定距起爆引信彈出探桿加大長徑比方法

張 岍，谷雨桐

(西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065)

殺傷爆破彈采用定高起爆可以大幅提高殺傷效率。破甲、爆炸成型和云爆等戰斗部要求引信距目標一定距離作用，才可能發揮毀傷效果。目前，引信定距主要途徑有無線電近炸引信定距、激光定距和探桿定距。

探桿定距實質為觸發，炸距由探桿的長度決定，其最突出的優點是抗干擾能力強，不受電磁和光電環境干擾影響，也不受惡劣氣候條件影響。探桿有固定探桿和彈出探桿2類：固定探桿裝在彈的前端，長度約為200 mm，其簡單、可靠，但由于探桿暴露在外面，其穩定性受彈丸飛行影響；對于彈出探桿，國內以往只能做到彈出長度≤1 m的彈簧桿，用于云爆彈炸高偏低，不滿足使用要求。為此，本文對彈出探桿加大長徑比的方法進行了研究。

1 彈出探桿工作原理和組成

彈出探桿作用原理是將彈簧壓縮到殼體內并鎖定，在接到解鎖指令后，在內貯能力的作用下自動向外彈出，形成彈簧桿。若要增加探桿的長徑比，提高炸高范圍，就要求彈簧桿彎曲變形小，否則無法實現定距要求；因此，彈出形成一定長度的彈簧桿應能承受沖擊載荷，且彎曲變形小、回彈小，這樣才能實現引信定距起爆[1]。

彈出探桿主要由彈簧桿、敏感裝置、控制機構、儲線筒和殼體等部分組成(見圖1)。

圖1 彈出探桿組成示意圖

彈簧桿制作是彈出探桿中的關鍵技術，其工藝決定著彈簧的剛度及彈出時間。

彈簧的種類復雜多樣，要實現彈出探桿的功能應選擇渦卷彈簧。渦卷彈簧分為平面渦卷彈簧和截錐渦卷彈簧：平面渦卷彈簧即為發條簧，主要應用于鐘表、記錄儀器和卷尺等，無法形成桿狀，不滿足探桿要求；截錐渦卷彈簧又名寶塔彈簧，外形呈空間截錐狀，由加工成扁薄的彈簧鋼板熱卷成形，主要應用于外形尺寸受限制而又需要吸收巨大沖擊能量的機械上，其剛度是變化的，在剛接觸負載時剛度較低，繼而轉強，這一特性正好緩解了物體碰撞瞬間所產生的強烈沖擊作用，因而廣泛應用于重型機械上因工作載荷范圍大、振動沖擊較強、安裝空間又受限制的減振裝置上[2]。利用截錐渦卷彈簧特性可以形成彈簧桿，完成起爆功能。用有較大長徑比的彈出探桿來實現定距高度，這一特性在國外武器系統中已經應用。

2 加大長徑比方法

2.1 彈簧桿的選材

由于彈簧桿是非等節距、非線性特性的螺旋彈簧，設計計算非常繁瑣，目前沒有較成熟和準確的計算方法[3]。要達到引信彈出探桿的要求應有足夠的圈數與材料寬度，然而隨著圈數的增加，材料寬度增加的計算更為復雜；因此，應從彈出探桿的使用設計要求，即依據彈出探桿彈射時間和彈射長度、引信定距、觸發的指標來確定彈簧桿的技術參數(如抗力、剛度等)。

依據截錐渦卷彈簧一般材料要求和引信產品要求，確定材料牌號、狀態。通過對國內不銹鋼彈簧鋼帶材料進行研究分析，確定彈簧桿選用硬度值470 ～ 490 HV的不銹鋼彈簧鋼帶。根據引信要求指標，確定彈出探桿彈射長度為1.8 m，壓縮后直徑<34 mm，彈射時間≤250 ms。

2.2 彈簧桿的繞制及熱處理

彈簧桿繞制成型、熱處理是彈簧桿加工的關鍵工藝。由于長度1.8 m 以上的彈簧桿繞制過程中鋼帶經常會出現褶皺、邊緣撕裂等現象，因此應采用熱成型制造工藝。對截錐渦卷彈簧繞制成型的機理、方法進行反復試驗發現，繞制速度、進料速度以及進料方向變化等工藝參數影響著彈簧桿的制作尺寸及繞制的表面質量，因此，應采用通用設備+專用工裝來實現較長彈簧桿的繞制成型。

彈簧桿繞制成型后應進行熱處理，使彈簧桿幾何尺寸穩定，并消除內應力。為了提高彈簧桿的彈射速度，即減少彈簧圈與圈之間的摩擦，在熱處理加熱時應保證彈簧桿表面無氧化與脫碳，因此應在鹽浴熱處理爐或真空熱處理加熱爐中進行加熱。

3 彈簧桿性能評價

截錐渦卷彈簧用作長徑比較大的彈出探桿(軸向接近2 m)，其剛度及作用時的抗力是否滿足定距起爆要求是實現探桿功能的關鍵；因此，提出用撓度比與抗力比來評價彈簧桿的性能，即通過對彈簧桿的撓度比與抗力比進行試驗驗證來判斷彈簧桿性能。

撓度比是指彈簧桿在1 kg重力作用下，彈簧桿向下彎曲的距離與被測彈簧桿兩支點之間距離的比值，用λn表示。該比值反映了彈簧桿剛度，λn越小，彈簧桿彎曲越小，抗沖擊能力越強。抗力比是指彈簧桿分別在靜載荷或動載荷作用下壓縮量與原長度的比值，分別用λj和λd來表示。該值體現了彈簧桿承受抗力的能力，λj或λd值越小，可承受的抗力越強。

3.1 撓度試驗

對繞制成型的彈簧桿(長1 825～1 835 mm，大端φ32.8 mm，小端φ22 mm)進行撓度試驗，在1 kg重力作用下，當兩支點之間距離為1 600 mm時，測量其彎曲量。試驗方法如圖2所示，試驗及計算結果見表1。

圖2 撓度試驗裝置

件號彈簧桿繞制長度/mm試驗前距基準之間距離/mm加載后測量距離/mm撓度比/λn11825413410.50.0015621832413410.00.0018731835413411.00.00125

3.2 抗力試驗

3.2.1 靜載荷檢測

在彈簧桿上端加載30 kg力，試驗裝置如圖3所示。試驗后,測量彈簧桿長度壓縮量，計算出λj，結果見表2。

圖3 靜載荷試驗裝置

件號試驗前長度/mm加載30kg力測量長度/mm壓縮長度/mm抗力比/λj118251802230.0126218321808240.0131318351825200.0101

3.2.2 動載荷檢測

直立彈簧桿，在其上端安裝直徑為7 mm的導向桿；采用1 kg重帶孔砝碼沿導向桿從0.5 m高自由下落撞擊彈簧桿，試驗裝置如圖4所示。試驗后，測量彈簧桿長度壓縮量，計算出λd，結果見表3。

圖4 動載荷試驗裝置

件號試驗前長度/mm1kg沖擊力撞擊后長度/mm壓縮長度/mm抗力比/λd118251795300.0167218321798340.0189318351806290.0158

經過試驗表明，用撓度比與抗力比評定彈簧桿是一種可行的方法。由于樣品數量有限，與引信配合的試驗沒有進行，沒有取得定距起爆的效果數據。筆者認為：在撓度比(在1 kg重力作用下)≤0.002，靜載荷(在30 kg靜力作用下)彈簧桿抗力比≤0.015，動載荷(1 kg砝碼從高500 mm自由下落撞擊彈簧桿)抗力比≤0.02的條件下，可以實現彈出探桿的作用功能。

4 結語

本文提出了定距起爆引信彈出探桿截錐渦卷彈簧加大長徑比方法，包括彈簧桿的選材、繞制和熱處理等關鍵技術，同時采用撓度比與抗力比來評價彈簧桿的性能。制作出直徑<34 mm、長度為2 m的彈簧桿，彈出探桿彈出后可達到1.8 m，長徑比可以提高80%。試驗表明，在1 kg重力作用下，撓度比≤0.002，在30 kg靜力作用下彈簧桿靜載荷抗力比≤0.015，1 kg砝碼從高500 mm自由下落撞擊彈簧桿的動載荷抗力比≤0.02，可以實現彈出探桿的作用功能，滿足云爆彈等引信的定距起爆需求，為引信提供了一種體積小、可伸縮、較為經濟的彈出探桿。雖然以撓度比與抗力比間接描述彈出探桿的相對變量可以保證定距要求，但是尚未進行動態定距起爆試驗，希望今后有合適平臺得到應用。

[1] 李守義，張岍.控制彈丸炸高的引信用彈性伸縮探桿：中國，200610119640.X[P].2010-12-15.

[2] 陶隆棋.非接觸平面渦卷與截錐螺旋彈簧優化設計[D].秦皇島：燕山大學,2012.

[3] 顏純.截錐渦卷彈簧的實用設計計算[J].機械設計,1990(4):13-16.