離心力驅動引信水平轉子質心優化方法

劉 宣，聞 泉，王雨時，張志彪

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

離心力驅動引信水平轉子質心優化方法

劉 宣，聞 泉，王雨時，張志彪

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

針對引信離心力驅動水平轉子轉動可靠性難以保證的問題，提出了離心力驅動引信水平轉子質心優化方法。該方法是通過建立引信水平轉子轉正過程動力學方程，得到其質心回轉半徑與初始方位角的最優解關系式。仿真驗證表明，初始方位角取值不同對引信水平轉子動態運動特性影響較大，優化得到的最優質心回轉半徑及質心初始方位角能使得水平轉子轉動過程中的凈驅動力矩值始終較大，從而有助于提高旋轉彈引信水平轉子轉正正確性。

引信；轉子隔爆機構；解除保險可靠性；優化設計；動力學仿真

0 引言

離心力矩驅動的引信水平轉子均為有軸轉子，其質心偏離轉軸且回轉平面垂直于彈軸，廣泛用于旋轉彈引信特別是中大口徑旋轉彈引信隔爆機構，具有占用軸向尺寸小、充分利用徑向空間、隔爆距離容易滿足、無內貯能用作解除保險動力的特點。文獻[1-3]分析了離心力驅動水平轉子受力，建立水平轉子動力學模型且對轉子轉正到位所需的時間作了概略分析。文獻[4]針對隔爆部件在鐘表機構輪系失效時可能引起的炮口炸問題，提出一種通過調整回轉體部件質心來消除此種危險的結構設計思想。文獻[5-7]運用Adams軟件對水平轉子驅動的無返回力矩鐘表機構進行仿真分析，介紹了仿真分析方法，探究了機構動態運動特性。

但上述文獻均未涉及離心力驅動引信水平轉子質心優化設計問題。由于水平轉子的主動力和摩擦力及其力矩主要與彈丸轉速有關，所以水平轉子在彈道上能否可靠轉正主要取決于其質心相對于轉軸和彈軸的位置。當轉子轉軸與彈軸的位置關系確定后，轉子質心與轉軸的距離及其方位角是影響轉子轉正可靠性的關鍵因素。無延滯效應的純水平轉子轉動起來之后，靠慣性作用，轉子仍有可能越過略微靠近的某些不利的方位。而有無返回力矩鐘表等機構延滯效應的水平轉子，其轉動速度較慢，慣性作用影響很弱，在接近某些不利的方位時，就有可能會停止轉動。本文針對離心力驅動水平轉子轉正可靠性難以保證的問題，提出了離心力驅動引信水平轉子質心優化方法。

1 引信水平轉子基本結構

美國中大口徑榴彈彈頭起爆引信M739A1采用離心力驅動的水平轉子作為隔爆件，如圖1所示。

圖1 M739A1彈頭起爆引信Fig.1 M739A1-nose detonate fuze

水平轉子式隔爆機構解除保險(即解除隔離)轉角γ較大。其中，榴-5引信為153°，前蘇聯4MP引信為175°，海甲-1引信為125°，美M20A2傳爆裝置為105°[1-2]。離心力驅動的水平轉子式隔爆機構典型結構[2]如圖2所示。

圖2 離心力驅動的水平轉子隔爆機構Fig.2 Horizontal rotor of explosion-proof structure drived by centrifugal force

回轉體上的雷管與導爆藥錯開一個角度以保證引信平時的安全性。發射后，旋轉彈丸圍繞其彈軸暨引信軸線旋轉，水平轉子在離心力的驅動下繞其轉軸并朝著雷管與導爆藥可對正的方向轉動，加重子用于調節水平轉子的質心位置，確保轉正可靠。當轉子轉正到位時，雷管與導爆藥柱對正，水平轉子解除保險。

2 引信水平轉子質心位置優化方法

2.1 旋轉彈引信水平轉子轉正過程受力分析

引信水平轉子在轉正到位的過程中，其質偏既產生驅動力矩，也產生摩擦力矩。為保證離心力驅動的引信水平轉子轉正的可靠性，驅動力矩必須始終大于諸摩擦力矩之和，即應有凈驅動力矩M大于0。

圖3 水平轉子簡化模型Fig.3 Simplified model of horizontal rotor

本文研究的是離心力驅動引信水平轉子，通常都配有延期解除保險機構，水平轉子在彈丸出炮口后才開始運動。在此階段，水平轉子還受章動力、爬行力和切線慣性力的作用。章動力系周期性力，章動力和爬行力對于水平轉子的轉正運動只是通過軸向約束反力產生的摩擦力矩起作用，并不影響水平轉子質偏位置的優選問題。相對于質偏產生的轉正力矩而言，章動力和爬行力所產生的摩擦力矩較小，因而可以忽略不計。在外彈道階段，切線慣性力很小，也可以忽略不計。當然上述簡化會使整個分析結果偏于冒進，設計時適當留出解除保險主動力矩裕量即可。

水平轉子在轉動過程中，主要受離心力產生的主動力矩Mo，離心力產生的轉子軸上的摩擦力矩Mof，后坐慣性力產生的轉子下平面上的摩擦力矩Msf的作用，其凈驅動力矩為：

M=Mo-Mof-Msf

由圖3所示的水平轉子簡化模型及其受力特性可知：

(1)

式(1)中，m為水平轉子質量，ω為彈丸旋轉角速度，f為轉子與轉子軸或轉子與轉子座或轉子軸與轉子座之間的摩擦系數，d為轉子軸直徑，V為彈丸運動速度，R1為水平轉子與轉子座摩擦接觸圓環面小圓半徑，R2為水平轉子與轉子座摩擦接觸圓環面大圓半徑，由于轉子的質心位置由質心旋轉半徑l及方位角β決定，故將上式進一步簡化得：

(2)

針對R1=0的普遍情形，式(2)可進一步化簡為：

(3)

由式(3)以及解除隔離轉角γ值可知，一般情況下水平轉子初始方位角β0<90°。欲使水平轉子從初始方位角β0開始轉動，凈驅動力矩M應大于0。按式(3)給出的表達式，M會隨β的增大而呈先增大后減小的變化趨勢。

令βM為轉子整個運動周期內凈驅動力矩M取得最大值時的方位角，βT=β0+γ為機構終止位置方位角。βM可通過迭代算法由下式得出：

(4)

凈驅動力矩M在[β0,βM]單調遞增，在[βM,βT]單調遞減，且凈驅動力矩最小值將在初始方位角β0或終止位置方位角βT處取得。

水平轉子β0的不同取值會使機構有不同的驅動狀態，對應的凈輸出力矩值變化過程也會存在差異。如果水平轉子滿足條件：

1)彈軸O1、轉子軸O2和質心軸O3三者不共線，且夾角β0≤180°-γ；

2)質心裝配位置A點的凈驅動力矩MA>0；

3)質心最終位置B點的凈驅動力矩MB接近于質心裝配位置A點的凈驅動力矩MA，即MB≈MA，

由式(5)和式(6)可得離心力驅動的水平轉子能夠滿足轉動條件的質心旋轉半徑l及初始方位角β0的范圍，式(7)給出了質心旋轉半徑l與初始方位角β0之間的關系。

2.2 算例分析

為形象地描述水平轉子質心位置對引信水平轉子轉正正確性的影響，以某旋轉彈引信水平轉子為仿真研究對象，利用Matlab軟件對機構運動特性進行數值分析。表1給出了引信旋轉環境參數和水平轉子初步設計參數。

表1 引信旋轉環境參數和水平轉子初步設計參數

表2 初始方位角β0計算數值

取質心旋轉半徑l=5 mm、初始方位角β0=13°，得到水平轉子主動力矩、摩擦力矩、凈驅動力矩隨轉角β的變化曲線如圖4所示。將上述數據代入式(4)，經迭代計算，可得βM=88.204°。

圖4 l=5 mm、β0=13°力矩隨轉角β變化曲線Fig.4 l=5 mm、β0=13°curve of torque-angle of rotation

由圖4可知，在水平轉子整個轉動周期內，摩擦力矩一直在增加，主動力矩和凈驅動力矩均是先增大后減小；當質心旋轉半徑l=5 mm時，在滿足可靠轉動條件(0.92°≤β0≤30°)下，取離心力驅動的引信水平轉子初始質心位置方位角β0=13°，初始質心位置凈驅動力矩接近于最終位置值，則整個運動周期凈驅動力矩值的最小值將達到最大。

3 仿真驗證

為進一步研究引信水平轉子質心旋轉半徑l及初始方位角β0(裝配位置)對機構在整個運動周期內的影響，驗證理論分析的正確性，針對上述某旋轉彈引信水平轉子，運用ADAMS軟件進行仿真。模型如圖5所示，該模型主要由水平轉子部件組成，且由上、下蓋板支撐限位。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

將三維模型導入ADAMS軟件中，并賦予零部件質量屬性，將仿真模型中轉子、轉子軸、齒弧、雷管、加重子通過布爾運算組成轉子部件，定義上夾板與下夾板間的固定約束副，定義下夾板的旋轉副，使其繞旋轉中心以ω=245 r/s勻速轉動，定義轉子部件與上夾板、下夾板之間的接觸，并定義接觸之間的摩擦系數f=0.20。

調節水平轉子初始質心位置，使其滿足轉子質心旋轉半徑l=5 mm、初始方位角β0取5°，7°，9°，11°，13°，15°，17°，19°，21°，23°，研究引信水平轉子初始質心方位角β0對機構整個運動周期凈驅動力矩M的影響。由理論分析和仿真計算得到水平轉子在整個運動周期內凈驅動力矩M最小值，如表3所列。

表3 β0取不同值對應凈驅動力矩M最小值

由表3可得，β0取不同值得到的凈驅動力矩Mmin仿真結果與理論結果相近，誤差不超過 17%，其誤差可能是由于仿真過程中水平轉子的上下攢動以及轉動過程中接觸產生的摩擦被過渡簡化。水平轉子初始質心位置β0不同，得到的凈驅動力矩Mmin也不同，且β0≈13°時，凈驅動力矩Mmin取得最大值(理論值18.24×10-3，仿真值21.11×10-3)。對離心力驅動的引信水平轉子質心位置進行優化分析，得到初始方位角β0的最優解，使得機構運動過程中凈驅動力矩Mmin值增大，有助于提高轉子轉正的可靠性。

離心力驅動的水平轉子往往要與具有計時功能的機構如鐘表機構共同作用以滿足引信延期解除保險性能。因此，對一系列的l、β0最優解具體選擇還要結合結構設計可能性和其他機構的動態特性。一種小口徑榴彈發射器引信離心力驅動的水平轉子以及具有延滯效應的無返回力矩鐘表機構，實物如圖6所示，水平轉子如圖7所示。

通過對比兩次靶場射擊試驗結果可知：引信水平轉子質心旋轉半徑l與初始方位角β0的選擇對水平轉子轉正可靠性有較大影響。第一次靶場射擊試驗中水平轉子存在未能轉正到位的現象，調整質心旋轉半徑l與初始方位角β0使其盡可能滿足上述理論分析條件之后，第二次靶場射擊試驗水平轉子能保證可靠轉正。

圖6 一種小口徑榴彈發射器引信安全和解除保險裝置Fig.6 Safe and arming device of a small-caliber grenade launchers

圖7 水平轉子模型圖Fig.7 Model diagram of horizontal rotor

4 結論

本文提出了離心力驅動引信水平轉子質心優化方法。該方法是通過建立引信水平轉子轉正過程動力學方程，得到其質心回轉半徑與初始方位角的最優解關系式。仿真驗證表明，初始方位角β0的不同取值對引信水平轉子動態運動特性影響較大，優化得到最優質心旋轉半徑l及質心初始方位角β0使得機構運動過程中凈驅動力矩Mmin值增大，有助于提高旋轉彈引信水平轉子轉正可靠性。

[1] 孔華，王雨時，嵇振濤，等.引信離心力驅動垂直轉子起動特性[J].探測與控制學報，2015，37(3)：53-56.

[2] 孔華，王雨時，嵇振濤，等.引信離心力驅動垂直轉學動力學模型[J].探測與控制學報，2015，37(1)：36-40.

[3]宋榮昌，申躍躍，許恩德，等.引信安全系統動態特性及膛內安全性研究[J].北京理工大學學報，2015,35 (8)：796-799.

[4] 王立新.引信無返回力矩鐘表機構虛擬樣機技術研究[D].南京: 南京理工大學,2004.

[5] 裴曉輝.無返回力矩擒縱機構振動周期研究及仿真分析 [D].沈陽: 沈陽理工大學,2008.

[6] 劉剛，陸靜，姚智勇，等.基于虛擬樣機的無返回力矩鐘表機構仿真分析[J].計算機仿真，2013，30(2)：388-391.

Centrifugal Fuze Horizontal Rotor Centroid Position Optimization

LIU Xuan，WEN Quan，WANG Yushi，ZHANG Zhibiao

( Mechanical Engineering school, NUST, Nanjing 210094, China)

For the problem that the centrifugal fuze horizontal rotor failled to rotate correcttly, an optimal design on centroid position of horizontal rotor was put forward. This method set up kinetic equations of rotating of horizontal rotor to get the optimal relational expression of radius of gyration and initial azimuth.Simulation results showed that the value of initial azimuth had a greater impact on dynamic motion characteristics of horizontal rotor. And the optimal radius of gyration and initial azimuth could make the value of net driving torque comparatively larger during the rotation of horizontal rotor. which improved the rotating correctness of fuze horizontal rotor.

fuze；rotor interrupter device；arming reliability；design optimization；dynamics simulation

2016-10-20

劉宣(1989—)，男，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向：引信系統分析和機構動力學。E-mail：15564864028@163.com。

TJ431.3

A

1008-1194(2017)02-0024-05