侵徹多層鋼靶板過載測試技術(shù)

張美云，王敬斌，王 丹，石庚辰

(1.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司，西安 710043； 2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

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【機(jī)械制造與檢測技術(shù)】

侵徹多層鋼靶板過載測試技術(shù)

張美云1，王敬斌1，王 丹1，石庚辰2

(1.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司，西安 710043； 2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

針對在彈丸侵徹鋼靶板過程中高過載帶來的問題，研究了一種能夠抗高沖擊作用的彈丸侵徹多層鋼靶板過載測試裝置。該裝置采用灌封、多層材料組合緩沖以及二次電源的措施，能保證測試裝置抗高沖擊作用和可靠工作。對彈丸侵徹多層鋼靶板的過載特性進(jìn)行了測試，結(jié)果表明所研究的測試裝置能夠可靠獲取與記錄彈丸穿過各層靶板時(shí)的加速度。

測試裝置；多層靶板；抗沖擊；過載

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，出現(xiàn)了作為重要目標(biāo)的機(jī)場跑道、機(jī)庫、航母和高級(jí)指揮要地等各種高強(qiáng)度的、不同形式的綜合防護(hù)目標(biāo)，為了攻擊這些高價(jià)值目標(biāo)，侵徹彈藥(含引信)相繼出現(xiàn)。侵徹彈藥在侵徹目標(biāo)的過程中，要承受數(shù)萬g的過載，這對彈體(及引信)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。戰(zhàn)斗部在承受高g值加速度過載時(shí)，炸藥可能因自身的慣性力而自炸，影響毀傷效果。引信也有可能在承受高過載過程中，機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生大的變形，或電子元器件受到損壞，使引信提前發(fā)火或瞎火。

因此，在侵徹彈藥(及引信)的研制過程中，必須要測試侵徹過程的加速度信號(hào)，對所測過載數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,可得到彈體侵徹過載變化規(guī)律。對彈體的侵徹過載特性有清楚的認(rèn)識(shí),才能對彈藥進(jìn)行合理設(shè)計(jì),從而保證彈體在侵徹過程中不會(huì)變形破壞，保證引信能夠正常工作等。

國內(nèi)外都非常重視侵徹過載的測試技術(shù)研究，基本上都是采用彈載測試技術(shù)，它可以測試并記錄彈丸在膛內(nèi)、飛行和穿靶三個(gè)過程中加速度過載信號(hào)。

本文采用彈內(nèi)過載存儲(chǔ)測試裝置，對彈丸穿5層鋼靶板時(shí)的過載進(jìn)行了測試，獲得了可靠的過載試驗(yàn)數(shù)據(jù),為進(jìn)一步進(jìn)行彈體及引信的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 過載測試裝置的組成與工作原理

過載測試裝置用于測試、記錄和存儲(chǔ)彈體侵徹過載信息。該裝置主要由穩(wěn)壓電路、貯能電路、信號(hào)處理電路、濾波電路、AD采集電路、存儲(chǔ)記憶電路及傳感器等組成。過載測試裝置原理圖如圖 1 所示。加速度傳感器采用壓阻式傳感器,用于檢測彈體的侵徹過載，通過信號(hào)處理電路進(jìn)行放大與濾波處理轉(zhuǎn)變?yōu)檫m應(yīng) A/D 轉(zhuǎn)換器要求的電壓信號(hào)并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中; 接口電路及數(shù)據(jù)處理部分將靜態(tài)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析處理,提供彈體侵徹過載測試的相關(guān)參數(shù)。

圖1 過載測試裝置原理圖

為了能夠可靠地得到測試數(shù)據(jù)，本裝置采用冗余方法，即在一個(gè)過載測試裝置中設(shè)計(jì)了兩路相同的測試系統(tǒng)，用碰合開關(guān)控制采集記錄起點(diǎn)，對過載信號(hào)進(jìn)行模擬采集， 實(shí)現(xiàn)侵徹過載記錄采集。

2 過載測試裝置的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電路模塊的緩沖保護(hù)

試驗(yàn)彈體侵徹靶板過程中,受到復(fù)雜的動(dòng)載荷作用并產(chǎn)生巨大慣性力。在受到高速?zèng)_擊碰撞時(shí),要承受高達(dá)數(shù)萬g的過載,必須要對過載測試裝置中電路模塊、數(shù)據(jù)記錄芯片、引線進(jìn)行緩沖保護(hù)，以免電路在高過載沖擊下變形、損壞，不能進(jìn)行可靠的記錄或丟失數(shù)據(jù)。因此,對電路模塊進(jìn)行可靠的緩沖保護(hù)是研究過載測試裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本論文緩沖保護(hù)采取了有兩個(gè)措施，一是將過載測試裝置整體灌封進(jìn)行保護(hù)。過載測試裝置所用材料、結(jié)構(gòu)形狀及各種電子元器件和復(fù)雜的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)給過載測試裝置緩沖保護(hù)帶來相當(dāng)大的難度。為提高其抗沖擊能力，采用灌封使其內(nèi)部各電路模塊固化成整體，使得電路中各元器件在受到?jīng)_擊時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)，避免了由于元器件的移動(dòng)造成開焊等失效現(xiàn)象，這樣可以極大提高測試系統(tǒng)的抗沖擊能力。第二個(gè)措施是利用多種材料組合形成機(jī)械緩沖保護(hù)結(jié)構(gòu)，降低對測試系統(tǒng)中元器件及機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度，對過載測試裝置進(jìn)行緩沖保護(hù)。根據(jù)應(yīng)力波傳播理論，應(yīng)力波從一種介質(zhì)傳播到另一種波阻抗不同的介質(zhì)時(shí)，會(huì)在分界面引起擾動(dòng)，分別向兩種介質(zhì)中傳播反射波和透射波的傳播原理，本過載測試裝置將毛氈、聚氨酯彈性體、聚四氟乙烯、紫銅等多種材料組合構(gòu)成了緩沖結(jié)構(gòu)。緩沖材料的彈塑性變形及阻尼作用，減弱了由于彈丸碰靶板時(shí)的減速運(yùn)動(dòng)而作用于過載測試裝置上的力。除了起到緩沖減振作用以外,緩沖材料還能有效地隔離或衰減彈丸與靶板撞擊時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波，利用應(yīng)力波在不同介質(zhì)的傳遞速度及衰減程度的不同，有效提高了對高沖擊過載的緩沖效果，很好地保護(hù)了過載測試裝置，使其能夠在彈丸穿靶過程中可靠工作。

圖2為測試裝置的照片。

圖2 測試裝置

2.2 二次電源設(shè)計(jì)

測試時(shí)，將裝有過載測試裝置的彈丸裝入炮膛之前，將電源接通。在發(fā)射過載的作用下，過載測試裝置中的慣性開關(guān)閉合，啟動(dòng)信號(hào)采集，開始采集信號(hào)。

在碰靶板時(shí)，在高過載作用下，電池有可能損壞，為保證采集裝置可靠供電，在采集裝置的電路中增加二次電源設(shè)計(jì)。二次電源采取多個(gè)抗高過載電容并聯(lián)方式，在電池給采集裝置提供電源的同時(shí)，給采集裝置二次電源貯能電容充電儲(chǔ)能。圖3為二次電源的示意圖。在碰擊靶板過程中，電池自身或者電池與記錄裝置的引線有可能損壞，電池不能繼續(xù)為采集裝置供電。此時(shí)，經(jīng)過儲(chǔ)能的二次電源啟動(dòng)，為記錄裝置信號(hào)處理電路、濾波電路、AD采集電路、存儲(chǔ)記憶等電路供電，使過載測試裝置能夠繼續(xù)可靠工作。

圖3 二次電源單路貯能電容示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)為彈丸穿多層鋼板靶過程中過載測試。

試驗(yàn)所用火炮為156滑膛炮、試驗(yàn)彈彈徑156 mm，5層鋼靶板，靶板間距分別為1.2、3、1.2、1.2 m，彈丸碰擊第一層的著速為740 m/s。

3.2 測試結(jié)果

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了2發(fā)火炮試驗(yàn)，獲取了4條過載加速度曲線，圖4所示為其中的1條過載測試曲線。

圖4 傳感器測試曲線

3.3 測試結(jié)果分析

彈丸侵徹靶板時(shí),其侵徹過程非常復(fù)雜,作用在彈體上的各種振動(dòng)信號(hào)非常豐富。所測侵徹過載曲線中除彈體本身的剛體過載信號(hào)外,不可避免地會(huì)疊加其他信號(hào)，在加速度信號(hào)中表現(xiàn)為信號(hào)包含有較高的頻率分量。

而過載特性研究中主要關(guān)心的是彈體本身的剛體過載，要想從復(fù)雜的測試信號(hào)中獲取剛體過載,必須按一定的原則對所測信號(hào)進(jìn)行處理,去除非剛體過載頻率成分的信號(hào),保留剛體過載信號(hào)。數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵就是濾波頻率的選擇,濾波頻率選擇偏高或偏低,都不能獲得真實(shí)的剛體過載。

參考有關(guān)侵徹過載數(shù)據(jù)濾波及彈體侵徹過載剛體過載確定方法的研究文獻(xiàn)[1-3]，確定濾波頻率的選取原則。

從高到低依次采用不同的濾波頻率對測試的加速度過載曲線進(jìn)行濾波處理，直至所處理出的沖擊加速度幅值發(fā)生下降的變化，此時(shí)得到的加速度過載值即為彈丸本身的剛體過載。

圖5為經(jīng)過濾波后加速度過載曲線。圖中標(biāo)注的數(shù)字和對應(yīng)的脈沖是彈丸碰擊靶板的層數(shù)和碰擊靶板時(shí)加速度。

圖5 濾波后的曲線

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到彈丸穿各層靶板時(shí)的加速度過載值和過載持續(xù)時(shí)間，結(jié)果匯總于表1所示。

表1 彈丸穿各層靶板時(shí)的過載

通過上述數(shù)據(jù)處理，可以看到：彈丸在穿靶過程中的過載為1.7萬g到2萬g，最大過載為穿第一層靶板時(shí)的2萬g。穿靶過載的大小與彈丸穿靶速度以及彈丸的穿靶姿態(tài)(彈的攻角)有關(guān)。穿靶過載的持續(xù)時(shí)間為110～200 μs，這和彈丸的穿靶速度有關(guān)。穿靶時(shí)間散布比較大，與穿靶時(shí)信號(hào)比較復(fù)雜以及讀取數(shù)據(jù)的方法有關(guān)。

4 結(jié)論

對彈丸侵徹多層鋼靶板時(shí)過載測試技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了測試裝置，掌握了保證測試裝置可靠工作的關(guān)鍵。采用本文研究的測試裝置進(jìn)行了彈丸穿靶測試，獲取了彈丸穿過各層靶板時(shí)的過載加速度曲線，對測試結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理與分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：本文所研究的測試裝置能夠經(jīng)受住156火炮發(fā)射時(shí)的高沖擊過載的作用，測試裝置能夠可靠獲取與記錄彈丸穿過各層靶板時(shí)的加速度。彈丸侵徹多層靶板的測試對掌握彈體侵徹鋼板目標(biāo)的過載特性，為彈體和引信強(qiáng)度的合理設(shè)計(jì)，提供了基本依據(jù)。

[1] 范錦彪，祖靜，徐鵬，等.彈丸侵徹混凝土目標(biāo)減加速度信號(hào)的處理原則[J].探測與控制學(xué)報(bào),2012,34(4):1-5.

[2] 黃家蓉,劉瑞朝,何翔,等.侵徹過載測試信號(hào)的數(shù)據(jù)處理方法[J].爆炸與沖擊,2009,29(5):555-560.

[3] 王成華,陳佩銀,徐孝誠.侵徹過載實(shí)測數(shù)據(jù)的濾波及彈體侵徹剛體過載的確定[J].爆炸與沖擊,2007,27(5):416-419.

[4] 陳勇軍,王雨時(shí),聞泉.炮射穿甲爆破彈彈底引信前沖過載系數(shù)仿真方法[J].探測與控制學(xué)報(bào),2015(2):40-45.

(責(zé)任編輯 唐定國)

Overload Testing Technology of Penetrating Multi-Layer Steel Target Plate

ZHANG Mei-yun1, WANG Jing-bin1, WANG Dan1, SHI Geng-chen2

(1.Northwest Industries Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China; 2.School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology， Beijing 100081, China)

This paper presented a testing device with the ability of resisting high shock while penetrating multi-layer steel target plate to guarantee the high overload problem with plate process in the projectile penetrating steel target. Combined with potting technology, multi-layer shock absorb materials and secondary electrical power source, the device shows resistance to high shock and the ability of reliable working. Experiments on overload characteristic further proved that the device can collect and store the acceleration of penetrating multi-layer target plate with high reliability.

testing device; multi-layer target plate; resist high shock; overload

2016-06-12；

2016-07-06

張美云(1980—)，女，高級(jí)工程師，主要從事引信技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2016.10.024

張美云，王敬斌，王丹，等.侵徹多層鋼靶板過載測試技術(shù)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(10):114-116.

format:ZHANG Mei-yun, WANG Jing-bin, WANG Dan,et al.Overload Testing Technology of Penetrating Multi-Layer Steel Target Plate[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):114-116.

TJ411

A

2096-2304(2016)10-0114-03