離心激活機構的結構設計及摩擦系數的優化

夏信學， 史春景*， 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）

0 引言

引信的工作需要電源， 但引信中的電源在一般情況下是不激活的狀態，而在預定情況下激活引信電源的機構就是引信的激活機構，炮彈在發射時會受到各種外在環境的影響，包括后坐力，離心力，爬行力等等，它們被引信感知和利用是引信設計所依賴的基礎環境[1]，離心激活機構就是利用離心力解除保險的激活機構。一般離心激活機構在設計時是需要滿足基本的安全性和可靠性要求， 就是說設計的機構在非預定條件下要保證固定被保險的零件， 使它不會在勤務處理時被偶然的振動和磕碰引起保險器件的意外動作同時又要保證在預設的環境力下可靠的解除保險。

目前有很多關于機構安全性和可靠性方面的研究，居榮譽等人對引信后坐質量-彈簧系統各設計參數對其保險和解除保險性能的影響進行了研究， 解決了引信后坐質量-彈簧系統保險與解除保險之間的矛盾[2]。 李雯迪對引信采用理論分析與數值仿真相結合的方法， 開展了安全激活機構、隔爆機構與傳爆序列融合設計等技術的研究，對引信實現微型化、智能化具有重要意義[3]。 陸靜，程翔，鞠敏，等對引信進行了跌落試驗，對引信的可靠性進行了分析，實測了跌落沖擊響應曲線[4]。 可以看見目前對摩擦系數對離心激活機的可靠性和安全性影響的研究較少。 因為安全性和可靠性在某種程度上時互相矛盾的，摩擦系如何取值能同時兼顧可靠性和安全性十分關鍵。 摩擦系數取值能同時影響到安全性和可靠性， 取值過大可能導致可靠性不足但機構不能在預定條件下可靠的解除保險， 摩擦系數過小又可能導致激活機構的安全性不夠容易在各種意外情況下解除保險。 對本文設計的機構而言， 研究清楚保險件和被保險件之間的摩擦對機構的影響又至關重要， 針對這個問題本文首先對不同情況下離心激活機構的可靠性和安全性進行分析， 然后說明在不同情況下影響離心激活機構可靠性和安全性的各種因素， 說明摩擦系數過大或過小對離心激活機構安全性和可靠性的影響， 然后利用Adams 仿真技術模擬出不同摩擦系數對離心激活機構保險件和被保險件的位移響應曲線， 從而更直觀的看出在不同摩擦系數的取值下對離心激活機構可靠性和安全性的影響， 確定出摩擦系數的取值范圍為以后的加工提供參考。

1 離心激活機構的構成及解保過程

離心激活機構是通過離心力解除保險的機構， 設計的離心激活機構的零件以及裝配圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 激活機構零件圖

圖2 激活機構裝配圖

這個離心保險機構主要由外圈，滑塊，撞針和彈簧組成，其中滑塊是保險件，它正常狀態是被彈簧約束著，同時滑塊也在約束著撞針，保證撞針不被釋放。 滑塊總共有三個，這是為了勤務處理側向跌落不意外解除保險設置的。 撞針下面裝有壓縮彈簧，在平時它壓縮著儲存能量， 當解除保險時用來給撞針撞擊火帽時提供激活所需要的能量。

離心激活機構是否在預設環境下解除保險主要看滑塊所受的離心力是否達到了預設解除保險時的大小，滑塊所受的離心力大小為：

其中：m—滑塊的質量；r—滑塊距離彈軸中心的偏心距，x—滑塊的位移?？梢钥闯龌瑝K所受的離心力在解除對撞針保險的過程中隨著位移的增大而逐漸增大。 滑塊在解保的過程中不止受到離心力， 還受到摩擦力以及彈簧抗力的影響。 彈簧所受的抗力為：

其中：k—彈簧的剛度系數；l—彈簧的預緊長度。Fn—滑塊銷和撞針之間的壓力。 Fn的大小和撞針下面儲能彈簧的彈簧力大小相同。 在解除保險的過程中儲能彈簧可能會有微小的變動從而使彈簧力在一定程度上發生變化，但那變化的程度很細微， 因此我們在分析時假設儲能彈簧的彈簧力大小不變。 假設滑塊所受的動摩擦系數和靜摩擦系數都是μ 所以滑塊在解除保險的過程中所受的動摩擦力和靜摩擦力大小就是一樣的大小為：

當x=0 時， 如果轉速達到設計所需的解保要求也就是F1大于F2加f 時，滑塊就會開始運動，如果這個過程中直到滑塊運動到解除對撞針的限制時，離心力F1都大于摩擦力f 和彈簧力F2的合力時， 這個離心激活機構就能順利解除保險。 但是如果它的摩擦力和彈簧的彈簧力過大，這個機構就很難在預定的轉速解除保險。因為在加工好離心激活機構后， 它的摩擦系數大小就是一個定值不會再發生變化， 因此在加工之前預估好摩擦系數的取值范圍是很重要的工作。

2 離心激活機構在勤務處理時的安全性

在勤務處理時， 有兩種情況會讓離心激活機構解除保險， 第一種情況是從斜坡上滾落達到預定的轉速解除保險第二種側向著地達到預定的負載解除保險。 先分析離心激活機構從斜坡上滾動時的安全條件。 彈丸沿斜坡滾下時， 所能獲得的最大滾動角速度ωh只和滾落高度H，彈徑D 有關[5]，即：

同時， 當滑塊運動到解除保險位置所必需的的角速度ωb為：

其中：kmin—彈簧的最小剛度；m—滑塊的質量；a—解除保險所需要的行程；r—彈軸中心到滑塊重心的距離；l—彈簧的預壓變形量， 如果想要保證離心激活機構在滾落時不解除保險那么它的條件必須滿足：

如果讓ωh=ωb那么離心激活機構的最大安全滾落高度是：

對現有的引信進行計算， 可以知道最大的安全落高為數百米，這樣的斜坡現實中很難遇到，因此離心激活機構在設計時不用考慮滾落的安全性。

再分析跌落時的安全性， 離心激活機構受到跌落負載時是否會解除對撞針的保險， 這一般是看跌落產生的負載是否大于約束零件的各種力， 因為本文中的離心激活機構是受到三個滑塊的約束， 也就是說只有三個滑塊同時解除保險那離心激活機構的撞針才會被釋放， 但在跌落過程中， 在不同時刻離心激活機構的各個構件的受力大小都是變化的，且這些受力還會互相影響，所以逐一分析然后選出適合的摩擦系數比較復雜。 但現在Adams仿真技術已經十分的成熟我們可以在它的輔助下完成摩擦系數的選擇。

3 離心激活機構不同摩擦系數的仿真

將離心激活機構導入Adams 中進行仿真， 將離心激活機構中各個零件的材料規定好， 建立好各個零件之間的連接副如圖3 和表1 所示，設置好彈簧力的大小，然后規定好摩擦系數，對離心激活機構進行仿真。

表1 激活機構主要約束

圖3 激活機構約束圖

其中 JOINT_1 和JOINT_10 分別是在解除保險時和跌落時的驅動，當其中一個激活時另一個是不被激活的狀態。

首先對離心激活機構正常的解除保險的過程進行仿真，分別取摩擦系數為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，發現在摩擦參數取0.1 到0.5 時，撞針均能在規定的轉速下解除對撞針的限制， 只是到達滑塊運動到解除保險位置時的時間不同，如圖4 所示。

圖4 摩擦系數和解除保險時間的關系

可以看出隨著摩擦系數的增大所需的解除保險時間也越來越長，但如果摩擦參數取0.6，撞針在這個摩擦系數下的位移曲線如圖5 所示， 可以看出此時離心激活機構就不能正常解除保險，撞針只是發生了震蕩，并沒有解除保險。

接下來模擬離心激活機構跌落時的情況，經過查詢資料我們得到引信從1.5m 高度跌落向鋼板時所產生的沖擊過載大概在如圖6 所示。

圖6 跌落曲線

跌落所產生最大負載不會超過13000g，脈寬不會超過0.4ms[6]。將這個負載代入adams 仿真中，并讓離心激活機構機構在這個負載下側向跌落，在0.1～0.5 的摩擦系數范圍內。 撞針在豎直方向上的位移曲線如圖7 所示。

圖7 跌落時撞針的位移曲線

發現在跌落的整個過程中撞針只是有0.03mm 的輕微晃動，這個晃動說明撞針并沒有被解除保險，之所以有這個輕微的晃動是因為撞針和滑塊銷之間有了微小的空隙。

模擬發現在保證離心激活機構可靠解保的情況下摩擦系數并不能對離心激活機構內滑塊的位移距離產生很大影響，但激活機構仍能夠保證跌落時的安全性，也就是在此過程中離心激活機構并沒有解除保險， 這主要是因為滑塊都是成對配置的，在跌落過程時，就算一個滑塊運動到了解除保險的行程， 其他滑塊因為受力較小的原因并沒有解除保險，對撞針起到了限制作用。因此在保證離心激活機構能在預定轉速下解除保險的情況下， 摩擦系數對跌落的安全性影響很小。

4 結論

本文設計了一種離心激活機構， 討論了在其他條件確定的情況下， 摩擦系數對離心激活機構在解除保險時的可靠性以及在勤務處理時的安全性地影響，通過Adams仿真， 確定了這個離心激活機構合適的摩擦系數取值范圍0.1～0.5 左右最為合適，并且得出結論摩擦系數大小和離心激活機構解除保險的時間正相關， 在保證離心激活機構正常解除保險的情況下摩擦系數對離心激活機構跌落的安全性影響很小，為后續加工提供了一定的參考。