C型固體電樞與導軌接觸壓力的保持

劉曉輝 張建革 趙彥森

（1.第七一三研究所，鄭州 450015；2.海軍駐鄭州地區軍事代表室，鄭州 450015）

1 引言

電樞是電磁炮的關鍵部件之一，它將電磁能轉換為彈丸的動能。C型結構固體電樞有許多優越的特性，是目前固體電樞電磁軌道炮研究中常用的電樞類型。該型電樞在發射過程中需要考慮的一個重要因素是電樞與導軌的接觸壓力保持問題，合適范圍內的接觸壓力能保證電流的順利傳遞，在一定程度上避免轉捩的發生。

2 接觸壓力計算

經典文獻[1]中關于電樞和導軌接觸壓力的表述為：通過電流1A接觸壓力為1g，即1A/1g。從中可以看出所需接觸壓力和電流之間的關系

另，由“軌道炮作用力定律”知

其中L′是電感梯度，常用值0.40μH。所以，理論接觸壓力平衡點處的電流值，可通過（1）、（2）式算出，即

不難求出，此時I=50kA。結合下圖1所示脈沖電流放電波形，如以橫線代表。

圖1 脈沖電流放電波形及接觸壓力平衡點

I=50kA，可見橫線以上電磁力足以保證電樞臂和導軌接觸，不需要外施力；相反，橫線以下，必須施加外力才能保證所需接觸力。此時，橫線與脈沖電流放電波形相交的點就是理論接觸壓力平衡點，該平衡點即是接觸壓力的最小值。

從接觸安全考慮，接觸壓力可取1200N。

3 電樞過盈量確定

固體電樞與導軌的起始接觸壓力主要有二者配合的過盈量提供。C型結構電樞材料選用鋁材7A09，結構如圖2所示。電磁軌道炮口徑定為30mm方口徑，單側接觸面積可按 600mm2計算。仿真分析結果如下圖3所示。圖中，在 F=1200N 壓力下，電樞的最大變形為0.1mm。

圖2 C型電樞結構

圖3 電樞過盈量仿真分析

該電樞的最大變形值在實際試驗中得到了驗證，采取的方法是通過材料性能試驗機測出壓力和形變（位移）之間的關系，見圖 4～5。試驗機使用的壓力分別為3000N和5000N。電樞在2m導軌上發射，電流脈沖最大為800kA時，單邊磨損量約為0.2～0.7mm 之間[2]。試驗電樞通過的電流最大為500kA，其過盈量單邊可確定為0.5mm。

圖4 電樞變形和壓力的對應關系

圖5 電樞變形和壓力的對應關系

4 結論

通過以上分析，電樞和導軌間要保持1200N的壓力，電樞相對于電磁軌道炮的口徑需單邊過盈量為0.1mm，考慮到電樞在發射過程中產生的磨損量，確定電樞單邊過盈量為0.5mm，但從圖4～5的曲線趨勢來看，電樞變形量為0.5mm所受到的壓力高達數萬牛頓，此時電磁炮產生的電磁推力無法克服該壓力所產生的阻力，電樞無法移動，導致發射失敗。解決這一問題的途徑是把電磁炮的口徑做成“喇叭”口徑，假設電樞在整個發射過程中磨損量是線性的（電樞磨損的具體情況可通過相應試驗獲取），此時炮尾的口徑可定為 30.8mm，炮口的口徑做成30mm，即要求電樞通過炮尾和炮口始終相對于軌道炮口徑0.1mm的單邊過盈量。

[1]Richard A.Marshall, Wang Ying. RAILGUNS∶ their SCIENCE and TECHNOLOGY[M]. Beijing∶ China Machine Press ,2004.

[2]Trevor Watt and Francis Stefani, “The Effect of Current and Speed on Perimeter Erosion in Recovered Armatures,”12thElectromagnetic Launch Symposium,May 25-28,2004.