引信钟表保险机构抗振动弧形槽结构驱动板

周守锋，王念鲁，马 楠，许 彬

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.陆军装备部驻西安地区第四军代室，陕西 西安 710032)

0 引言

无返回力矩钟表机构在引信上的应用可以追溯到半个多世纪以前，早在二战期间，德国就在引信上设计了塔瓦罗式无返回力矩调速器，作为机械式延期解除保险机构。由于无返回力矩钟表机构具有延迟时间的特性，绝大多数导弹和火箭弹引信的安全系统均采用这种机构解决勤务处理安全性和发射时可靠解除保险的矛盾[1]。无返回力矩钟表机构作为一种延期解除保险机构，具有抗干扰能力强，能够适应较为恶劣的外界环境，作用可靠等诸多优点，因此在导弹、火箭弹引信中被广泛应用[2-3]。导弹及火箭弹引信常采用以发动机过载作为原动力的无返回力矩钟表保险机构，其结构主要由惯性块、保险板、钟表装置部件、驱动板部件等组成；结构形式通常是由惯性块约束驱动板部件，驱动板约束保险板部件，保险板部件再约束住保险销锁定水平转子处于保险位置。此种结构在温度等非力学环境试验后都能可靠工作，但是在经历振动、冲击等力学环境试验后却有可能出现引信不能可靠解除保险的问题。文献[4]对双滑块驱动无返回力矩钟表机构进行了理论分析，在VisualNastran软件环境下进行了该机构参数最佳匹配规律研究，采用正交试验和仿真研究该机构中双滑块质量参数最佳匹配、拉簧刚度和惯性簧刚度参数最佳匹配，解决在跌落、震动等冲击时钟表机构齿轮易折断的问题，与本文讨论的现象不一致。文献[5]对齿轮齿条类型的钟表机构因振动后产生磨损导致不解保的问题进行过研究，作者通过改善齿条正弦振动响应频率降低磨损以提高保险机构抗振动性能，但其与本文讨论的钟表机构类型不同，问题原因也不同，方法不能直接借鉴。文献[6]对使用相同类型钟表机构的引信在振动试验后不能解保的问题进行了分析，提出了用于克服振动危害的滑块小钩结构，该方法消除了驱动板部件与惯性块侧面的摩擦损伤。由于文献[6]所采用保险机构的支撑簧设计抗力较高，其在振动试验过程中，支撑簧抗力能够克服惯性力以及驱动板压力将惯性块抵靠在盖板上，从而在惯性块与导向柱之间未出现磨损情况。但弹道环境发生变化，发射主动段过载减小，保险机构惯性解保阈值降低时，惯性块支撑簧设计抗力相对较弱，在振动过程中，惯性块会在惯性力以及驱动板压力的作用下上下滑动，从而导致惯性块与导向柱之间产生摩擦损伤。为此，本文提出了采用具有弧形槽结构的驱动板，提高钟表保险机构抗振动性能。

1 传统钟表保险机构及改进后的惯性块小钩结构

1.1 传统钟表保险机构工作过程

如图1所示，发射后，惯性块感受弹主动段过载并克服支撑弹簧的抗力下滑，同时解除对驱动板部件的约束，驱动板部件在过载及保险板扭簧抗力作用下开始绕轴旋转，并经过钟表装置的延时后释放保险板，保险板是一个D型轴结构，当它转动到竖直位置后释放保险销，并最终解除引信的惯性保险。

从工作过程可以看出，这是一个串联的动作过程，受力也是依次传递，如图2所示。保险板部件在扭簧力矩M1的作用下绕O1旋转,被驱动板部件挡住,并压在驱动板部件上的A点,驱动板部件受到保险板部件的压力N1后绕O2旋转,又压在惯性块的侧面B点上,并最终达到力平衡。

图1 传统钟表保险机构Fig.1 Conventional clockwork arming device

图2 传统钟表保险机构受力关系图Fig.2 Conventional clockwork arming device force diagram

1.2 惯性块小钩结构

文献[2]针对上述结构的钟表保险机构振动试验后不能可靠解除保险的问题进行过分析。图2中，传统钟表保险机构驱动板部件的释放销压在惯性块的侧面B点位置，振动试验后在惯性块的表面B点处形成摩擦损伤，使摩擦系数增大,造成惯性块沿导向柱向下运动的摩擦力增大,最终导致机构不解除保险。

为此提出的解决办法是给惯性块底部侧下方增加一个小钩，如图3所示。在保险位置利用小钩将驱动板部件的释放销钩起，使释放销与惯性块侧面脱离接触，消除释放销与惯性块侧面的摩擦。受力图见图4，惯性块增加小钩后，驱动板部件的释放销压在惯性块的小钩上，惯性块受力由原来的水平方向变成了竖直方向，作用点也由惯性块的侧面B点变成了小钩上的C点。改变了受力点以后，磨损的位置也由B点变到C点，而在C点形成的摩擦损伤并不影响惯性块的上下运动，也就不影响机构解除保险。

当弹道环境发生变化，发射主动段过载减小，保险机构惯性解保阈值降低，惯性块的支撑弹簧抗力进一步减小时，采用文献[2]提出的改进方法在引信振动试验后却出现了新的零件磨损的情况，惯性块与导向柱之间产生了新的摩擦损伤，导致惯性保险不能可靠解除，因此需要采用新的改进方法。

图3 增加小钩的惯性快Fig.3 Inertia block with small hook

图4 小钩结构惯性快受力图Fig.4 Inertia block with small hook force diagram

2 弧形槽结构驱动板

针对上述问题，本文提出采用具有弧形槽结构的驱动板来改变惯性块的受力，改善零件之间的磨损情况，解决惯性保险不能可靠解除的问题。

改进后的钟表保险机构如图5所示。在驱动板上增加一个与转轴同心的弧形槽，保险板改短并在端部横向伸出一个挡销，引信保险状态时挡销抵靠在弧形槽内侧，保险板部件受扭簧逆时针方向旋转的力矩通过挡销最终作用在弧形槽内侧。

图5 改进后的钟表保险机构Fig.5 Improved clockwork arming device

改进后的钟表保险机构受力图见图6。保险板扭簧的力矩M1通过挡销作用在驱动板部件弧形槽的A点上，该作用力N1方向沿弧形槽圆弧半径方向向外，由于这个力的作用方向通过驱动板部件的旋转中心，故不会对驱动板部件产生附加的力矩，驱动板部件没有了转动力矩就和惯性块之间脱离了接触，消除了相互作用的力，使惯性块处在一个较自由的状态，有利于减小振动磨损。同时，驱动板部件没有了附加力矩，仅在惯性力的作用下才能转动，而且与保险板部件的相互抵靠又增加了驱动板运动的阻尼，使驱动板部件对跌落、冲击等瞬时过载环境更加不敏感，有利于提高引信勤务处理中的安全性。

图6 改进后的钟表保险机构受力关系图Fig.6 Improved clockwork arming device force diagram

3 理论分析及试验验证

3.1 理论分析

通过分解试验后不解保的保险机构，检查发现，惯性块与导向柱配合面上有严重的摩擦损伤，零件表面镀层已经破坏，如图7所示。分析认为正是这些磨损增大了惯性块滑动的摩擦力，致使惯性块滑动受阻，最终导致保险不能可靠解除。

图7 磨损的导向柱Fig.7 Worn guide post

要分析这些磨损是怎么产生的，需要分析惯性块的受力，通过图8受力分析图可以看出，惯性块在保险位置时受到的力有4个：支撑弹簧的抗力f，方向竖直向上；释放销对惯性块的压力F，作用点在小钩上，方向竖直向下；另外由于惯性块与导向柱之间配合间隙的存在，导致惯性块导向孔的上下边沿与导向柱接触表面形成两个点压力N1和N2。由于支撑弹簧抗力f与释放销的作用力F方向相反，且不在一条直线上，这就对惯性块产生一个力矩，根据力的平衡原理，在惯性块导向孔上下沿会产生一组大小相等，方向相反，且在一个平面内的力组N1和N2，这两个力的存在就导致惯性块内孔的上下边沿与导向柱表面形成两个应力集中点。在引信振动试验过程中，惯性块上下滑动与导向柱摩擦，应力集中点的存在又加剧了这种摩擦，通过对比试验后的导向柱和惯性块的摩擦印记，也能对应应力集中点的位置。在经过一系列长时间的振动试验后，惯性块的内孔和导向柱面均被摩损，致使惯性块滑动摩擦力增大，最终导致引信不能可靠解除保险。

图8 惯性块受力图Fig.8 Inertia block force diagram

文献[2]中的保险机构没有发现这个问题，分析原因是由于其支撑弹簧的抗力大，能够将惯性块支撑并抵靠在盖板上，使惯性块的受力得到改善，姿态稳定，没有应力集中点，避免了这种边棱摩擦的情况。

结合以上分析，要想提高引信振动试验后解保可靠性，就要减小振动过程中的磨损。具有弧形槽结构的驱动板则通过改善惯性块的受力，能够减小零件磨损，提高机构抗振动性能。

驱动板部件受力见图6，保险板伸出的挡销靠在弧形槽内侧，这样保险板部件的扭矩力M就通过弧形槽作用在驱动板部件上，驱动板部件受到的这个力F的作用方向通过驱动板部件的转轴中心O，这就不会对驱动板部件产生附加力矩，形成了保险板部件与驱动板部件相互抵靠的状态。

改善后惯性块受力如图9所示，驱动板部件没有了旋转力矩，释放销对惯性块压力F没有了，根据力矩平衡，惯性块与导向柱之间的两个应力N1、N2也消除了，所以惯性块原来受到的力F、N1、N2均为零。惯性块仅受到支撑弹簧的抗力f和盖板对其的压力N，其受力状态得到改善，振动试验时惯性块与导向柱之间是自由滑动状态，没有应力集中点，减小了振动时惯性块与导向柱的磨损，使滑块在过载力作用下能够顺利滑动到解保位置，保证机械保险可靠解除。因此这种弧形槽结构的驱动板能够解决振动后惯性保险不能可靠解除的问题。

图9 改善后惯性块受力图Fig.9 Improved inertia block force diagram

另一方面，驱动板部件没有了附加力矩，仅在感受到主动段弹道过载的惯性力作用下才能转动，而且与保险板部件的相互抵靠又增加了驱动板运动的阻尼，使驱动板部件对跌落、冲击等瞬时过载环境更加不敏感，有利于提高引信勤务处理中的安全性。

3.2 试验验证

改进前的12发产品试验情况见表1。

表1 改进前试验情况

从表1可以看出，改进前的12发产品在振动试验前解保都正常，振动试验后只有4发正常，其余8发均未在规定过载范围内解保。

改进后的12发产品试验情况见表2。

表2 改进后试验情况

从表2可以看出，改进后的12发产品在振动试验前后均正常解保。从试验后引信分解检查情况看，惯性块与导向柱之间基本没有磨损痕迹，其余各部件也都正常。

4 结论

本文提出了引信钟表保险机构采用具有弧形槽结构的驱动板。该结构能够改善惯性块的受力，消除驱动板部件造成的压力，使惯性块仅受支撑弹簧的抗力，能够较稳定地抵靠在盖板上，消除应力集中，减小了振动过程中的磨损，保证引信惯性保险能够可靠解除，同时引信的安全性也得到一定的提高。理论分析和试验验证表明，采用这种结构的钟表保险机构在振动试验前后均能正常解除保险，因此采用具有弧形槽结构的驱动板能够有效提高钟表保险机构抗振动性能。