火工驅(qū)動開蓋裝置研究

袁 森,陳國光,李 帥,董曉芬

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051)

(2.中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,山西 太原 030051)

近十多年才出現(xiàn)的水下預(yù)置武器系統(tǒng),對新時代水下對抗體系的發(fā)展極其重要。俄羅斯、美國、印度等大國都正在積極開發(fā)水下預(yù)置武器系統(tǒng)[1-3]。預(yù)置武器主要是以隱蔽的方式提前安裝于水下[4-5]。如美國近年來開展的海德拉(Hydra)計劃、俄羅斯的賽艇計劃都將預(yù)置武器納入了未來裝備規(guī)劃[6-7]。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展和科技進(jìn)步,對武器系統(tǒng)的可靠性、安全性和高效性提出了更嚴(yán)格的要求。特別是在復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境下,武器系統(tǒng)必須具備高精度和快速反應(yīng)能力。對于預(yù)置武器在復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境下如何快速打開蓋子進(jìn)行發(fā)射成為研究的重點(diǎn),并受到廣泛關(guān)注。

火工驅(qū)動系統(tǒng)采用的特種火工藥劑具有較高的可靠性和安全性,能夠確保子武器系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下正常使用。為此,本文設(shè)計了一款火工驅(qū)動開蓋系統(tǒng),將火工品和機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)快速開蓋的功能。

1 火工驅(qū)動開蓋裝置設(shè)計

1.1 開蓋裝置結(jié)構(gòu)組成及功能

開蓋裝置組成部件如圖1所示,主要由起爆盒、分離機(jī)構(gòu)、作動機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)等組成。

圖1 開蓋裝置組成示意圖

開蓋裝置作動狀態(tài)示意圖如圖2所示。其主要功能如下:當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)送“點(diǎn)火”指令后,起爆盒接收到開啟指令,200 ms之后爆炸螺栓與前蓋脫離,進(jìn)入待發(fā)狀態(tài);之后彈射筒和推沖器同時作用于前蓋,彈射筒推動滑塊沿導(dǎo)軌向上滑動,帶動連桿作用于前蓋連接板,前蓋繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,當(dāng)前蓋翻轉(zhuǎn)大于90°時,前蓋會脫離筒體,完成開蓋過程[8]。

圖2 開蓋裝置作動狀態(tài)示意圖

1.2 開蓋分離機(jī)構(gòu)設(shè)計

開蓋分離機(jī)構(gòu)主要由爆炸螺栓、收緊套筒和柱銷組成,且對稱安裝在導(dǎo)彈艙內(nèi)壁。爆炸螺栓的作用是在接到動作信號后,與分離機(jī)構(gòu)分離實(shí)現(xiàn)開蓋解鎖。柱銷用于連接武器艙前蓋和收緊套筒。收緊套筒兩端預(yù)留有螺紋接口,可與轉(zhuǎn)接桿相連接,主要用于前蓋與發(fā)射筒的收緊。開蓋分離機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 開蓋分離機(jī)構(gòu)模型

開蓋分離機(jī)構(gòu)中的爆炸螺栓主要由殼體、電爆管、隔板體和剪切塞等組成,結(jié)構(gòu)如圖4所示。爆炸螺栓主要部件功能見表1。本文設(shè)計的爆炸螺栓是無污染爆炸螺栓,內(nèi)部設(shè)計為隔板式閉氣結(jié)構(gòu),作用后無飛濺物。其工作原理是接收到分離信號后,隔板點(diǎn)火器產(chǎn)生強(qiáng)大的爆炸壓力使剪切塞運(yùn)動,當(dāng)剪切塞的推頂力大于螺栓本體薄弱環(huán)節(jié)的抗拉強(qiáng)度時,螺栓斷裂分離。

表1 爆炸螺栓各部件功能

圖4 爆炸螺栓結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 開蓋作動機(jī)構(gòu)設(shè)計

開蓋作動機(jī)構(gòu)主要由推沖器、彈射筒、導(dǎo)軌、滑塊、連桿等組成。推沖器和彈射筒用于提供前蓋開啟動力,當(dāng)接收到開啟指令,彈射筒和推沖器動作,彈射筒推動滑塊沿導(dǎo)軌向上滑動,帶動連桿作用于前蓋連接板,前蓋繞軸轉(zhuǎn)動。作動機(jī)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 作動機(jī)構(gòu)模型圖

在開蓋裝置的作動機(jī)構(gòu)中,推沖器和彈射筒屬于火工品[9],它們的基本結(jié)構(gòu)類似,僅裝藥量不同,結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 推沖器和彈射筒結(jié)構(gòu)示意圖

推沖器和彈射筒各部件功能見表2,工作原理:電起爆器起爆后點(diǎn)燃裝藥殼體內(nèi)的裝藥,起到爆轟作用,推動活塞前進(jìn)一段行程,達(dá)到開蓋的目的。

表2 推沖器和彈射筒各部件功能

2 火工品裝藥設(shè)計及校核

2.1 推沖器裝藥量設(shè)計及校核

設(shè)定推沖器推力為15 kN,則推沖器內(nèi)部壓力F滿足:

(1)

式中:S為壓力作用于活塞端面的面積;P為壓強(qiáng),經(jīng)計算為14.7 MPa。根據(jù)諾貝爾-阿貝爾方程,在密閉容腔內(nèi),燃燒室的壓力服從以下方程:

(2)

式中:P1為燃燒室峰值壓強(qiáng),Pa;f為火藥力,取1.01×105kJ/kg;α為火藥余容,取0.95 dm3/kg;V為藥室體積,取2.23×10-6m3;w為裝藥量,kg。根據(jù)計算,裝藥量最終確定為3.5 g。

圖7 推沖器及彈射筒薄弱斷裂面

2.2 彈射筒裝藥量設(shè)計及校核

根據(jù)諾貝爾-阿貝爾方程,在密閉容腔內(nèi),燃燒室的壓力同樣服從公式(2),f取1.01×105kJ/kg,α取0.95 dm3/kg,V取π×0.0112×0.011 m3,裝藥質(zhì)量w經(jīng)計算為3.5×10-3kg。

2.3 爆炸螺栓裝藥設(shè)計及校核

在GJB/Z 377A—94規(guī)定下進(jìn)行變藥量的升降法試驗(yàn),得到感度參數(shù)分布為:感度均值參數(shù)μ=583.3,感度方差σ=0.791,可靠度(置信區(qū)間)R=0.999(r=0.90)對應(yīng)的最大發(fā)火率(響應(yīng)概率)P0為0.999 75,將以上參數(shù)代入式(3),可得到裝藥量的估計值。

(3)

經(jīng)計算,m=586.6 mg,在此基礎(chǔ)上,取裕度1.2計算,主裝藥量設(shè)計值為700±20 mg。

由于單個收緊套筒承載能力需大于等于20 kN,因此爆炸螺栓在收緊套筒內(nèi)需承受拉壓力。此外還應(yīng)具有一定的抗扭能力,爆炸螺栓采用3.5倍安全裕度,即單個爆炸螺栓承載能力需大于等于70 kN。

分離機(jī)構(gòu)螺栓拉斷斷裂面如圖8所示,根據(jù)材料手冊,本體所用1Cr11Ni2W2Mo V耐熱鋼棒的抗拉強(qiáng)度極限σb1=880 MPa。由機(jī)械強(qiáng)度理論可知,許用剪切應(yīng)力[σ]為:

圖8 螺栓拉斷斷裂面

[σ]=σb1/n

(4)

式中:n為材料安全系數(shù),n=1.25～1.50。

剪切面積S3為:

S3=2πr3L

(5)

式中:r3為剪切面半徑,m;L為剪切面軸向長度,m。將r3=0.007 m、L=0.003 m代入式(5)中,求得S3=0.000 131 9 m2。由強(qiáng)度理論可知,螺栓被拉斷所需的最小力Fmin為許用剪切應(yīng)力和剪切面積的乘積:

Fmin=P3S3≥[σ]·S3

(6)

式中:P3為螺栓拉斷截面受到的壓強(qiáng),Pa。

經(jīng)計算,螺栓最大拉斷力為111.5 kN。經(jīng)拉斷力試驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)際拉斷力為105 kN,滿足設(shè)計要求。

3 箱體開蓋過程的仿真分析

3.1 仿真模型的建立

對開蓋作動機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化,把對推沖器和彈射筒的力用ADAMS軟件中STEP函數(shù)代替[10]。STEP函數(shù)定義為F=STEP(x,x0,h0,x1,h1),其含義為:

(7)

式中:x為變量,x0和x1為變量x的初始值和終止值,h0和h1為對應(yīng)于x0和x1的函數(shù)值,h表示由STEP函數(shù)自動擬合給出的值。根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo),彈射筒的力用STEP(time,0,20000,0.01,0)表示,推沖器的力用STEP(time,0,15000,0.01,0)表示。模型如圖9所示。

圖9 仿真模型簡化圖

為了保證仿真正常進(jìn)行,需要對其施加相關(guān)約束,主要有地面和筒底的接觸約束、蓋子和筒壁的約束,在ADAMS中主要用特殊約束力——接觸力(Contact)來表示各種類型的接觸約束。接觸類型為實(shí)體對實(shí)體,其接觸參數(shù)設(shè)置見表3。表中:k為剛度系數(shù),c為阻尼系數(shù),e為力指數(shù),d為滲透深度,vs為靜摩擦轉(zhuǎn)換速度,vd為動摩擦轉(zhuǎn)換速度,mus為靜摩擦系數(shù),mud為動摩擦系數(shù)。

表3 接觸參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果分析

在ADAMS軟件中設(shè)置仿真終止時間為2 s,仿真步長為1 000步。設(shè)置地面標(biāo)記點(diǎn),測量仿真過程中前蓋的角度及角速度隨時間變化情況,如圖10、11所示。從圖中可看出,開蓋裝置可以在1 s內(nèi)完成開蓋,能及時完成發(fā)射任務(wù)。開蓋過程中,在推沖器和彈射筒的作用下使得其打開蓋子的角速度比較大,使得其穩(wěn)定性不足,有讓筒傾倒的危險。由于受到空氣阻力和地面摩擦阻力的作用,筒蓋晃動在1.5 s左右才逐漸趨于平穩(wěn)。圖11中曲線出現(xiàn)抖動的原因是開蓋過程中筒晃動所致。相較于傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動開蓋技術(shù)啟動速度慢、占用體積大的缺點(diǎn),其能更好地完成發(fā)射任務(wù)。

圖10 前蓋角度變化曲線

圖11 前蓋角速度變化曲線

3.3 試驗(yàn)過程設(shè)計

各受試及參試設(shè)備在地面安裝到位、調(diào)試完畢后,開始執(zhí)行如圖12所示的試驗(yàn)流程。

圖12 試驗(yàn)流程

3.4 地面試驗(yàn)結(jié)果分析

驗(yàn)證開蓋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及電氣設(shè)計的合理性后,對開蓋機(jī)構(gòu)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行考核,順利完成既定的開蓋動作,開啟時間為0.4 s。從試驗(yàn)高速影像及仿真結(jié)果截取的部分圖像如圖13所示,仿真和試驗(yàn)的相同時序前蓋打開所對應(yīng)的角度大致相同。

圖13 仿真與試驗(yàn)時序圖對照

4 結(jié)束語

試驗(yàn)證明火工驅(qū)動開蓋裝置可在0.4 s完成開蓋動作,相比傳統(tǒng)電機(jī)在開蓋裝置中的應(yīng)用,火工驅(qū)動的快速開蓋特性使得該裝置在軍事領(lǐng)域具有巨大的潛力,有望取代傳統(tǒng)的電機(jī)開蓋方式,但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)該裝置仍面臨一定挑戰(zhàn)。例如該方案的安全性、可靠性還需要做進(jìn)一步的研究,以確保在使用過程中不會發(fā)生意外或故障。本文的試驗(yàn)及仿真僅驗(yàn)證了在地面隱蔽開蓋的可行性,而對于更加復(fù)雜的水下試驗(yàn)環(huán)境,需要進(jìn)行更加精確的設(shè)計研究來完善該裝置。