對提高準流體安全系統交驗合格率的攻關

鄭宏宇，相升海，陳 光，吳天翔，李 南，田 云

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.遼寧華興機電有限公司 研發中心，遼寧 錦州 121017)

近年來，準流體延期解除保險機構在國內外引信產品中得到了較為廣泛的應用，一些專家、學者對準流體延期解除保險機構進行了深入研究[1-8].文獻[9]對準流體延期解除保險機構的分析與設計理論進行系統研究，確定了影響引信準流體延期解除保險距離的主要因素，即泄流孔徑、彈簧推力、離心力.文獻[10]采用均勻設計方法進行試驗，得出了準流體延期解除保險機構結構參數的優化設計方案.文獻[11-12]利用散體力學的分析方法對引信準流體機構設計理論進行研究，提出了彈簧推力作用下準流體側向流質量流速公式. 本文針對某種準流體安全系統在生產和交驗過程中經常出現解保時間超差的問題，運用因果分析法，確定泄流孔結構是否影響準流體安全系統解保時間的主要因素.通過實驗，研究泄流孔結構尺寸對安全系統解保時間的影響，以總結準流體安全系統解保時間的規律性.

1 準流體安全系統交驗存在的問題

本文研究的準流體安全系統是非旋轉式準流體延期解除保險機構，被用在某型號引信上.該型安全系統采用準流體實現引信延期解除保險，具有環境適應性強(可用于高沖擊發射環境和碰靶前沖情況)、工作可靠、定時精度高、延時長、成本低的特點，屬于典型的引信延期解除保險定時器.但是該準流體安全系統在多年的生產和交驗過程中經常出現解保時間超差的問題.與之對應的是同批次安全系統(500～1 000發)全部拆分，對零(部)件進行復驗，重新混合微徑玻璃珠(充當準流體)，并重新裝配成安全系統，然后重新提交部件驗收，直到滿足交驗合格率100%為止.這就嚴重延遲了產品交付的日期，增加了工時成本，同時也嚴重影響企業的質量信譽和形象.可以說解決這一問題刻不容緩.

2 準流體安全系統解保時間超差問題的分析

將“準流體安全系統解保時間超差”作為需要解決的問題，把可能產生該問題的原因概括為5類，即人、機、料、法、環.這里將5類原因及其相關因素分別以魚骨分布態勢展開為圖1形式.

圖1 解保時間超差原因的魚骨分布態勢

通過對每一類原因中各種可能因素的分析可確定，造成解保時間超差問題的主要原因是準流體安全系統的結構設計問題.

3 準流體安全系統作用原理

本文研究的準流體安全系統主要由本體、慣性筒、閉鎖鋼絲、慣性筒簧、微徑玻璃珠、活塞、活塞簧、套環、分流塞、鋼球、滑塊、柱塞、保險銷、保險銷簧、滑塊簧等零(部)件組成(圖2).

(a) 慣性筒簧、活塞初始位置 (b) 活塞、滑塊初始位置

(c) 保險銷、滑塊裝配位置 (d) 解保后滑塊位置

1—本體 2—慣性筒 3—閉鎖鋼絲 4—慣性筒簧 5—微徑玻璃珠 6—活塞 7—活塞簧 8—套環 9—分流塞 10、13—鋼球 11—滑塊 12—柱塞 14—保險銷 15—保險銷簧 16—滑塊簧

圖2 準流體安全系統

彈丸發射時，慣性筒在后坐慣性過載作用下克服慣性筒簧的抗力，沿彈軸負方向運動.當慣性筒運動到其上端面低于側壁上的泄流孔位置時，充當準流體的微徑玻璃珠從腔室內開始流出(泄流).慣性筒繼續向彈軸負方向運動，而活塞在活塞簧彈力的作用下向彈軸正方向運動，同時為準流體泄流提供動力.當慣性筒運動到其上端面低于閉鎖鋼絲位置時，閉鎖鋼絲復位，阻擋了慣性筒向彈軸正方向運動的可能，從而為微徑玻璃珠泄流提供通路和空間，參見圖2(a).隨著活塞簧推動活塞排流，活塞一直向彈軸正方向運動，直到其下端面高于鋼球側孔時，鋼球才被釋放，參見圖2 (b).此時，滑塊約束解除，滑塊在滑塊簧推力的作用下運動，直至其另一端頂死在套環上，參見圖2 (d).與此同時，滑塊上的雷管正對傳火通道，傳爆序列對正.而此時保險銷在保險銷簧的推動下，向彈軸正方向運動，將鋼球推向滑塊的側槽位置，參見圖2 (c).保險銷最終被保險銷簧頂死在柱塞上，保險銷側壁將鋼球頂死在滑塊的側槽中，使滑塊鎖死在解保位置，安全系統可靠解除保險.解保后滑塊位置參見圖2(d).

在安全系統解保過程中，可以將微徑玻璃珠從占位腔室內流出(也叫泄流)的起始時刻定義為安全系統解保時間的計時起點，而將完成泄流且滑塊在滑塊簧推力作用下被頂死在極限位置(即解保位置)時刻定義為安全系統解保時間的計時終點.計時終點與計時起點的差值即為安全系統解保時間.整個解保過程是由慣性筒爬行、準流體泄流、滑塊滑動3個動作復合而成的.

圖3所示為影響準流體安全系統解保時間的因素分析圖.

圖3 影響準流體安全系統解保時間的因素分析圖

從圖3可以看出，影響慣性筒爬行的力有如下兩個：膛內后坐過載引起的慣性力，筒壁與腔室之間的摩擦力.彈丸發射過載達20 000 g，為慣性筒爬行的原動力.與之對應的摩擦力產生的反方向加速度可以忽略不計.通過計算可知，慣性筒爬行的時間約為0.316 2 μs.這一因素對安全系統解保時間的影響極其微小，可以忽略.而滑塊滑動時間的理論計算值和實測值均約為1 ms，對安全系統解保時間的影響不大，也可以忽略不計.因此，本文研究的重點將放在準流體泄流的動作上.

4 泄流孔結構對解保時間的影響

文獻[10-11]利用散體力學的分析方法對引信準流體機構設計理論進行了深入、系統的研究，得出了彈簧推力作用下準流體側向流的質量流速公式，即

(1)

式中：qm為顆?？卓诹鲃铀俾?g/s)；ρ為顆粒介質密度(g/cm3)；ah取重力加速度g，其值為980 cm/s2；Dc為腔室內徑(cm)；d為固體顆粒平均直徑(cm)；θ為顆粒休止角；K0為修正系數，通常取值為0.143 3，也可以由實驗確定.

根據式(1),可考慮對腔室內徑Dc進行調整.而腔室內徑的變化對準流體側向流質量流速的影響非常大，需要極精致的加工工藝來控制孔徑尺寸，在零件加工時很容易產生批量廢品，不符合工廠的成本、效率要求.

考慮水庫閘口(泄流口或泄流隧洞)的設計，對研究安全系統準流體泄流是一種啟發[13].水庫泄流口的設計通常采用四壁方口的結構形式，而且至少會有一壁為斜面.將這種斜面結構設計引入準流體安全系統泄流孔口的設計，對泄流口部進行斜面設計，在本體泄流孔口外側增設倒角，進行試驗驗證，以總結其規律.

圖4所示為泄流孔口外側無倒角的零件結構.

圖4 泄流孔口外側無倒角的零件結構

將圖定零件裝配成20套安全系統樣機進行解保時間測試(圖5).在泄流孔口外側增設C0.2倒角后解保時間測試結果如表1所示.對應于安全系統樣機的某型產品，驗收規范中規定安全系統解保時間的合格范圍為90～200 ms.

(a) 安全系統裝入測試裝置

(b) 讀取安全系統解保時間

表1 增設C0.2倒角后解保時間測試結果 ms

從表1可以看出，在20套樣機中有3套解保時間超差，即不合格品率為15%.

對安全系統樣機的本體泄流孔進行改造，在泄流孔外側增設C0.2倒角(圖6).在樣機編號不變的情況下，再次將每套零件組裝成安全系統，進行試驗測試.測試結果顯示，改造后20套安全系統解保時間全部合格，沒有超差品(表1).

圖6 泄流孔口外側增設C0.2倒角的零件結構

泄流孔口外側增設C0.2倒角改造前后，安全系統解保時間統計曲線如圖7所示.

圖7 增設C0.2前后安全系統解保時間統計曲線

從圖7可以看出，解保時間均值線由原來的m移動到了m′，向下移動約20 ms.

直線m對應改制前20套安全系統樣機的平均解保時間，可表示為：

(2)

式中：ti表示第i套安全系統樣機的解保時間；n表示樣機總數，這里n=20.

直線m′對應的是增設C0.2倒角后20套安全系統的平均解保時間，可表示為：

(3)

從安全系統解保時間曲線可看出，曲線變化趨勢接近于平移，向下移動了約20 ms.

試驗結果表明，泄流孔的結構是影響準流體泄流速率的主要因素，通過對原有安全系統泄流孔結構增設倒角，可以縮短安全系統的解保時間.

增大泄流孔口外側倒角是否會進一步提高泄流速率，從而使安全系統的解保時間繼續縮短？可通過試驗進行驗證.

首先將上述20套安全系統的本體取下，將泄流孔口外側倒角從C0.2擴大到C0.3(圖8)；然后按照編號將相應零件組裝成安全系統，進行解保試驗，并記錄測試結果(表2).

圖8 將倒角由C0.2擴大到C0.3的零件結構

表2 增設C0.3倒角后解保時間測試結果 ms

由表2可知，20套安全系統的解保時間無一發超差；將倒角增大到C0.3后，20套安全系統樣機的平均解保時間為165.45 ms，解保時間進一步縮短，比本體解保時間平均縮短約30 ms.在泄流孔口外側增設C0.3倒角改造前后，安全系統解保時間統計曲線如圖9所示.

圖9 增設C0.3前后安全系統解保時間統計曲線

從圖9可以看出，解保時間均值線由原來的m移動到了m″，解保時間曲線接近于平移，向下移動了30 ms.

對多次試驗進行總結，可得出通過改變泄流孔結構(在孔口外側增設倒角)縮短解保時間的經驗公式：

t′=t·(1-c)

(4)

式中:t′為改變泄流孔結構后安全系統的解保時間(ms)；t為泄流孔口外側無倒角情況下的解保時間(ms)；c為泄流孔結構系數.

經驗公式(4)的使用條件為：①適用于在量產前的摸底試驗；②應以抽取的既定樣件裝配安全系統，進行測試并記錄結果，以得到公式中的t；③泄流孔結構系數c需根據本批樣機在加工出倒角后的測試結果反推出來.

在實際生產中，因零件結構具有既定性和一致性，且施工前試驗又是工藝制定的必要環節，因此t與c是容易得到的.根據經驗公式(4)能夠指導和確定本體泄流孔加工的結構尺寸，從而為事前評估零件加工和安全系統裝配后的性能指標作出有意義的預判.

將上述研究應用于指導后續10個批次約9萬發產品的零件加工和部件裝配、檢驗，實現了產品一次交驗合格率100%.

5 結 論

(1) 準流體安全系統解保時間與泄流孔口外側倒角大小成線性關系，通過在本體泄流孔口外側增設倒角，可以有效縮短準流體安全系統的解保時間.

(2) 改進后，產品能夠順利交付，表明該方法正確，采取的措施有效.