引信曲折槽機構設計參數靈敏度

程 君，聞 泉，王雨時，義高潮，應益發(fā)，涂偉忠

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094；2.江西星火機械廠，江西 南昌 331729）

0 引言

曲折槽機構具有判別沖擊過載幅值及其作用持續(xù)時間的特性，一定程度上能夠解決勤務處理安全性與發(fā)射時解除保險正確性的矛盾，廣泛應用于迫擊炮引信、火箭引信和無后坐炮引信等較低發(fā)射過載的引信中［1－3］。

文獻［4］采用無量綱模型，分析了曲折槽機構解除保險靈敏度，增大慣性簧剛度和預壓抗力、增加曲折槽段數、減輕慣性筒質量等措施可提高對速度變化量的識別能力。文獻［5］應用剛體動力學理論建立了解除保險過程的數學模型，定量分析了慣性簧剛度、慣性簧預壓量、慣性筒質量、導向銷與曲折槽間的摩擦系數、曲折槽傾角等結構參數對解除保險性能的影響。文獻［6］在考慮扭力矩作用基礎上，建立了曲折槽保險機構的解除保險過程動力學模型，得出引信跌落到松軟地面上時扭力矩對慣性筒位移響應影響明顯。但上述數學模型均是建立在理論分析基礎上，忽略了曲折槽機構特定結構對機構運動的影響，如慣性筒上曲折槽寬度影響導向銷與曲折槽間碰撞、曲折槽過渡圓角影響慣性筒速度變化、曲折槽深度影響導向銷簧抗力等。

本文結合火箭彈引信曲折槽保險機構設計實例，針對從理論上無法分析引信曲折槽機構曲折槽寬度、過渡圓角和深度對機構動態(tài)特性影響的問題，提出采用ADAMS動力學分析軟件對曲折槽機構解除保險過程及結構參數進行仿真分析。

1 曲折槽保險機構作用原理

曲折槽保險機構物理結構示意圖如圖1所示。勤務處理引信意外跌落時曲折槽保險機構中的慣性筒會沿導向銷邊轉動邊向下運動。但由于跌落時慣性力作用時間很短，慣性筒的轉動、槽壁與導向銷的摩擦和拐角處的碰撞將動能消耗完，故被保險部件不會被慣性筒釋放。隨后在慣性簧推力作用下，慣性筒又恢復到初始裝配狀態(tài)，保證引信處于安全狀態(tài)。

發(fā)射時，由于彈丸加速運動過程中后坐力作用時間足夠長，慣性筒在后坐力作用下一直運動到底，釋放被保險件。慣性筒運動到位后，導向銷在導向銷簧抗力作用下向前伸出擋住慣性筒，防止后坐力消失后慣性筒在慣性簧作用下恢復到位，如圖2所示。

圖1 曲折槽保險機構物理結構示意圖Fig.1 Physical structure diagram of zigzag arming device

圖2 曲折槽保險機構運動狀態(tài)Fig.2 Kinematical state of zigzag arming device

2 ADAMS仿真及試驗驗證

2.1 模型建立

分析的曲折槽機構主要參數為：慣性筒質量m＝2.67g，慣性簧剛度為K＝65.26N／m，曲折槽傾角為a＝45°，導向銷小端直徑d＝2mm，曲折槽寬d＝2mm，過渡圓角R＝1mm，曲折槽深度h＝2 mm。利用Solidworks三維繪圖軟件建立曲折槽保險機構仿真分析模型，將建立的模型保存為Parasolid.X＿T格式，然后利用ADAMS／View模塊提供的數據交換接口，將模型文件導入到ADAMS軟件中，后修改構件名稱和材料信息，添加接觸副和運動副，并進行仿真［7］。曲折槽保險機構約束關系見表1所列。

表1 曲折槽保險機構約束關系Tab.1 Constraint relations of zigzag arming device

2.2 模型加載

發(fā)射過程中不同時刻火箭推力數據無法表達為一個已知的函數，需將這些數值進行擬合，得到擬合曲線作為火箭推力的變化規(guī)律曲線。選用ADAMS中CUBSPL函數插值方式，將后坐過載通過函數CUBSPL（time，0，SPLINE＿1，0）施加在慣性筒上。圖3為通過創(chuàng)建函數得到的火箭發(fā)動機F－T曲線。

圖3 火箭發(fā)動機F－T曲線Fig.3 F－T curve of rocket engine

2.3 解除保險正確性仿真

利用ADAMS仿真曲折槽保險機構在發(fā)射過程中慣性筒的運動狀態(tài)及解除保險過程，判斷其解除保險正確性。圖4為仿真得到的發(fā)射過程中曲折槽保險機構運動情況。

由圖4可知發(fā)射過程中慣性筒在后坐力作用下沿導向銷邊轉動邊向下運動，一直運動到底，直至與簧柱發(fā)生碰撞。慣性筒運動到位后，導向銷前伸擋住慣性筒，保證慣性筒解除被保險件后的作用正確性。

圖4 發(fā)射時曲折槽保險機構運動過程Fig.4 Movement of zigzag device during launch

圖5為發(fā)射過程中慣性筒運動速度和位移響應曲線。由圖5可看出慣性筒通過每一段曲折槽時運動速度都有發(fā)生波動，說明慣性筒在向下運動過程中與導向銷發(fā)生不同程度的碰撞，從而消耗慣性筒運動能量，使慣性筒下降速度減緩，這一特性符合曲折槽后坐保險機構作用特性。曲折槽保險機構在發(fā)射過程中運動到位的時間為24.3ms，而火箭發(fā)動機工作時間在100ms左右，因此通過仿真分析可知曲折槽機構能可靠解除保險。

圖5 慣性筒運動速度和位移響應曲線Fig.5 Velocity curve and displacement curve of inertia cylinder

2.4 勤務處理安全性仿真

利用ADAMS仿真曲折槽保險機構在勤務處理過程中慣性筒的運動狀態(tài)，判斷曲折槽保險機構是否在勤務處理中解除保險。分別仿真了引信從1.5m落高分別跌向鋼板、水泥地和沙土時勤務處理安全性。跌落目標參數［7］見表2所列。引信跌向3種目標時慣性筒軸向位移及慣性筒恢復到位時間如表3所列。其中跌落目標為鋼板時，曲折槽保險機構運動過程如圖6所示。

由運動過程可知，在勤務處理跌落鋼板過程中，慣性筒向下運動0.18ms左右就和導向銷發(fā)生碰撞，碰撞后慣性筒速度減小，逐漸趨近于零。之后慣性筒在慣性簧的抗力作用下開始向上運動，恢復到保險機構裝配狀態(tài)。在勤務處理跌落到鋼板過程中導向銷與第一段曲折槽發(fā)生碰撞后，慣性筒向下運動就終止，因此慣性筒不會釋放被保險件，符合曲折槽保險機構作用特性。從表1可知引信跌向鋼板、水泥地和沙土時慣性筒向下運動軸向位移分別為2.6mm、2.9mm、6.2mm，而曲折槽機構解除保險行程為13.5mm，因此引信1.5m跌向鋼板、水泥地和沙土時曲折槽機構都不會解除保險，保證勤務處理安全性。

表2 跌落目標材料參數Tab.2 The material parameter of drop target

表3 勤務處理安全性仿真結果Tab.3 The results of simulation during service

圖6 勤務處理中曲折槽保險機構運動過程Fig.6 Movement of zigzag device during service

2.5 試驗驗證

為了驗證仿真結果可信性，對引信進行離心試驗和跌落試驗，其中跌落試驗目標分別為鋼板、水泥地和砂土，連續(xù)跌落兩次，結果如表4所列。射擊試驗結果如表5所列。試驗結果表明曲折槽保險機構能夠保證勤務處理安全性和發(fā)射時解除保險正確性。

表4 跌落試驗結果Tab.4 The results of drop test

表5 射擊試驗結果Tab.5 The results of firing test

3 參數分析

3.1 曲折槽寬度的影響

因受曲折槽保險機構空間尺寸限制，在此按等差數列分別取曲折槽寬度為2.0mm、2.2mm、2.4 mm三種情況進行動力學仿真。曲折槽寬度對慣性筒速度響應和位移響應影響如圖7所示。

從圖7可知，曲折槽寬度越大，慣性筒運動到位的時間越短，慣性筒運動速度變化的也越快。曲折槽寬度為2.0mm、2.2mm、2.4mm 時慣性筒運動到位時間分別為24.0ms、21.0ms、20.0ms。從慣性筒運動速度響應可以看出，曲折槽寬度越大，導向銷與曲折槽之間間隙就越大，慣性筒運動過程中導向銷與曲折槽間碰撞就越嚴重，碰撞過程中慣性筒動能消耗就越多，從而影響慣性筒的運動。但曲折槽寬度越大，導向銷與曲折槽間摩擦力越小，導向銷對慣性筒運動阻滯就不明顯，慣性筒運動到位的時間就越短，不利于曲折槽保險機構勤務處理安全性。因此增大曲折槽寬度有利于曲折槽機構解除保險，反之有利于勤務處理安全性。

3.2 曲折槽過渡圓角的影響

在原有設計曲折槽過渡圓角R為1.0mm基礎上，另按等差數列取圓角為0.5mm、1.5mm共三種情況進行動力學仿真。曲折槽過渡圓角對慣性筒速度響應和位移響應影響如圖8所示。

從圖8可知，曲折槽過渡圓角越大，慣性筒運動到位的時間就越短，慣性筒運動的速度也變化得越快。曲折槽圓角為0.5mm、1.0mm、1.5mm 時慣性筒運動到位時間分別為27.5ms、24.0ms、21.2 ms。曲折槽過渡圓角對慣性筒運動影響明顯，增大曲折槽過渡圓角有利于曲折槽機構解除保險，反之有利于勤務處理安全性。

圖7 曲折槽寬度對慣性筒速度和位移影響Fig.7 The influence of zigzag width on speed and displacement of inertial cylinder

圖8 曲折槽過渡圓角對慣性筒速度和位移影響Fig.8 The influence of zigzag fillet on speed and displacement of inertial cylinder

3.3 曲折槽深度的影響

因受曲折槽保險機構空間尺寸限制，在此按等差數列分別取慣性筒上曲折槽深度為1.8mm、2.0 mm、2.2mm三種情況進行動力學仿真。曲折槽深度對慣性筒速度響應和位移響應影響如圖9所示。

圖9 曲折槽深度對慣性筒速度和位移影響Fig.9 The influence of zigzag depth on speed and displacement of inertial cylinder

從圖9可知，曲折槽深度越大，慣性筒運動到位的時間越短，慣性筒運動的速度也變化越快。曲折槽深度為1.8mm、2.0mm、2.2mm時慣性筒運動到位時間分別為24.5ms、24.0ms、23.5ms。導向銷與曲折槽之間存在摩擦力，導向銷運動通過導向銷簧抗力來提供，曲折槽深度直接影響導向銷簧的預壓量，從而影響導向銷簧抗力大小和兩者之間摩擦力的大小。曲折槽深度越大，導向銷與慣性筒間摩擦力越小，反之越大。因此增大曲折槽深度有利于曲折槽機構解除保險，反之有利于勤務處理安全性。

4 結論

本文提出了采用ADAMS軟件對火箭彈引信曲折槽保險機構解除保險可靠性和勤務處理安全性進行仿真研究，分析了慣性筒上曲折槽寬度、曲折槽過渡圓角和曲折槽深度等設計參數對機構動態(tài)的影響。結果表明：該引信曲折槽保險機構在80 g發(fā)射過載下能可靠解除被保險部件，在1.5m高度跌落鋼板、水泥地和砂土目標能保證被保險部件安全性，與試驗結果相符；在一定范圍內增大慣性筒上曲折槽寬度、曲折槽拐角處圓角及曲折槽深度均有利于曲折槽保險機構解除保險，反之則有利于勤務處理安全性。該方法將為曲折槽保險機構的工程設計提供參考。

［1］《引信設計手冊》編寫組.引信設計手冊［S］.北京：國防工業(yè)出版社，1978.

［2］王暉，陳荷娟.復合式慣性制動保險機構及性能分析［J］.探測與控制學報，2007，29（1）：32－35.

［3］宋麗萍.復合受力蛇形槽保險機構性能分析［J］.華北工學院學報，1999，20（1）：10－13.

［4］譚惠民，齊杏林.曲折槽機構的靈敏度分析［J］.兵工學報，1994，11（4）：66－69.

［5］檀永杰.引信曲折槽后坐保險機構理論研究［D］.南京：南京理工大學，2008.

［6］周彬，安振濤，秦翔宇.扭力矩對曲折槽保險機構動力學響應影響分析［J］.軍械工程學院，2009，21（5）：33－37.

［7］郭衛(wèi)東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.