磁流變液延期解除保險機構等效旋轉試驗平臺

胡　明，王　炅，王新杰，劉　濱，王軍紅

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京　210094；2.西北工業集團有限公司，陜西 西安　710043)

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磁流變液延期解除保險機構等效旋轉試驗平臺

胡明1，王炅1，王新杰1，劉濱2，王軍紅2

(1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094；2.西北工業集團有限公司，陜西 西安710043)

針對旋轉離心機裝配后機構存在偏心、預加載時間較長和加載轉速限制等問題，提出了磁流變液延期解除保險機構等效旋轉試驗平臺。該平臺把旋轉問題轉化為了單向加載問題，從而實現了等效旋轉，能在3ms內完成預加載，可精確加載到極高轉速對應的載荷，能夠精確測量磁流變液引信延期解除保險時間。等效旋轉試驗誤差分析表明，經修正后等效旋轉試驗平臺的等效誤差不大于5%，能夠很好地等效彈丸實際旋轉時磁流變液的泄流情況。

延期解除保險時間；等效旋轉；試驗平臺；等效誤差

0　引言

磁流變液是一種近幾十年迅速發展的智能材料。在無外加磁場時，它具有良好的流動性，在外加磁場的作用下，它能在毫秒級時間內轉變為類固態，這種轉變可控可逆，稱之為磁流變效應[1]。磁流變效應使其具有廣泛的工程和軍事應用前景[2-3]，可應用于阻尼原件、控制原件、精密加工、光學加工和機械密封等。

引信磁流變液延期解除保險機構[4]是把磁流變液應用于引信的一種新型延期解除保險機構，具有勤務處理與發射安全性高、延期解除保險距離可控、散布低、解除保險可靠性高、結構簡單、經濟實用等優點。

延期解除保險時間是引信磁流變液延期解除保險機構的一項關鍵性能指標。目前，對磁流變液引信的靜態試驗仍采用旋轉離心機測試其延期解除保險性能。但是，由于裝配到旋轉離心機上時可能會導致機構偏心，使得旋轉很不穩定，影響試驗的正常進行，而且旋轉離心機加載到指定轉速需要一定的時間，這會嚴重影響對延期解除保險時間的測量，并且加載的轉速一般很難達到70 000 r/min以上，不能滿足一些小口徑炮彈轉速要求。本文針對上述問題，提出了磁流變液延期解除保險機構等效旋轉試驗平臺。

1　磁流變液延期解除保險機構

磁流變液延期解除保險機構如圖1所示，工作原理為[4]：勤務處理時，轉子由于活塞和后坐銷的限制不能旋轉，磁流變液在永磁體的作用下呈類固態限制活塞移動，機構處于隔爆狀態。彈丸發射后，在后坐力的作用下，后坐銷解除對轉子的限制，永磁體剪斷剪切銷并脫落，磁流變液轉變為液體；在離心力的作用下，磁流變液在活塞的推力和自身的離心力的作用下開始泄流，泄流完時，活塞解除對轉子的限制。轉子在離心力的作用下轉子，雷管和導爆管對正，引信處于待發狀態。

2　等效旋轉試驗平臺設計

延期解除保險時間是磁流變液延期解除保險機構的關鍵性能指標。在該機構中，延期解除保險時間是靠磁流變液的泄流來實現，因此，利用靜態試驗精確測量磁流變液的泄流時間是引信磁流變液延期解除保險機構的技術重點和難點之一。

2.1試驗平臺設計

結合磁流變液延期解除保險機構工作原理，該等效旋轉平臺需具有如下特性：

1)炮彈發射時，炮彈的轉速從零到最大值只需要很短的時間，因此試驗平臺需在3 ms內加載到指定轉速相對應的載荷，才能準確測量磁流變液的泄流時間。若加載時間太長，會導致磁流變液在加載時過多的泄流，而使得測得的延期解除保險時間偏短。

2)炮彈在飛行過程中，在磁流變液受到離心的作用開始泄流，在此期間，液桶內磁流變液的量會隨著泄流而減少，磁流變液和活塞的偏心距會隨著泄流而增大，因此，試驗平臺對活塞施加的力會隨著活塞的移動而變化，具體數值在受力分析中進一步分析。

3)該試驗平臺需能夠測試磁流變液泄流時間，即磁流變液引信延期解除保險機構延期時間，從而根據炮口初速，可推算出延期解除保險距離。

彈丸發射后，彈丸的高速旋轉會導致磁流變液引信受到離心力作用，在離心力的作用下，磁流變液在活塞的推力和自身的離心力的作用下開始泄流。離心力是一個矢量，方向一直沿著液桶的軸線方向，若把液桶、活塞、液桶端蓋和磁流變液看成靜止不動的，那么它們所受到的離心力的方向保持不變，若只對活塞施加一個載荷，載荷的大小等于彈丸高速旋轉時磁流變液和活塞所受的離心合力，可等效磁流變液在彈丸旋轉時的泄流。在磁流變液泄流過程中，和泄流有關的部件主要有活塞、液桶、液桶端蓋和磁流變液，因此，只需要取這些部件來進行等效旋轉試驗。

根據以上對機構特性及磁流變液泄流的分析，對磁流變液延期解除保險機構等效旋轉試驗平臺進行設計。等效旋轉試驗平臺如圖2所示，電腦伺服壓力試驗機為試驗平臺的主要設備，在該試驗機上裝有位移傳感器、力傳感器和激振器。力傳感器與活塞接觸，用于測量活塞受力大??；位移傳感器用于測量活塞位移，并且位移傳感器與力傳感器串聯，這樣可以測得在某位移所對應的輸出力；激振器用以產生激勵力，并和力傳感器連接，激振器產生的激勵力傳遞給力傳感器，而后力傳感器推動活塞。

等效旋轉試驗平臺的原理具體為：

1)在開始試驗之前，向控制系統輸入磁流變液延期解除保險機構結構參數、磁流變液特性參數和彈丸轉速等目標參數，控制系統根據目標參數得到理論F-X曲線，理論F-X曲線為彈丸旋轉時磁流變液所受到的合力隨活塞位移變化的F-X曲線。

2)開始試驗時，先進行預加載?？刂葡到y給激振器一個輸出信號，在3 ms內迅速增加輸出力，同時力傳感器給控制系統反饋力信號，當反饋的力信號達到理論初始力大小時，位移傳感器開始測量活塞位移，并開始計時。

3)預加載完成后，在任意活塞位置，位移傳感器給控制系統反饋活塞位移信號，控制系統根據反饋的位移值和理論F-X曲線得到該位移所對應的理論輸出力大小，同時控制系統根據力傳感器反饋的該位移實際輸出力大小與理論輸出力大小相比較，調節輸出力大小，使它接近理論輸出力大小，當反饋的力信號(實際輸出力大小)小于該位移所對應的理論輸出力時，控制系統增大輸出力，反之，則減小輸出力。如圖3所示，在整個過程中，等效旋轉試驗平臺采無數個位移點，從而構成輸出F-X曲線，并且使得輸出的F-X曲線不斷逼近理論F-X曲線，從而達到等效離心力的效果。

圖3　控制面板Fig.3　Control panel

4)試驗結束后，控制系統顯示磁流變液的泄流時間。

2.2受力分析

選取炮彈的軸心和活塞軸心的交點為原點，活塞軸線方向為X軸，垂直活塞軸線方向為Y軸，建立磁流變液泄流模型如圖4所示。

機構在旋轉過程中，磁流變液泄流時所受到的力主要包括活塞對磁流變液的推力F1和自身的離心力F2。由于液桶長度很短，可忽略磁流變液在液桶中流動因摩擦力造成的沿程壓力損失。在磁流變液泄流過程中，活塞在只有偏心距的變化，磁流變液的偏心距也在變化，同時它的量會隨著泄流而減少，因此在磁流變液泄流時它所受到的合力為：

F=F1+F2=m1ω2(a+x)+

(1)

式中，m1為活塞質量，m2為未泄流時磁流變液的質量，x為泄流時活塞的位移，a為未泄流時活塞質心到炮彈旋轉軸的距離，b為未泄流時活塞外端面與炮彈旋轉軸的距離，c為未泄流時磁流變液的長度，ω為炮彈轉速。

圖4　泄流模型Fig.4　discharge model

在等效旋轉試驗平臺的控制系統中，輸入以下目標參數：活塞質量m1(kg)；未泄流時活塞質心到彈軸的距離a(m)；未泄流時活塞外端面與彈軸的距離b(m)；未泄流時磁流變液的長度c(m)；液桶半徑r(m)；磁流變液密度ρ(kg/m3)；轉速ω(rad/s)。

可得到活塞受力隨活塞位移變化的理論F-X曲線，其中磁流變液質量m2=πr2cρ。

在實際旋轉過程中，磁流變液除了受到活塞推力、自身離心力和內部的摩擦力的作用外，還受到科氏力的作用?？剖狭Φ姆较蚝碗x心力的方向相垂直，對磁流變液的泄流沒有直接影響，但影響整個流場分布，在流場分析中進行分析。

2.3流場分析

等效旋轉時的環境力和彈丸實際旋轉時的環境力主要的區別在于磁流變液的受力方式不同。彈丸實際旋轉時，磁流變液受到活塞的推力(力的大小等于活塞受到的離心力)和自身的離心力，同時在磁流變液泄流時，磁流變液會受到科氏力作用；等效旋轉時把磁流變液和活塞受到的離心力都轉換成活塞對磁流變液的推力，并由電腦伺服壓力試驗機提供對活塞的推力，從而活塞推動磁流變液進行泄流。為了驗證它們的等效性，用Fluent軟件對其進行仿真分析。

2.3.1仿真過程

1)有限元模型建立

采用自由劃分網格，對泄流孔處網格進行局部加密，建立機構有限元模型。

2)施加邊界條件

壁面采用固定壁面條件。等效機構的進口邊界施加活塞對磁流變液的壓強，出口壓強為大氣壓強。編寫UDF，對彈丸實際旋轉時的磁流變液區域施加離心力和科氏加速度。

3)參數設置

設置材料參數：采用自制的磁流變液，其密度ρ=5.6g/cm3，粘度η=1.5Pa·s。

2.3.2仿真結果及分析

從圖5和圖6中可以看出，等效旋轉時內部流場很均勻，流體流動速度基本一致，而實際旋轉時內部流場并不均勻，流體流動速度有少許差異，這主要是由于科氏力的影響造成的；從泄流孔處的磁流變液的流速可以看出，等效旋轉時磁流變液最大速度為6.61m/s，實際旋轉時磁流變液最大速度為7.33m/s，速度差異不大。可見，等效旋轉時可進行參數修正，從而更加接近真實的泄流情況。從整體上看，等效旋轉和彈丸實際旋轉有一定的等效性。

圖5　等效旋轉時磁流變液泄流仿真Fig.5　Discharge simulation of MRF in equivalent rotation

圖6　實際旋轉時磁流變液泄流仿真Fig.6　Discharge simulation of MRF in actual rotation

通過對磁流變液泄流時的受力和流場分析，表明該等效旋轉平臺可等效磁流變液在彈丸實際旋轉過程中的泄流，但有一定的誤差存在。

3　等效旋轉試驗誤差分析

3.1等效誤差原因及修正參數的引入

從流場分析來看，等效旋轉和實際旋轉有一定的誤差存在，為了能夠更加接近真實的泄流情況，從而得到更加準確的泄流時間，對等效旋轉試驗平臺進行誤差分析和參數修正。

根據文獻[5]，并參考圖4，磁流變液的泄流時間計算公式為：

(2)

式中，m1為活塞質量，a為未泄流時活塞質心到炮彈旋轉軸的距離，b為未泄流時活塞外端面與炮彈旋轉軸的距離，c為未泄流時磁流變液的長度，r0為泄流孔半徑，ω為轉速，r為液桶半徑，Cd為流量系數，ρ為磁流變液密度。

由式(2)可見，對于確定的機構，機構的r，a，b，c，m1是定值，泄流孔流量Q是決定泄流時間的主要參數，由流體力學知識可得泄流孔的流量Q為：

(3)式中，A0為泄流孔截面積，ΔP為小孔入口處的壓強。其中，流量系數Cd與泄流孔半徑r0、泄流孔長度h、雷諾數Re有關，因此Cd與磁流變液的粘度μ有關[5]；小孔入口處壓強ΔP與彈丸轉速ω有關；泄流孔半徑r0直接關系著泄流孔面積A0?？梢?，泄流孔徑r0，彈丸旋轉速度ω，磁流變液粘度μ是影響泄流時間的三大要素。因此，等效誤差分析因從該三大要素入手。

改變彈丸轉速、泄流孔半徑及磁流變液粘度進行多次仿真分析發現，實際旋轉時小孔入口壓強均比等效旋轉時小孔入口壓強高8.6%左右，如圖7和圖8所示，可以推斷在仿真條件相同的情況下，等效旋轉試驗平臺造成的誤差主要是由于磁流變液的受力方式不同而導致機構小孔入口處壓強ΔP不同造成的。在實際旋轉時，磁流變液的內部壓強分布是遞增的形式，越靠近泄流孔處的磁流變液的偏心距越大，所對應的離心力就越大，而等效旋轉時磁流變液受到的合力是根據磁流變液整體的偏心距來計算的，故此對等效旋轉試驗平臺進行壓力補償，即在受力公式(1)中添加一個偏心修正系數ε，使得泄流孔入口處的壓強更加接近實際旋轉時的壓強：

(4)

其中，當ε=1.1，可使得小孔入口處壓強提高8.6%。

圖7　等效旋轉時壓強分布圖Fig.7　The distribution of pressure in equivalent rotation

圖8　實際旋轉時壓強分布圖Fig.8　The distribution of pressure in actual rotation

3.2修正后等效誤差驗證

引入偏心修正參數后，分別改變三大要素中的一個要素，經過多次仿真，延期解除保險時間對比圖如圖9—圖11所示。

圖9　彈丸轉速-延期時間曲線圖Fig.9　The curve of rotation and delay time

圖10　泄流孔半徑-延期時間曲線圖Fig.10　The curve of discharge and delay time

圖11　磁流變液粘度-延期時間曲線圖Fig.11　The curve of MRF viscosity and delay time

可見，等效旋轉試驗平臺進行引入偏心修正參數后，磁流變液在不同條件下的泄流均接近實際情況，其等效誤差不大于5%，能很好地等效彈丸實際旋轉時磁流變液的泄流情況。

4　結論

本文提出了磁流變液延期解除保險機構等效旋轉試驗平臺。該平臺把旋轉問題轉化為了單向加載問題，從而實現了等效旋轉，使得機構不存在偏心問題，大大增加了靜態試驗的穩定性和可靠性；該平臺能在3 ms內加載到指定轉速對應的載荷，完成預加載，保證了對磁流變液泄流時間測量的精確度；該平臺可精確加載到極高轉速對應的載荷，滿足各種炮彈轉速需求；該平臺可顯示泄流時間，不需要外加計時設備，優于旋轉離心機。等效旋轉試驗誤差分析表明，等效誤差主要是由于磁流變液的受力方式不同，導致流體內部壓強有所差異而造成的，引入偏心修正參數后，其等效誤差不大于5%，能夠很好地等效彈丸旋轉時磁流變液的泄流情況。

[1]周云,譚平.磁流變阻尼控制理論與技術[M].北京:科學出版社,2007.

[2]唐龍，盧利平，岳恩，等.磁流變液的研究與應用[J].重慶理工大學學報，2013,27(12)：44-48.

[3]Doruk Senkal,Hakan Gurocak.Serpentine flux path for high torque MRF brakes in haptics applications[J]. Mechatronics ,2010,20(3):377-383.

[4]陸靜，王炅，常娟.引信旋轉式磁流變液延期解除保險機構研究[J].探測與控制學報，2009,31(3):14-18.

[5]鄭彩軍，王衛青，王炅，等.磁流變引信保險機構保險時間散步因素分析[J].探測與控制學報，2011,31(6)：99-108.

Equivalent Rotation Test-bed for MRF Delay Arming Device

HU Ming1, WANG Jiong1，WANG Xinjie1, LIU Bin2, WANG Junhong2

(1.College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.The Northwest Industrial Group co., LTD, Xi'an 710043, China)

For the problem of the device installed to the spinning centrifuges would exist eccentricity, the preload time of the spinning centrifuges is too long, and the speed limit for the spinning centrifuges, an equivalent rotation test-bed for MRF delay arming device was proposed. This test-bed transform the rotation problem into uniaxial loading problem to achieve equivalent rotation. This Test-bed could complete the preload in 3 ms, and the load could reach accurately the values that was corresponding to the high speed, thus the delay arming time could been measured precisely. The equivalent rotation test error analysis showed that the equivalent error was less than 5% for the equivalent rotation test-bed after revision, and the discharge status in actual rotation could be equivalent successfully.

delay arming time; equivalent rotation; test-bed; equivalent error

2016-02-22

國家自然科學基金項目資助(51175265)

胡明(1989—)，男，四川綿陽人，博士研究生，研究方向：引信機構。E-mail:18652088301@163.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2016)04-0015-05