引信用电磁拔销器电磁力测试方法

周 伟，张 力，邱强强

(1.北京理工大学，北京 100081;2.西北工业集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

高技术武器装备不断发展,使现代战争模式和战场空间发生了根本性变化，点目标精确打击对引信安全系统提出了更高要求[1]。单纯依靠感知环境力解除保险的传统引信机构被取代的趋势不可逆转[2]。电磁保险机构应运而生，该机构被广泛运用在机电引信设计中[3-4]。

电磁拔销器因其原理简单，信号可反馈，安全状态可恢复等优点不断得到优化[4-5]。勤务处理过程中拔销器在非解除保险状态下，保险销安全位置的保持依靠弹簧等部件提供自锁力，发射过程中解除保险则需要克服压缩弹簧抗力，因此电磁拔销器保险销在运动过程中关键位置电磁力的大小将对弹簧等弹性部件设计提供重要依据。

当前尚有关于大型电磁铁力特性测试方法的研究[6]，但电磁拔销器体积较小，且输出实际电磁吸合力真值为保险销磁化后电磁吸合力与弹簧抗力之差(本文用保持力表示该差值)，其力特性曲线不同于单一电磁铁力特性曲线。目前电磁拔销器多采用电磁仿真估测吸合力[7]或直接安装力传感器动态测试，但环境干扰因素较多，误差较大，对于越来越趋于小型化的拔销器设计，电磁力误差会影响引信机构安全性能，给电磁拔销器整体设计带来安全隐患。目前引信用电磁拔销器研究缺乏对其电磁力实际大小有效测试方法，无法为后续弹簧等可恢复部件设计提供准确依据，本文针对此问题，提出了引信用电磁拔销器电磁力测试方法。

1 电磁拔销器原理及力测试要求

一般可以把引信安全保险装置分为机械解除保险式和电解除保险式两大类[2]。电磁拔销器依靠电磁力驱动保险销轴向运动以控制保险装置正常工作。电磁拔销器是由机械解除保险向电解除保险转型的典型保险装置。电磁拔销器被广泛应用在火工品安全阀[8]、舵机锁制装置中。拔销器在引信系统中不断成熟得益于对其小型化的设计改进[9]。相比于单一依靠惯性力等环境信息解除保险，机电保险装置更加稳定多用；保险销锁定与解除保险能够随着上电和去电重复进行，可以保证武器未按预定条件工作时恢复安全状态，提升保险机构安全性。在国内外引信机构实际应用中，一般设计多级保险装置，电磁拔销器被设计为其中一环。

国内外关于电磁拔销器的研究甚多，电磁拔销器结构不可胜举，但基本相同，均依靠拔销器中电磁铁部件[10]提供牵引力，图1为电磁拔销器基本结构示意图。

图1 电磁拔销器剖视图Fig.1 Electromagnetic actuator section view

电磁拔销器主要由保护件外壳、线圈骨架、励磁线圈、底座、可移动保险销、复位用弹簧组成。电磁拔销器基于电磁感应原理工作。在弹药勤务处理及发射过程中电磁拔销器不通电，保险销受弹簧预压抗力作用伸出外壳锁定隔爆件。弹药发射后满足一定条件时，给拔销器励磁线圈两端通电，电流的磁效应使保险销磁化，金属底座受到磁化后保险销电磁吸力作用牵引保险销向下运动，运动到位后解除对隔爆件的锁定，从而达到解除保险目的。

以上即为电磁拔销器用于引信安全机构的基本原理，实际设计中也有用一对同名永磁体(磁弹簧)代替普通弹簧提供预压抗力从而锁定隔爆件的电磁拔销器[5]。通电工作时利用复合磁场牵引保险销运动，原理相同。在武器系统应用中，尤其是导弹引信安全系统中十分常见。

引信安全系统主要功能为安全状态的控制与转换，即保证勤务处理安全，发射后可靠解除保险[1]。作为保险机构的电磁拔销器同样需要满足这两点基本要求。以常见的弹簧为复位部件的引信用电磁拔销器为例说明对拔销器的要求。

对于电磁拔销器，首先要求其在勤务处理过程中保证保险销始终锁定隔爆件，因此弹簧需要提供一定的预压抗力。在勤务处理过程中该预压抗力必须能够抵抗搬运等过程产生的惯性力冲击，仅考虑勤务处理则弹簧预压力越大越好；而在发射过程中电磁拔销器需要按预定要求顺利解除保险，即保证通电后电磁力能够克服弹簧抗力及弹道爬行力驱动保险销运动到位，解除保险。但由于电磁拔销器体型较小，其励磁线圈较细，电压过高会损坏线圈，拔销器对通电电压限制较高，因此电磁力峰值有限。考虑解除保险过程则弹簧弹性力越小越好。综合考虑电磁拔销器两点基本要求，需要在弹簧设计上寻找平衡点，而找寻此平衡点需首先了解电磁拔销器保险销在关键位置电磁力的大小。

勤务处理与导弹发射均为动态实现过程，安装力传感器动态测试是最直接的方法，但无论在勤务处理还是发射过程中，由于电磁拔销器相对导弹体积极小，难以直接安装力传感器，其弹簧弹力和电磁力相对其他力学数值同样极小，直接动态测试环境干扰明显、误差极大，难以精确测量；同时动态测试可重复性差，增加测试时间和成本。但依据牛顿第二定律，力与质量和加速度直接相关，电磁拔销器质量已知，在获得导弹勤务处理和发射过程的加速度阈值后，电磁力测试可以转换为静态过程(导弹实际应用过程加速度是不断变化的，但只要相应力值能抵抗最大加速度冲击即可满足要求，因此测试可以静态转换)：直接通过实验室阶段静态测试电磁拔销器相应力值计算求解加速度，用该数值模拟导弹实际应用过程中电磁拔销器可抵抗的最大加速度冲击，并与阈值比较，即可为电磁拔销器设计提供依据。基于该思想本文提出电磁力测试方法，目的为：1) 现有电磁拔销器性能测试；2) 为新电磁拔销器弹簧设计提供依据。

2 电磁力测试方法

基于以上对电磁力测试目的和方法的讨论，分别对不同结构电磁拔销器进行电磁力测试。本文采用TYTRON250微力测试仪进行电磁力测试，测试仪结构和工作原理如图2所示。

图2 TYTRON250微力测试仪及工作原理图Fig.2 MTS TYTRON250 and its principium

TYTRON250微力测试仪可对各类微小材料进行拉压弯和疲劳试验，可用于材料微力动静态力学试验。位移范围0.000 1～100 mm, 动静载荷范围0.01～250 N，位移和载荷测试精度可达10-4。通过控制台架带动试件移动，可以得到材料或弹性元件的力-位移参数曲线。

2.1 现有电磁拔销器性能测试

勤务处理安全、发射后可靠解除保险是对电磁拔销器的基本要求，通过测试及计算，可以得到勤务处理安全性及发射后解除保险相关性能。

首先测试勤务处理及发射过程中拔销器安全性。若拔销器弹簧在保险位置提供的抗力大于勤务处理及发射过程最大惯性力，即可保证勤务处理及发射安全；因此，测试保险位置弹簧抗力，并计算得到拔销器在保险位置能够抵抗的最大过载加速度，由此检验拔销器是否满足勤务处理及发射时安全性能要求。

如图3所示，将电磁拔销器固定在测试仪右侧位移敏感端，调整好左侧初始位置后锁定仪器，设置终止位置和步长，内推保险销。为保持定步长匀速移动，左侧夹具接触保险销瞬间会克服弹簧初始抗力产生力的阶跃，由此测得弹簧保险位置抗力，作为计算抵抗最大过载加速度依据。

图3 拔销器初始抗力测试示意图Fig.3 Initial resistance test of the actuator

为保证正常工作，电磁拔销器解除保险通常采用大电压吸合，小电压保持的工作方式。瞬时大电压保证保险销运动到位，小电压保证保险销保持在解除保险(吸合)位置，该工作方式兼顾拔销器性能要求与励磁线圈安全。因此小电压状态下电磁保持力大小直接决定电磁拔销器抗弹道干扰能力。

测试时将电磁拔销器固定在测试仪上，如图4所示。调整好初始位置后锁定仪器，同理设置终止位置和步长，在保持电压作用下保险销稳定在解除保险位置。启动测试仪器外拉保险销，当拉力达到保险销保持力时，保险销开始被匀速拉动，之后电磁吸合力随保险销移动而减小，弹簧抗力同时减小。但电磁吸合力变化更快，如图5所示(图示两条曲线分别根据电磁铁经验公式和弹力计算公式绘制)，因此电磁力(电磁吸合力-弹簧抗力)逐渐减小，拉力随之减小。当保险销移动到图5点e所示位置后,电磁吸合力与弹簧弹力相等，拉力降为零；超过e点，无需施加外力，保险销即可恢复初始保险位置；而在e点之前，一旦外力消失，销子将在电磁吸合力作用下克服弹簧抗力恢复到解除保险位置。

图4 拔销器吸合力测试示意图Fig.4 Suction test of the actuator

改变保持电压，进行上述测试，可以得到不同保持电压条件下保险销保持力。以保持力为依据计算电磁拔销器抗弹道过载加速度，验证可靠解除保险性能要求。

图5 保险销在不同位置电磁吸合力-弹簧弹力曲线Fig.5 Electromagnetic-spring force curve of pin in different positions

2.2 电磁拔销器电磁力测试

设计电磁拔销器弹簧时，需首先了解已安装励磁线圈拔销器内部磁场强弱，即在不同通电电压条件下，保险销从初始(保险)位置运动到终止(吸合)位置全过程电磁吸合力变化情况；并以此为依据，根据勤务处理安全性以及弹道抗过载干扰要求进行拔销器弹簧设计。

测试原始拔销器电磁力方法与2.1节所述相同，不同之处为：进行电磁吸合力测试时，不加弹簧。通过测试可以得到：

1) 不同电压下，拔销器在保险位置的电磁力；

2) 不同保持电压下，拔销器在吸合位置的电磁力。

这些参数可为拔销器工作的初始大电压、保持小电压选取，以及弹簧设计提供依据。

3 实验验证与结果分析

基于第二章所述测试方法，利用微力测试仪测得电磁拔销器电磁力和弹簧预压力，同时得到电磁保持力/电磁吸合力-保险销位移曲线。

以某电磁拔销器为例进行测试，测试结果如图6、图7及表1所示。

图6为拔销器初始抗力测试曲线，为排除偶然因素影响，对同一拔销器重复三次测试：测试初始抗力不通电，拔销器处于初始保险位置；测试开始后，测试仪左侧力敏感端开始移动(内推)，当横坐标为零时(图6点a)，测试仪开始接触保险销，此时产生力的阶跃即为弹簧初始抗力；此后测试仪继续移动，力-位移曲线按照胡克定律继续线性增长直到保险销运动到位(解除保险)。

图6 初始抗力测试曲线Fig.6 Initial resistance test curve

图7为不同保持电压条件下，拔销器电磁保持力-保险销位移测试曲线：拔销器分别接通9、7、5 V常用保持电压，均处于解除保险位置；测试开始后，测试仪左侧力敏感端开始移动(外拉)，当横坐标为零(图7点b)时，测试仪开始拉动保险销，在通电条件下，拔销器所受拉力与电磁力、弹力合力大小相等，即图5两条曲线之差，故拉力逐渐减小；直到横坐标负-1(图7点c)处拉力保持为零，对应图5中e点。图7点b对应纵坐标值即为解除保险位置电磁保持力。

图7 保持力测试曲线Fig.7 Suction test curve

电磁拔销器通常用于导弹中，其一般需要满足以下基本要求：弹药勤务处理及发射产生的惯性加速度一般不超过30g；当导弹发射后引信系统正常工作，电磁拔销器解除保险即保险销稳定吸合，要求保险销在弹道中能够抵抗因弹体振动引起的轴向加速度干扰，维持稳定状态。一般该干扰加速度不超过100g。经测试，该拔销器保险销质量为1.5 g，根据牛顿第二定律，并分析图6和图7，将关键位置力值转换为对应加速度后与阈值对比，验证其是否满足引信安全机构要求，结果如表1所示。

表1 电磁拔销器主要测试参数与结果Tab.1 The main test parameters of electromagnetic actuator and results

为保证实验数据准确性，将本实验所测拔销器结构参数代入电磁铁电磁力经验公式[11-12]，公式理论值与实验测试值基本吻合，验证该测试方法的准确性。由表1可知，该电磁拔销器满足引信安全机构基本要求。

同理，设计电磁拔销器弹簧的测试方法与上述基本一致，为设计参数合理的弹簧部件，保证电磁拔销器可靠工作，可通过该方法进行验证。

4 结论

本文提出了引信用电磁拔销器电磁力测试方法。该方法基于静态测试思想将导弹勤务处理及发射过程中内部电磁拔销器微力测试动态转化，并结合利用TYTRON250微力测试仪精确测试电磁吸合力/保持力-保险销位移曲线，实际测试值与电磁力经验公式计算理论值的基本吻合增加了该方法置信度。实验结果表明：该方法能够有效测试引信用电磁拔销器实际电磁力大小，减小直接测试或电磁仿真的复杂度和误差干扰，填补有关引信用电磁拔销器研究空白，为电磁拔销器设计及其保险机构安全验证提供参考价值。