引信慣性球電觸發(fā)開關(guān)方向敏感性

劉　鵬，王雨時(shí)， 武波涌， 聞　泉， 張志彪

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京　210094；2.湖南兵器建華精密儀器有限公司，湖南 永州　425024)

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引信慣性球電觸發(fā)開關(guān)方向敏感性

劉鵬1，王雨時(shí)1， 武波涌2， 聞泉1， 張志彪1

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094；2.湖南兵器建華精密儀器有限公司，湖南 永州425024)

摘要:針對(duì)彈簧壓球結(jié)構(gòu)的引信慣性球電觸發(fā)開關(guān)方向敏感性問題，應(yīng)用剛體靜力學(xué)理論建立了引信慣性觸發(fā)作用時(shí)不同方向角下慣性球?qū)︻A(yù)壓簧的作用力表達(dá)式。分析表明，為提高慣性球電觸發(fā)開關(guān)觸發(fā)靈敏度，應(yīng)盡量增大慣性球質(zhì)量和滑套球窩錐角，并減小滑套和彈簧質(zhì)量以及各運(yùn)動(dòng)副間的摩擦系數(shù)。慣性球電觸發(fā)開關(guān)應(yīng)成對(duì)相向布設(shè)，以消除觸發(fā)時(shí)不利方位的影響。而慣性球質(zhì)心應(yīng)盡可能靠近彈的質(zhì)心設(shè)置，以防止彈空中旋轉(zhuǎn)引發(fā)彈道炸。

關(guān)鍵詞:引信；受力分析；動(dòng)態(tài)特性；慣性觸發(fā)；方向敏感性；觸發(fā)開關(guān)

0引言

防空火炮彈藥、低伸彈道彈藥(特別是反坦克破甲彈)和子彈藥的彈丸以大著角、小落角或擦地姿態(tài)命中目標(biāo)或目標(biāo)區(qū)時(shí)，引信機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定方向的運(yùn)動(dòng)難度較大。因而誕生了大著角發(fā)火機(jī)構(gòu)、側(cè)擊發(fā)火機(jī)構(gòu)和擦地炸機(jī)構(gòu)。與上述彈藥相類似，手榴彈飛行速度低，且無(wú)定向性，因而其觸發(fā)引信實(shí)現(xiàn)發(fā)火難度更大，要求其引信在彈藥各種方位落地時(shí)均要發(fā)火，即萬(wàn)向發(fā)火。

國(guó)內(nèi)引信技術(shù)發(fā)展史上曾關(guān)注過側(cè)擊發(fā)火與大著角發(fā)火[1-6]，但也一度忽視了此問題[7]。文獻(xiàn)[1—3]對(duì)典型側(cè)擊發(fā)火機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并就側(cè)卡板機(jī)構(gòu)力學(xué)原理進(jìn)行了分析；針對(duì)慣性錘式萬(wàn)向著發(fā)機(jī)構(gòu)，文獻(xiàn)[4]分析了碰目標(biāo)時(shí)的受力狀態(tài)并討論了影響萬(wàn)向機(jī)構(gòu)作用靈敏度的因素，文獻(xiàn)[5]建立了動(dòng)力學(xué)模型，并計(jì)算了以輸入加速度為參量的機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)角度與時(shí)間的關(guān)系；文獻(xiàn)[6]介紹了兩種引信萬(wàn)向作用傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理。近年來(lái)隨著戰(zhàn)爭(zhēng)文明化進(jìn)程的推進(jìn)，主要是為了降低啞彈率，減少附帶毀傷，引信擦地炸問題又被重視。文獻(xiàn)[8]對(duì)彈底擦地炸慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)閉合響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了分析,并通過離心試驗(yàn)和擦地炸性能試驗(yàn)驗(yàn)證引信擦地炸作用率不小于90 %；文獻(xiàn)[9]運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)一種彈頭觸發(fā)引信擦地炸慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)碰擊目標(biāo)過程進(jìn)行數(shù)值仿真，得到超口徑尾翼對(duì)擦地炸性能影響規(guī)律。但關(guān)于萬(wàn)向發(fā)火機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究還不多見。

本文以手榴彈機(jī)電觸發(fā)引信為背景，研究彈簧壓球結(jié)構(gòu)的引信慣性球電觸發(fā)開關(guān)方向敏感性問題，試圖為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性分析提供參考。

1手榴彈機(jī)電引信慣性球電觸發(fā)開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖1給出了手榴彈機(jī)電引信慣性球電觸發(fā)開關(guān)結(jié)構(gòu)。該開關(guān)軸線垂直于引信軸線。裝入引信內(nèi)部之后，外有引信殼體保護(hù)，故該開關(guān)只會(huì)受到慣性力的作用。外筒和接電片作為兩極接電，滑套與導(dǎo)電銷沿ox軸方向間隙很小。彈藥落地時(shí)，慣性球受慣性力作用，即可沿開關(guān)軸向推動(dòng)滑套并壓縮預(yù)壓彈簧，使滑套與導(dǎo)電銷接觸，完成開關(guān)閉合動(dòng)作。

預(yù)壓彈簧的預(yù)壓力主要用來(lái)保證彈道安全性。而平時(shí)電源未接入，故平時(shí)的振動(dòng)與沖擊雖然能使滑套觸碰導(dǎo)電銷，但在振動(dòng)與沖擊消失后滑套又會(huì)在預(yù)壓彈簧的作用下復(fù)位，從而與導(dǎo)電銷脫離接觸。

圖1　慣性電觸發(fā)開關(guān)Fig.1　Inertia ball electrical trigger switch

2慣性球電觸發(fā)開關(guān)方向敏感性分析

由于慣性球電觸發(fā)開關(guān)接電位移很小，所以上述慣性球電觸發(fā)開關(guān)的靈敏度可以用手榴彈碰擊目標(biāo)時(shí)使引信滑套與導(dǎo)電銷接觸(閉合)所需的慣性加速度大小來(lái)衡量。

分別取慣性球電觸發(fā)開關(guān)中的慣性球和滑套為研究對(duì)象。假設(shè)慣性球和滑套為剛體，并且初始位置時(shí)慣性球質(zhì)心在滑套的軸線上。由于滑套與導(dǎo)電銷接觸(閉合)行程很短，所以在受力分析時(shí)不考慮滑套閉合運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的相互位置變化。

慣性球和滑套受力分別如圖2和圖3所示。

圖2　慣性球受力Fig.2　Force analysis of Inertia ball

圖3　滑套受力Fig.3　Force analysis of sleeve

取手榴彈碰擊目標(biāo)時(shí)的加速度a方向在oxy平面內(nèi)，與彈軸oy軸夾角為β，此角即可視為觸發(fā)方向角。由于慣性球電觸發(fā)開關(guān)關(guān)于ox軸結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以a方向不在oxy平面內(nèi)的情形與a方向在oxy平面內(nèi)的情形所得分析結(jié)果是相同的，相當(dāng)于改變oy軸方向使其與a方向在oxy平面內(nèi)。由此即將該慣性球電觸發(fā)開關(guān)的軸對(duì)稱空間原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成了平面原理結(jié)構(gòu)。

在此討論的是β=0°～90°的情形。β=90°～180°的情形在本質(zhì)上與β=0°～90°的情形相同。而β=180°～360°的情形對(duì)于慣性球電觸發(fā)開關(guān)而言是比較有利于發(fā)火的高敏感情形。

圖2中，N1為外筒對(duì)慣性球的正壓力；F1為由N1產(chǎn)生的摩擦力；N2為滑套對(duì)慣性球的正壓力；F2為由N2產(chǎn)生的摩擦力；Q1為慣性球受到的慣性力，與加速度a方向相反；α為F2與ox軸之間的夾角；β為慣性力Q1與oy軸之間的夾角。

由于慣性球電觸發(fā)開關(guān)閉合行程很小，所以可按靜力平衡關(guān)系，得：

(1)

另有補(bǔ)充方程

(2)

式(2)中，f1為外筒與慣性球之間的摩擦系數(shù)；f2為滑套與慣性球之間的摩擦系數(shù)。

對(duì)式(1)和式(2)求解得：

(3)

同理，根據(jù)受力平衡對(duì)滑套進(jìn)行受力分析可得

(4)

另有作用力與反作用力相等

(5)

以及補(bǔ)充方程

F3=f3N3

(6)

將式(3)代入式(4)、式(5)、式(6)求解，得：

(7)

又慣性球質(zhì)量為m，滑套和保險(xiǎn)簧質(zhì)量為M，將Q1=ma，Q2=Ma代入式(7)可得：

P=

(8)

滑套對(duì)慣性簧的作用力P′是P的反作用力，P′=P。由P′與a之間的等效質(zhì)量

M(sinβ+f3cosβ)

(9)

即可判斷不同因素對(duì)觸發(fā)靈敏度的影響。w越大，開關(guān)越敏感。

對(duì)(9)式中各變量求偏導(dǎo)，得：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

已知α∈(45°,90°)，其余初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所列。

表1　慣性球電觸發(fā)開關(guān)初始設(shè)計(jì)參數(shù)

由表1參數(shù)即可畫出以角度α為參量的等效質(zhì)量w與觸發(fā)方向角β之間的關(guān)系曲線w(β)，如圖4所示。圖中等效質(zhì)量w≤0的區(qū)域?yàn)榛鬃枣i區(qū)域，此時(shí)滑套不能可靠接電。

圖4　不同α情況下等效質(zhì)量與觸發(fā)方向角之間的關(guān)系曲線Fig.4　Relationship of equivalent mass and trigger angle under different α situations

慣性球運(yùn)動(dòng)的過程如圖5所示。慣性球先從圓弧面運(yùn)動(dòng)到直線段，再?gòu)闹本€段運(yùn)動(dòng)到圓角段，最后

接觸外筒?？紤]到慣性球運(yùn)動(dòng)末端圓角的影響，α?xí)葴p小再略微增大?；自趹T性球的作用下壓縮保險(xiǎn)簧運(yùn)動(dòng)，保險(xiǎn)簧提供的抗力逐漸增大。

則(1-f2f3)sinα-(f2+f3)cosα>0。

圖5　慣性球運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5　The movement schematic of inertia ball

考慮不利情況下β對(duì)(6)～(12)式的影響，即0≤β≤90°的情況，已知P≥0，由(5)式知0≤β≤arctan(1/f1)。此時(shí)：cosβ-f1sinβ>0。

對(duì)于式(6)—式(12)式分析可知：

對(duì)一種確定的設(shè)計(jì)方案，f1、f2、f3、m、M保持不變，慣性球在加速度a的作用下運(yùn)動(dòng)，α先減小再增大，在β不變的情況下，對(duì)應(yīng)的w也先大后小。

以上考慮的是靜平衡狀態(tài)，即假設(shè)慣性球不滾動(dòng)的情況。下面對(duì)慣性球是否滾動(dòng)進(jìn)行討論。

對(duì)F1與F2的大小進(jìn)行比較：

取f1=f2=f3=0，則由式(9)可得w=mcosβtanα-Msinβ。

3慣性球電觸發(fā)開關(guān)方向敏感性優(yōu)化

圖2給出的是平面匯交力系，因而力學(xué)分析結(jié)果與慣性球直徑無(wú)關(guān)。但慣性球質(zhì)量m與慣性球直徑密切相關(guān)，故在結(jié)構(gòu)尺寸限定條件下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能加大慣性球直徑。

影響慣性球質(zhì)量的另一因素是密度。鎢合金球、硬質(zhì)合金球、銅合金球、鋼球和氧化鋯陶瓷球都有較大的密度。并且硬質(zhì)合金球、鋼球和陶瓷球球形比較規(guī)則，銅合金球和陶瓷球摩擦系數(shù)較小，可供優(yōu)選。

為了盡可能避免手榴彈空中飛行過程中的繞心運(yùn)動(dòng)引起慣性球電觸發(fā)開關(guān)意外閉合或?qū)φＳ|發(fā)閉合不利，慣性球球心或慣性球、滑套、保險(xiǎn)簧慣性觸發(fā)系統(tǒng)質(zhì)心應(yīng)盡可能靠近手榴彈質(zhì)心布設(shè)。從這一角度出發(fā)，手榴彈質(zhì)心一般應(yīng)盡可能布設(shè)在其軸線上。

為了消除β=90°附近可能存在的觸發(fā)盲區(qū)，慣性球電觸發(fā)開關(guān)應(yīng)成對(duì)相向布設(shè)。這時(shí)意味著兩個(gè)慣性球電觸發(fā)開關(guān)中必有一個(gè)工作在前述的β為180°～360°時(shí)的比較有利于發(fā)火的高敏感狀態(tài)。

為了盡可能加大α角，滑套端面承壓慣性球的球窩深度不宜過大，并且該球窩也可改成錐孔結(jié)構(gòu)。

為了減輕質(zhì)量，滑套可選用輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金或鎂鋰合金等，還可在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，在其上設(shè)置一些減重孔。

保險(xiǎn)簧設(shè)計(jì)也應(yīng)在保證抗力特性的前提下，盡可能減輕自身質(zhì)量。

為了降低各摩擦系數(shù)，可采取表面硬化和潤(rùn)滑(如二硫化鉬等干粉潤(rùn)滑劑)減摩措施，表面涂覆層的選擇也要考慮減摩。

4結(jié)論

本文研究了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)彈簧壓球結(jié)構(gòu)的引信慣性球電觸發(fā)開關(guān)方向敏感性的影響，研究結(jié)果表明：為提高慣性球電觸發(fā)開關(guān)觸發(fā)靈敏度，應(yīng)盡量增大慣性球質(zhì)量和滑套球窩錐角，并減小滑套和彈簧質(zhì)量以及各運(yùn)動(dòng)副間的摩擦系數(shù)。慣性球電觸發(fā)開關(guān)應(yīng)成對(duì)相向布設(shè)，以消除觸發(fā)時(shí)不利方位的影響。而慣性球質(zhì)心應(yīng)盡可能靠近彈的質(zhì)心設(shè)置，以防止彈空中旋轉(zhuǎn)引發(fā)彈道炸。該研究結(jié)果可供該類慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)(慣性觸發(fā)開關(guān))觸發(fā)靈敏度優(yōu)化設(shè)計(jì)以及安全性和可靠性系統(tǒng)分析參考。

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Direction Sensitivity of Fuze Inertia Ball Electrical Trigger Switch

LIU Peng1,WANG Yushi1,WU Boyong2,WEN Quan1,ZHANG Zhibiao1

(1. Mechanical Engineering College, NUST, Nanjing 210094, China;2. Hunan Weapons Jianhua Precision Instrument Co. Ltd. Hunan, Yongzhou 425024, China)

Abstract:In order to analysis the direction sensitivity of fuze inertia ball electrical trigger switch with ball loaded spring structure , the rigid body statics theory was applied, the force expression of inertia ball effects on spring in different directions when the fuze inertia contact was obtained. The analysis results showed that in order to improve the inertia ball electrical trigger switch sensitivity, the mass of inertia ball and sleeve should be increased, the taper angle of sleeve should be increased, the mass of sleeve and spring should be decreased, and the friction coefficient of kinematic pairs should be decreased. In order to eliminate the impact of harmful orientation when triggered, the inertia ball electrical trigger switch should be laid opposite in pairs. In order to prevent ballistic burst caused by rotation, the inertia ball should posited as close as possible to projectile centroid.

Key words:fuze; force analysis; dynamic characteristic; inertia contact; direction sensitivity; trigger switch

中圖分類號(hào):TJ430

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-1194(2016)02-0001-05

作者簡(jiǎn)介:劉鵬(1991—)，男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，研究方向：引信及彈藥技術(shù)。E-mail：skiy906@163.com。

基金項(xiàng)目:武器裝備預(yù)先研究項(xiàng)目資助(51305060301)

*收稿日期:2015-11-03