小型低過載激活機構中曲折槽設計與研究*

張 號，陶 澤，曾鵬飛，劉雙杰，趙麗俊，郝永平

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；3.北方華安工業集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

由于曲折槽具有較強的判別加速度脈沖持續時間能力，在一定程度上可以解決引信平時勤務處理過程中安全性與發射時可靠解除保險之間的矛盾問題[1-3]。隨著當代戰爭環境復雜化演變，特種口徑彈藥向小型化、輕量化方向發展[4-5]，2009年美國斯托尼布魯克大學的Jahangir S. Rastegar等[6]發明了一套利用后坐與離心雙環境兩級保險機構，這種激活機構對環境的依賴性較強，需要雙環境力條件下才能解除保險。2011年美國的Omnitek Partners LLC公司公開展示了一種激活機構，該激活機構可在2 000g后過載持續0.5 ms條件下不發火；國內賀文等[7]在2013年提出低過載曲折槽互鎖機構，這種激活機構需要在3 000g過載環境下可靠激活。以上2種激活機構主要仍存在于高過載這一環境中。

文獻[8-9]提出一種新型的環形激活機構，這種激活機構采用平面渦卷彈簧或旋轉扭簧驅動旋轉件使其繞軸撞擊式激活機構并應用火工品或磁后坐電機物理電源。該激活機構可以很大程度上減小體積，并且具有不依賴工作環境而快速激活的特性，但由于這種激活機構僅僅依靠翻轉限制件與旋轉撞擊件之間的摩擦，在平時勤務處理時帶來了一定的安全隱患。

針對這些問題，本文提出一種新型、小型環形激活機構，該激活機構整體尺寸為φ20 mm×12 mm，在50g后坐過載條件下可靠激活，將曲折槽設計到環形激活機構中，曲折槽與帶有導向銷的外慣性環之間配合設計為第一道保險，提升了安全性，且此激活機構僅依靠后坐環境力解保。在確保小型化前提下，解決了激活機構低過載解除保險與高過載勤務處理安全性之間的矛盾問題。

1 激活機構的結構設計

激活機構整體設計為圓柱形，在外圓柱形外殼體上開有曲折形導向槽，導向槽與外慣性環內部設定的導向銷相互配合，導向銷與慣性環固連，慣性彈簧分別與外殼體、外慣性環連接，外慣性環限制激活機構內部翻轉件以保證其在沒有達到后坐加速度條件下不釋放旋轉撞擊件。翻轉件在慣性彈簧與外慣性環的抗力限制條件下不會向下翻轉，激活機構在受到的加速度沖擊時，外慣性環的運動受到導向槽與慣性彈簧的限制，一方面，導向槽與導向銷的配合運動起到延時及勤務處理的作用；另一方面，導向槽對外慣性環起到定位作用(見圖1)。跌落過載時，外慣性環下降的過程中，慣性力作用的時間短，外慣性環沒有下降到解除保險的位置就消失了，同時由于慣性彈簧的存在，當慣性力消失后，慣性彈簧壓縮產生的彈力將外慣性環再次復位，從而保證了勤務處理時的安全性。

圖1 曲折槽與導向銷配合圖

在發射環境下，慣性力的作用時間比較長，外慣性環可以下降到解除保險的位置，隨著外慣性環向下位移，解除了外慣性環對內部翻轉件的限制，外慣性環凹槽中的翻轉件開始向下翻轉，激活機構可靠解除第一道保險。由于曲折槽的存在，大大降低了激活機構尺寸，解決了小空間、低過載、短持續時間條件下可靠解保與高過載勤務處理之間的矛盾問題。

2 曲折槽運動分析

2.1 受力分析

外慣性環在下降的過程中既做軸向移動又繞軸旋轉。建立圖2所示的運動參考坐標系，以OX軸為慣性環軸，以后坐力方向為正向，導向槽正投影面為圖2所示的投影平面。OZ軸垂直于OX軸，左方向為正方向。OY軸垂直于紙平面，方向向外。假設兩段導向槽的傾斜角均為α。外慣性環在下降過程中既做軸向移動又繞軸旋轉。

圖2 力分析圖

根據受力分析，建立外慣性環下降軸向運動方程[10-11]表達式：

(1)

外慣性環的轉動方程表達式：

(2)

由外慣性環的軸位移量和圓周位移可得：

(3)

由式1～式3聯立消去FN可得：

(4)

2.2 拐角處碰撞分析

當導向銷走完曲折槽上端后在拐角處導向銷會與曲折槽發生碰撞，為確定導向銷是否會被反彈至上端曲折槽，將對彎角處發生碰撞情況進行分析[12]。當曲折槽彎角2α取值在80°～100°范圍內時，導向銷與下端曲折槽近似垂直碰撞，碰撞后由于慣性彈簧作用外慣性環將被彈回原處[13]，但導向銷相對于槽產生反作用力，且發生碰撞時由于碰撞的時間極短，導致速度變化有限，但導向銷與導向槽內壁之間經過多次碰撞后，外慣性環的能量損耗較大，導致外慣性環下沉速度逐漸下降，直到導向銷走完彎角后落入下端槽中完成解保，下端導向槽將導向銷鎖定，即可完成解保。

3 ADAMS仿真分析

3.1 發射過載下仿真計算

為保證激活機構在50g低過載條件下能夠可靠激活，且在確定的尺寸條件下無法增加曲折槽與彈軸的半徑大小。由物理模型可知，外慣性環在下降過程中曲折槽的傾角大小對外慣性環的下降有直接影響，針對激活機構外慣性環沿著不同角度曲折槽的運動規律和動態環境，應用ADAMS動力仿真軟件將內彈道彈丸在膛內的加速度隨時間變化規律曲線進行擬合，該彈丸在0.3 s時后坐加速達到峰值，0.6 s后坐加速變為0(見圖3)。

圖3 發射過載下加速度曲線

對激活機構在發射過程中外慣性環的運狀態以及解保過程進行仿真分析[14]，判斷不同角度的曲折槽升角對外慣性環下降過程中位移量以及速度的影響，應用UG三維繪圖軟件建立機構三維模型，將模型保存為X_T格式，將模型導入至ADAMS/View模塊，修改材料名稱，定義材料屬性，設置材料屬性，添加接觸，然后進行模擬仿真。仿真過程中激活機構各部件之間的約束關系見表1。

表1 激活機構的約束關系

應用ADAMS軟件模擬仿真計算激活機構在發射過載條件下的運動過程與解保狀態，觀察外慣性環的位移量大小，判斷激活機構解保的正確性。圖4所示為機構曲折槽傾角α=42°在發射過載條件下激活機構的運動情況。由圖4可知，發射過載條件下導向銷沿導向槽向下運動，外慣性環在后坐力的作用下壓縮慣性彈簧既轉動又向下平移，當外慣性環運動到位置后，將釋放下一部件，保證第一道保險正確解除的準確性。

圖4 外慣性環運動停止

圖5所示為發射過程中導向銷的位移隨時間的響應曲線。由圖5可知，外慣性環在下降過程中速度曲線不斷發生波動，說明連接外慣性環的導向銷在沿導向槽下降的過程中發生一定程度碰撞，當經過0.3 s后，導向銷到達曲折槽拐角處，外慣性環在下降的過程中速度減慢，這一點符合曲折槽后坐保險機構作用特質[15]。故由圖5可知，外慣性環沿曲折槽壓縮彈簧經過0.58 s向下運動4.3 mm，進而解除第一道保險，釋放下一部件，外慣性環運動到位后導向槽將導向銷鎖定。因此通過分析可知激活機構能夠可靠解除第一道保險。

圖5 外慣性環的位移與速度響應曲線

由于曲折槽傾角在42°時能夠可靠解除保險，且曲折槽傾角角度提升對激活機構在勤務處理時的安全性降低，故針對曲折槽傾角角度為41°、40°和39°進行分析，結果見表2。

表2 不同角度外慣性環運動狀態

為滿足設計需求，解保時間控制在1 s之內，外慣性環需要下降4.2 mm以上才可釋放下一部件，且在一定程度上增加曲折槽傾角有利于解除保險，但降低勤務處理安全性，選擇曲折槽傾角為42°能確保解除保險且同比于更大角度曲折槽傾角，機構安全系數更高。

3.2 跌落過載下仿真計算

由于引信從1.5 m高度跌落到厚度為100 mm的鋼板上，產生的沖擊過載一般小于13 000g，時間小于0.4 ms，將跌落過載波形設置為三角形曲線[16]，環形激活機構跌落過載曲線如圖6所示。

圖6 跌落過載曲線

為保證跌落過載情況下激活機構不被解保，確保擊針與火帽不能接觸。故將激活機構仿真環境設置為跌落過載環境，將外慣性環與導向銷下降的位移量作為判別是否解保的依據，在跌落仿真計算中得出外慣性環的位移曲線如圖7所示。

圖7 外慣性環跌落曲線

由圖7可知，激活機構在13 000g過載持續時間0.4 ms條件下外慣性環下降0.18 mm，外慣性環的下降位移量不足以釋放被保險件，沒有達到解保要求。

4 試驗驗證

4.1 離心試驗

為保證激活機構能夠解除保險的可靠性，且由于離心機能夠確保載荷持續時間，故將激活機構進行離心試驗[17]。經過測量離心機轉軸到激活機構的距離為0.07 m，且為滿足工件在離心機上承受50g過載需求，將離心機轉數設置為800 r/min，持續時間0.6 s。將激活機構裝入設計好的夾具中，并將使用螺栓進行緊固連接啟動離心機，外慣性環受離心過載作用向下位移。待離心機轉盤停止轉動后觀察外慣性環所處位置，由圖8所示可知外慣性環可以可靠運動到指定位置，此時導向銷位于導向槽下端。

圖8 離心試驗后激活機構狀態圖

將對20發機構進行離心試驗發現該激活機構均可在50g過載持續0.6 s時間內可靠解保，且試驗后導向銷均處于導向槽下端。由于離心試驗過程中離心力加載過程是逐漸加大的過程，為觀測在加速過程中外慣性環是否產生位移量這一情況，將采用高速攝影試驗設備，記錄起始時位置(見圖9)與轉動5 s后位置(見圖10)的情況。通過高速攝影記錄的試驗結果進行對比，可知激活機構在離心機轉盤轉動前5 s內沒有解保動作產生，觀測外慣性環所處的位置沒有發生變化。

圖9 0 s時外慣性環位置

圖10 5 s時外慣性環位置

4.2 沖擊、跌落試驗

為保證激活機構在跌落過載下的安全性，將激活機構進行沖擊試驗。將激活機構裝入夾具中，將夾具固定在沖擊臺表面。啟動沖擊試驗機，液壓系統提升至1.5 m處釋放，使重錘做自由落體運動，觀察外慣性環的位置情況。試驗后的機構狀態如圖11所示，試驗結果外慣性環均處于原位沒有下沉。

圖11 沖擊試驗后激活機構狀態圖

安全性是引信激活機構設計的重要指標之一[18]，現代武器對勤務處理的安全性要求越來越高，檢驗安全性尤為重要。對低過載條件下的安全性驗證的主要檢驗驗方式為將激活機構固定在沖擊臺面上，將帶有一定厚度的彈性沖擊墊放入沖擊臺座上，將沖擊臺環境參數分別設置在600g持續時間1 ms(見圖12)與500g持續時間2 ms(見圖13)條件下，觀察激活機構的解保情況，并記錄試驗結果(見表3)。

圖12 沖擊信號時域譜圖(600g)

圖13 沖擊信號時域譜圖(500g)

表3 跌落試驗結果

沖擊試驗以及跌落試驗表明，跌落至硬目標與帶有一定彈性的軟目標上，均不能使導向銷沿著曲折槽下降到位，當過載消失后，慣性彈簧將外慣性環移至原位，從試驗結果反饋總結，該激活機構的安全性可靠。

5 結語

本文分析了曲折槽在激活機構中的作用，并通過對曲折槽的理論力學分析，建立出導向銷與導向槽之間的力學模型。應用ADAMS軟件分析了解除保險的可靠性和勤務處理的安全性，分析了不同角度下的外慣性環沿曲折槽下降的位移與速度。結果表明，該激活機構可以在50g過載下可靠激活，同時可以滿足勤務處理時的安全性。曲折槽可以作為環形激活機構第一道保險，提升了環形激活機構安全性，這一結果對小型激活機構具有一定的可取性，解決了小空間、低過載、快速激活與高過載勤務處理之間的矛盾問題。