推止退摩擦力实验

按照仿真计算中模型的结构尺寸，加工简化结构的滑块作动器，利用高精度伺服压力机对冲头施加缓慢增加的推力，通过记录分析压机施加的压力曲线确定滑块和滑槽过盈结构之间的摩擦阻力，实验装置见图14，实验后的滑块见图15，结果见表2。

表2 止推摩擦力和止退摩擦力实验结果

图14 摩擦力实验装置Fig.14 Friction test device

图15 实验后滑块变形情况对比Fig.15 Comparison between the deformation of the slider after the experiment

以上实验结果表明：

1) 过盈量为0.05 mm条件下，平板式滑块的止推摩擦力均值为209 N，挡臂式滑块的止推摩擦力均值为50 N，实验结果与数值仿真的结果比较一致。

2) 平板式滑块的止退摩擦力均值为60 N，挡臂式滑块的止退摩擦力均值为18 N，实验结果与仿真计算得到的过盈结构变形量结果相印证，变形量越小摩擦力越小，同时说明过盈结构可以实现止退功能。

3) 实验后滑块的变形情况与仿真计算结果相仿，滑块的挤压变形以及挡臂的弯曲变形均较为一致。

4.2 样机原理验证实验

对完整结构的平板式滑块和挡臂式滑块的样机做了临界装药量的实验，参试产品的结构尺寸和仿真计算模型相同，产品所装药剂为斯蒂芬酸铅，采用桥丝点火，实验样品见图16。实验结果见表3，滑块完全移动到解除保险位置即判定为成功。

表3 样机原理验证实验结果

图16 滑块作动器实物图Fig.16 Slider actuator

图17为实验后的滑块作动器，其中左图为滑块移动到解保险位置的滑块作动器，右图为滑块未成功移动到解保险位置的滑块作动器。从图中可以看到：滑块运动到位后，滑块上的传爆孔和底座的受主装药对正，滑块未运动到位时，滑块依然隔断爆轰通道。

图17 实验后的滑块作动器Fig.17 Slider actuator after experiment

实验结果表明：过盈量为0.05 mm条件下，平板式滑块设计的临界装药量大于挡臂式滑块设计；装药量2.5 mg以上时，挡臂式滑块设计的滑块作动器能够实现安全与解除保险功能。

5 结论

本文提出了不依靠弹药发射的离心力实现解锁功能的小口径弹药引信用滑块作动器。该滑块作动器主要利用过盈配合结构保证弹药勤务处理时引信的安全状态和弹药发射后引信的可靠解除保险状态，同时可以根据需要增加后座保险锁。数值仿真和样机实验表明，滑块作动器原理可行，能够实现安全与解除保险的功能，为小口径弹药引信的安全保险机构设计提供了参考。