磁流变液延期解除保险机构等效旋转试验平台

胡　明，王　炅，王新杰，刘　滨，王军红

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京　210094；2.西北工业集团有限公司，陕西 西安　710043)



磁流变液延期解除保险机构等效旋转试验平台

胡明1，王炅1，王新杰1，刘滨2，王军红2

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094；2.西北工业集团有限公司，陕西 西安710043)

针对旋转离心机装配后机构存在偏心、预加载时间较长和加载转速限制等问题，提出了磁流变液延期解除保险机构等效旋转试验平台。该平台把旋转问题转化为了单向加载问题，从而实现了等效旋转，能在3ms内完成预加载，可精确加载到极高转速对应的载荷，能够精确测量磁流变液引信延期解除保险时间。等效旋转试验误差分析表明，经修正后等效旋转试验平台的等效误差不大于5%，能够很好地等效弹丸实际旋转时磁流变液的泄流情况。

延期解除保险时间；等效旋转；试验平台；等效误差

0　引言

磁流变液是一种近几十年迅速发展的智能材料。在无外加磁场时，它具有良好的流动性，在外加磁场的作用下，它能在毫秒级时间内转变为类固态，这种转变可控可逆，称之为磁流变效应[1]。磁流变效应使其具有广泛的工程和军事应用前景[2-3]，可应用于阻尼原件、控制原件、精密加工、光学加工和机械密封等。

引信磁流变液延期解除保险机构[4]是把磁流变液应用于引信的一种新型延期解除保险机构，具有勤务处理与发射安全性高、延期解除保险距离可控、散布低、解除保险可靠性高、结构简单、经济实用等优点。

延期解除保险时间是引信磁流变液延期解除保险机构的一项关键性能指标。目前，对磁流变液引信的静态试验仍采用旋转离心机测试其延期解除保险性能。但是，由于装配到旋转离心机上时可能会导致机构偏心，使得旋转很不稳定，影响试验的正常进行，而且旋转离心机加载到指定转速需要一定的时间，这会严重影响对延期解除保险时间的测量，并且加载的转速一般很难达到70 000 r/min以上，不能满足一些小口径炮弹转速要求。本文针对上述问题，提出了磁流变液延期解除保险机构等效旋转试验平台。

1　磁流变液延期解除保险机构

磁流变液延期解除保险机构如图1所示，工作原理为[4]：勤务处理时，转子由于活塞和后坐销的限制不能旋转，磁流变液在永磁体的作用下呈类固态限制活塞移动，机构处于隔爆状态。弹丸发射后，在后坐力的作用下，后坐销解除对转子的限制，永磁体剪断剪切销并脱落，磁流变液转变为液体；在离心力的作用下，磁流变液在活塞的推力和自身的离心力的作用下开始泄流，泄流完时，活塞解除对转子的限制。转子在离心力的作用下转子，雷管和导爆管对正，引信处于待发状态。

2　等效旋转试验平台设计

延期解除保险时间是磁流变液延期解除保险机构的关键性能指标。在该机构中，延期解除保险时间是靠磁流变液的泄流来实现，因此，利用静态试验精确测量磁流变液的泄流时间是引信磁流变液延期解除保险机构的技术重点和难点之一。

2.1试验平台设计

结合磁流变液延期解除保险机构工作原理，该等效旋转平台需具有如下特性：

1)炮弹发射时，炮弹的转速从零到最大值只需要很短的时间，因此试验平台需在3 ms内加载到指定转速相对应的载荷，才能准确测量磁流变液的泄流时间。若加载时间太长，会导致磁流变液在加载时过多的泄流，而使得测得的延期解除保险时间偏短。

2)炮弹在飞行过程中，在磁流变液受到离心的作用开始泄流，在此期间，液桶内磁流变液的量会随着泄流而减少，磁流变液和活塞的偏心距会随着泄流而增大，因此，试验平台对活塞施加的力会随着活塞的移动而变化，具体数值在受力分析中进一步分析。

3)该试验平台需能够测试磁流变液泄流时间，即磁流变液引信延期解除保险机构延期时间，从而根据炮口初速，可推算出延期解除保险距离。

弹丸发射后，弹丸的高速旋转会导致磁流变液引信受到离心力作用，在离心力的作用下，磁流变液在活塞的推力和自身的离心力的作用下开始泄流。离心力是一个矢量，方向一直沿着液桶的轴线方向，若把液桶、活塞、液桶端盖和磁流变液看成静止不动的，那么它们所受到的离心力的方向保持不变，若只对活塞施加一个载荷，载荷的大小等于弹丸高速旋转时磁流变液和活塞所受的离心合力，可等效磁流变液在弹丸旋转时的泄流。在磁流变液泄流过程中，和泄流有关的部件主要有活塞、液桶、液桶端盖和磁流变液，因此，只需要取这些部件来进行等效旋转试验。

根据以上对机构特性及磁流变液泄流的分析，对磁流变液延期解除保险机构等效旋转试验平台进行设计。等效旋转试验平台如图2所示，电脑伺服压力试验机为试验平台的主要设备，在该试验机上装有位移传感器、力传感器和激振器。力传感器与活塞接触，用于测量活塞受力大小；位移传感器用于测量活塞位移，并且位移传感器与力传感器串联，这样可以测得在某位移所对应的输出力；激振器用以产生激励力，并和力传感器连接，激振器产生的激励力传递给力传感器，而后力传感器推动活塞。

等效旋转试验平台的原理具体为：

1)在开始试验之前，向控制系统输入磁流变液延期解除保险机构结构参数、磁流变液特性参数和弹丸转速等目标参数，控制系统根据目标参数得到理论F-X曲线，理论F-X曲线为弹丸旋转时磁流变液所受到的合力随活塞位移变化的F-X曲线。

2)开始试验时，先进行预加载。控制系统给激振器一个输出信号，在3 ms内迅速增加输出力，同时力传感器给控制系统反馈力信号，当反馈的力信号达到理论初始力大小时，位移传感器开始测量活塞位移，并开始计时。

3)预加载完成后，在任意活塞位置，位移传感器给控制系统反馈活塞位移信号，控制系统根据反馈的位移值和理论F-X曲线得到该位移所对应的理论输出力大小，同时控制系统根据力传感器反馈的该位移实际输出力大小与理论输出力大小相比较，调节输出力大小，使它接近理论输出力大小，当反馈的力信号(实际输出力大小)小于该位移所对应的理论输出力时，控制系统增大输出力，反之，则减小输出力。如图3所示，在整个过程中，等效旋转试验平台采无数个位移点，从而构成输出F-X曲线，并且使得输出的F-X曲线不断逼近理论F-X曲线，从而达到等效离心力的效果。

图3　控制面板Fig.3　Control panel

4)试验结束后，控制系统显示磁流变液的泄流时间。

2.2受力分析

选取炮弹的轴心和活塞轴心的交点为原点，活塞轴线方向为X轴，垂直活塞轴线方向为Y轴，建立磁流变液泄流模型如图4所示。

机构在旋转过程中，磁流变液泄流时所受到的力主要包括活塞对磁流变液的推力F1和自身的离心力F2。由于液桶长度很短，可忽略磁流变液在液桶中流动因摩擦力造成的沿程压力损失。在磁流变液泄流过程中，活塞在只有偏心距的变化，磁流变液的偏心距也在变化，同时它的量会随着泄流而减少，因此在磁流变液泄流时它所受到的合力为：

F=F1+F2=m1ω2(a+x)+

(1)

式中，m1为活塞质量，m2为未泄流时磁流变液的质量，x为泄流时活塞的位移，a为未泄流时活塞质心到炮弹旋转轴的距离，b为未泄流时活塞外端面与炮弹旋转轴的距离，c为未泄流时磁流变液的长度，ω为炮弹转速。

图4　泄流模型Fig.4　discharge model

在等效旋转试验平台的控制系统中，输入以下目标参数：活塞质量m1(kg)；未泄流时活塞质心到弹轴的距离a(m)；未泄流时活塞外端面与弹轴的距离b(m)；未泄流时磁流变液的长度c(m)；液桶半径r(m)；磁流变液密度ρ(kg/m3)；转速ω(rad/s)。

可得到活塞受力随活塞位移变化的理论F-X曲线，其中磁流变液质量m2=πr2cρ。

在实际旋转过程中，磁流变液除了受到活塞推力、自身离心力和内部的摩擦力的作用外，还受到科氏力的作用。科氏力的方向和离心力的方向相垂直，对磁流变液的泄流没有直接影响，但影响整个流场分布，在流场分析中进行分析。

2.3流场分析

等效旋转时的环境力和弹丸实际旋转时的环境力主要的区别在于磁流变液的受力方式不同。弹丸实际旋转时，磁流变液受到活塞的推力(力的大小等于活塞受到的离心力)和自身的离心力，同时在磁流变液泄流时，磁流变液会受到科氏力作用；等效旋转时把磁流变液和活塞受到的离心力都转换成活塞对磁流变液的推力，并由电脑伺服压力试验机提供对活塞的推力，从而活塞推动磁流变液进行泄流。为了验证它们的等效性，用Fluent软件对其进行仿真分析。

2.3.1仿真过程

1)有限元模型建立

采用自由划分网格，对泄流孔处网格进行局部加密，建立机构有限元模型。

2)施加边界条件

壁面采用固定壁面条件。等效机构的进口边界施加活塞对磁流变液的压强，出口压强为大气压强。编写UDF，对弹丸实际旋转时的磁流变液区域施加离心力和科氏加速度。

3)参数设置

设置材料参数：采用自制的磁流变液，其密度ρ=5.6g/cm3，粘度η=1.5Pa·s。

2.3.2仿真结果及分析

从图5和图6中可以看出，等效旋转时内部流场很均匀，流体流动速度基本一致，而实际旋转时内部流场并不均匀，流体流动速度有少许差异，这主要是由于科氏力的影响造成的；从泄流孔处的磁流变液的流速可以看出，等效旋转时磁流变液最大速度为6.61m/s，实际旋转时磁流变液最大速度为7.33m/s，速度差异不大。可见，等效旋转时可进行参数修正，从而更加接近真实的泄流情况。从整体上看，等效旋转和弹丸实际旋转有一定的等效性。

图5　等效旋转时磁流变液泄流仿真Fig.5　Discharge simulation of MRF in equivalent rotation

图6　实际旋转时磁流变液泄流仿真Fig.6　Discharge simulation of MRF in actual rotation

通过对磁流变液泄流时的受力和流场分析，表明该等效旋转平台可等效磁流变液在弹丸实际旋转过程中的泄流，但有一定的误差存在。

3　等效旋转试验误差分析

3.1等效误差原因及修正参数的引入

从流场分析来看，等效旋转和实际旋转有一定的误差存在，为了能够更加接近真实的泄流情况，从而得到更加准确的泄流时间，对等效旋转试验平台进行误差分析和参数修正。

根据文献[5]，并参考图4，磁流变液的泄流时间计算公式为：

(2)

式中，m1为活塞质量，a为未泄流时活塞质心到炮弹旋转轴的距离，b为未泄流时活塞外端面与炮弹旋转轴的距离，c为未泄流时磁流变液的长度，r0为泄流孔半径，ω为转速，r为液桶半径，Cd为流量系数，ρ为磁流变液密度。

由式(2)可见，对于确定的机构，机构的r，a，b，c，m1是定值，泄流孔流量Q是决定泄流时间的主要参数，由流体力学知识可得泄流孔的流量Q为：

(3)式中，A0为泄流孔截面积，ΔP为小孔入口处的压强。其中，流量系数Cd与泄流孔半径r0、泄流孔长度h、雷诺数Re有关，因此Cd与磁流变液的粘度μ有关[5]；小孔入口处压强ΔP与弹丸转速ω有关；泄流孔半径r0直接关系着泄流孔面积A0。可见，泄流孔径r0，弹丸旋转速度ω，磁流变液粘度μ是影响泄流时间的三大要素。因此，等效误差分析因从该三大要素入手。

改变弹丸转速、泄流孔半径及磁流变液粘度进行多次仿真分析发现，实际旋转时小孔入口压强均比等效旋转时小孔入口压强高8.6%左右，如图7和图8所示，可以推断在仿真条件相同的情况下，等效旋转试验平台造成的误差主要是由于磁流变液的受力方式不同而导致机构小孔入口处压强ΔP不同造成的。在实际旋转时，磁流变液的内部压强分布是递增的形式，越靠近泄流孔处的磁流变液的偏心距越大，所对应的离心力就越大，而等效旋转时磁流变液受到的合力是根据磁流变液整体的偏心距来计算的，故此对等效旋转试验平台进行压力补偿，即在受力公式(1)中添加一个偏心修正系数ε，使得泄流孔入口处的压强更加接近实际旋转时的压强：

(4)

其中，当ε=1.1，可使得小孔入口处压强提高8.6%。

图7　等效旋转时压强分布图Fig.7　The distribution of pressure in equivalent rotation

图8　实际旋转时压强分布图Fig.8　The distribution of pressure in actual rotation

3.2修正后等效误差验证

引入偏心修正参数后，分别改变三大要素中的一个要素，经过多次仿真，延期解除保险时间对比图如图9—图11所示。

图9　弹丸转速-延期时间曲线图Fig.9　The curve of rotation and delay time

图10　泄流孔半径-延期时间曲线图Fig.10　The curve of discharge and delay time

图11　磁流变液粘度-延期时间曲线图Fig.11　The curve of MRF viscosity and delay time

可见，等效旋转试验平台进行引入偏心修正参数后，磁流变液在不同条件下的泄流均接近实际情况，其等效误差不大于5%，能很好地等效弹丸实际旋转时磁流变液的泄流情况。

4　结论

本文提出了磁流变液延期解除保险机构等效旋转试验平台。该平台把旋转问题转化为了单向加载问题，从而实现了等效旋转，使得机构不存在偏心问题，大大增加了静态试验的稳定性和可靠性；该平台能在3 ms内加载到指定转速对应的载荷，完成预加载，保证了对磁流变液泄流时间测量的精确度；该平台可精确加载到极高转速对应的载荷，满足各种炮弹转速需求；该平台可显示泄流时间，不需要外加计时设备，优于旋转离心机。等效旋转试验误差分析表明，等效误差主要是由于磁流变液的受力方式不同，导致流体内部压强有所差异而造成的，引入偏心修正参数后，其等效误差不大于5%，能够很好地等效弹丸旋转时磁流变液的泄流情况。

[1]周云,谭平.磁流变阻尼控制理论与技术[M].北京:科学出版社,2007.

[2]唐龙，卢利平，岳恩，等.磁流变液的研究与应用[J].重庆理工大学学报，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]陆静，王炅，常娟.引信旋转式磁流变液延期解除保险机构研究[J].探测与控制学报，2009,31(3):14-18.

[5]郑彩军，王卫青，王炅，等.磁流变引信保险机构保险时间散步因素分析[J].探测与控制学报，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

国家自然科学基金项目资助(51175265)

胡明(1989—)，男，四川绵阳人，博士研究生，研究方向：引信机构。E-mail:18652088301@163.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2016)04-0015-05