引信鐘表保險機構抗振動弧形槽結構驅動板

周守鋒，王念魯，馬 楠，許 彬

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部駐西安地區第四軍代室，陜西 西安 710032)

0 引言

無返回力矩鐘表機構在引信上的應用可以追溯到半個多世紀以前，早在二戰期間，德國就在引信上設計了塔瓦羅式無返回力矩調速器，作為機械式延期解除保險機構。由于無返回力矩鐘表機構具有延遲時間的特性，絕大多數導彈和火箭彈引信的安全系統均采用這種機構解決勤務處理安全性和發射時可靠解除保險的矛盾[1]。無返回力矩鐘表機構作為一種延期解除保險機構，具有抗干擾能力強，能夠適應較為惡劣的外界環境，作用可靠等諸多優點，因此在導彈、火箭彈引信中被廣泛應用[2-3]。導彈及火箭彈引信常采用以發動機過載作為原動力的無返回力矩鐘表保險機構，其結構主要由慣性塊、保險板、鐘表裝置部件、驅動板部件等組成；結構形式通常是由慣性塊約束驅動板部件，驅動板約束保險板部件，保險板部件再約束住保險銷鎖定水平轉子處于保險位置。此種結構在溫度等非力學環境試驗后都能可靠工作，但是在經歷振動、沖擊等力學環境試驗后卻有可能出現引信不能可靠解除保險的問題。文獻[4]對雙滑塊驅動無返回力矩鐘表機構進行了理論分析，在VisualNastran軟件環境下進行了該機構參數最佳匹配規律研究，采用正交試驗和仿真研究該機構中雙滑塊質量參數最佳匹配、拉簧剛度和慣性簧剛度參數最佳匹配，解決在跌落、震動等沖擊時鐘表機構齒輪易折斷的問題，與本文討論的現象不一致。文獻[5]對齒輪齒條類型的鐘表機構因振動后產生磨損導致不解保的問題進行過研究，作者通過改善齒條正弦振動響應頻率降低磨損以提高保險機構抗振動性能，但其與本文討論的鐘表機構類型不同，問題原因也不同，方法不能直接借鑒。文獻[6]對使用相同類型鐘表機構的引信在振動試驗后不能解保的問題進行了分析，提出了用于克服振動危害的滑塊小鉤結構，該方法消除了驅動板部件與慣性塊側面的摩擦損傷。由于文獻[6]所采用保險機構的支撐簧設計抗力較高，其在振動試驗過程中，支撐簧抗力能夠克服慣性力以及驅動板壓力將慣性塊抵靠在蓋板上，從而在慣性塊與導向柱之間未出現磨損情況。但彈道環境發生變化，發射主動段過載減小，保險機構慣性解保閾值降低時，慣性塊支撐簧設計抗力相對較弱，在振動過程中，慣性塊會在慣性力以及驅動板壓力的作用下上下滑動，從而導致慣性塊與導向柱之間產生摩擦損傷。為此，本文提出了采用具有弧形槽結構的驅動板，提高鐘表保險機構抗振動性能。

1 傳統鐘表保險機構及改進后的慣性塊小鉤結構

1.1 傳統鐘表保險機構工作過程

如圖1所示，發射后，慣性塊感受彈主動段過載并克服支撐彈簧的抗力下滑，同時解除對驅動板部件的約束，驅動板部件在過載及保險板扭簧抗力作用下開始繞軸旋轉，并經過鐘表裝置的延時后釋放保險板，保險板是一個D型軸結構，當它轉動到豎直位置后釋放保險銷，并最終解除引信的慣性保險。

從工作過程可以看出，這是一個串聯的動作過程，受力也是依次傳遞，如圖2所示。保險板部件在扭簧力矩M1的作用下繞O1旋轉,被驅動板部件擋住,并壓在驅動板部件上的A點,驅動板部件受到保險板部件的壓力N1后繞O2旋轉,又壓在慣性塊的側面B點上,并最終達到力平衡。

圖1 傳統鐘表保險機構Fig.1 Conventional clockwork arming device

圖2 傳統鐘表保險機構受力關系圖Fig.2 Conventional clockwork arming device force diagram

1.2 慣性塊小鉤結構

文獻[2]針對上述結構的鐘表保險機構振動試驗后不能可靠解除保險的問題進行過分析。圖2中，傳統鐘表保險機構驅動板部件的釋放銷壓在慣性塊的側面B點位置，振動試驗后在慣性塊的表面B點處形成摩擦損傷，使摩擦系數增大,造成慣性塊沿導向柱向下運動的摩擦力增大,最終導致機構不解除保險。

為此提出的解決辦法是給慣性塊底部側下方增加一個小鉤，如圖3所示。在保險位置利用小鉤將驅動板部件的釋放銷鉤起，使釋放銷與慣性塊側面脫離接觸，消除釋放銷與慣性塊側面的摩擦。受力圖見圖4，慣性塊增加小鉤后，驅動板部件的釋放銷壓在慣性塊的小鉤上，慣性塊受力由原來的水平方向變成了豎直方向，作用點也由慣性塊的側面B點變成了小鉤上的C點。改變了受力點以后，磨損的位置也由B點變到C點，而在C點形成的摩擦損傷并不影響慣性塊的上下運動，也就不影響機構解除保險。

當彈道環境發生變化，發射主動段過載減小，保險機構慣性解保閾值降低，慣性塊的支撐彈簧抗力進一步減小時，采用文獻[2]提出的改進方法在引信振動試驗后卻出現了新的零件磨損的情況，慣性塊與導向柱之間產生了新的摩擦損傷，導致慣性保險不能可靠解除，因此需要采用新的改進方法。

圖3 增加小鉤的慣性快Fig.3 Inertia block with small hook

圖4 小鉤結構慣性快受力圖Fig.4 Inertia block with small hook force diagram

2 弧形槽結構驅動板

針對上述問題，本文提出采用具有弧形槽結構的驅動板來改變慣性塊的受力，改善零件之間的磨損情況，解決慣性保險不能可靠解除的問題。

改進后的鐘表保險機構如圖5所示。在驅動板上增加一個與轉軸同心的弧形槽，保險板改短并在端部橫向伸出一個擋銷，引信保險狀態時擋銷抵靠在弧形槽內側，保險板部件受扭簧逆時針方向旋轉的力矩通過擋銷最終作用在弧形槽內側。

圖5 改進后的鐘表保險機構Fig.5 Improved clockwork arming device

改進后的鐘表保險機構受力圖見圖6。保險板扭簧的力矩M1通過擋銷作用在驅動板部件弧形槽的A點上，該作用力N1方向沿弧形槽圓弧半徑方向向外，由于這個力的作用方向通過驅動板部件的旋轉中心，故不會對驅動板部件產生附加的力矩，驅動板部件沒有了轉動力矩就和慣性塊之間脫離了接觸，消除了相互作用的力，使慣性塊處在一個較自由的狀態，有利于減小振動磨損。同時，驅動板部件沒有了附加力矩，僅在慣性力的作用下才能轉動，而且與保險板部件的相互抵靠又增加了驅動板運動的阻尼，使驅動板部件對跌落、沖擊等瞬時過載環境更加不敏感，有利于提高引信勤務處理中的安全性。

圖6 改進后的鐘表保險機構受力關系圖Fig.6 Improved clockwork arming device force diagram

3 理論分析及試驗驗證

3.1 理論分析

通過分解試驗后不解保的保險機構，檢查發現，慣性塊與導向柱配合面上有嚴重的摩擦損傷，零件表面鍍層已經破壞，如圖7所示。分析認為正是這些磨損增大了慣性塊滑動的摩擦力，致使慣性塊滑動受阻，最終導致保險不能可靠解除。

圖7 磨損的導向柱Fig.7 Worn guide post

要分析這些磨損是怎么產生的，需要分析慣性塊的受力，通過圖8受力分析圖可以看出，慣性塊在保險位置時受到的力有4個：支撐彈簧的抗力f，方向豎直向上；釋放銷對慣性塊的壓力F，作用點在小鉤上，方向豎直向下；另外由于慣性塊與導向柱之間配合間隙的存在，導致慣性塊導向孔的上下邊沿與導向柱接觸表面形成兩個點壓力N1和N2。由于支撐彈簧抗力f與釋放銷的作用力F方向相反，且不在一條直線上，這就對慣性塊產生一個力矩，根據力的平衡原理，在慣性塊導向孔上下沿會產生一組大小相等，方向相反，且在一個平面內的力組N1和N2，這兩個力的存在就導致慣性塊內孔的上下邊沿與導向柱表面形成兩個應力集中點。在引信振動試驗過程中，慣性塊上下滑動與導向柱摩擦，應力集中點的存在又加劇了這種摩擦，通過對比試驗后的導向柱和慣性塊的摩擦印記，也能對應應力集中點的位置。在經過一系列長時間的振動試驗后，慣性塊的內孔和導向柱面均被摩損，致使慣性塊滑動摩擦力增大，最終導致引信不能可靠解除保險。

圖8 慣性塊受力圖Fig.8 Inertia block force diagram

文獻[2]中的保險機構沒有發現這個問題，分析原因是由于其支撐彈簧的抗力大，能夠將慣性塊支撐并抵靠在蓋板上，使慣性塊的受力得到改善，姿態穩定，沒有應力集中點，避免了這種邊棱摩擦的情況。

結合以上分析，要想提高引信振動試驗后解保可靠性，就要減小振動過程中的磨損。具有弧形槽結構的驅動板則通過改善慣性塊的受力，能夠減小零件磨損，提高機構抗振動性能。

驅動板部件受力見圖6，保險板伸出的擋銷靠在弧形槽內側，這樣保險板部件的扭矩力M就通過弧形槽作用在驅動板部件上，驅動板部件受到的這個力F的作用方向通過驅動板部件的轉軸中心O，這就不會對驅動板部件產生附加力矩，形成了保險板部件與驅動板部件相互抵靠的狀態。

改善后慣性塊受力如圖9所示，驅動板部件沒有了旋轉力矩，釋放銷對慣性塊壓力F沒有了，根據力矩平衡，慣性塊與導向柱之間的兩個應力N1、N2也消除了，所以慣性塊原來受到的力F、N1、N2均為零。慣性塊僅受到支撐彈簧的抗力f和蓋板對其的壓力N，其受力狀態得到改善，振動試驗時慣性塊與導向柱之間是自由滑動狀態，沒有應力集中點，減小了振動時慣性塊與導向柱的磨損，使滑塊在過載力作用下能夠順利滑動到解保位置，保證機械保險可靠解除。因此這種弧形槽結構的驅動板能夠解決振動后慣性保險不能可靠解除的問題。

圖9 改善后慣性塊受力圖Fig.9 Improved inertia block force diagram

另一方面，驅動板部件沒有了附加力矩，僅在感受到主動段彈道過載的慣性力作用下才能轉動，而且與保險板部件的相互抵靠又增加了驅動板運動的阻尼，使驅動板部件對跌落、沖擊等瞬時過載環境更加不敏感，有利于提高引信勤務處理中的安全性。

3.2 試驗驗證

改進前的12發產品試驗情況見表1。

表1 改進前試驗情況

從表1可以看出，改進前的12發產品在振動試驗前解保都正常，振動試驗后只有4發正常，其余8發均未在規定過載范圍內解保。

改進后的12發產品試驗情況見表2。

表2 改進后試驗情況

從表2可以看出，改進后的12發產品在振動試驗前后均正常解保。從試驗后引信分解檢查情況看，慣性塊與導向柱之間基本沒有磨損痕跡，其余各部件也都正常。

4 結論

本文提出了引信鐘表保險機構采用具有弧形槽結構的驅動板。該結構能夠改善慣性塊的受力，消除驅動板部件造成的壓力，使慣性塊僅受支撐彈簧的抗力，能夠較穩定地抵靠在蓋板上，消除應力集中，減小了振動過程中的磨損，保證引信慣性保險能夠可靠解除，同時引信的安全性也得到一定的提高。理論分析和試驗驗證表明，采用這種結構的鐘表保險機構在振動試驗前后均能正常解除保險，因此采用具有弧形槽結構的驅動板能夠有效提高鐘表保險機構抗振動性能。