小型低过载激活机构中曲折槽设计与研究*

张 号，陶 泽，曾鹏飞，刘双杰，赵丽俊，郝永平

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；3.北方华安工业集团有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161046)

由于曲折槽具有较强的判别加速度脉冲持续时间能力，在一定程度上可以解决引信平时勤务处理过程中安全性与发射时可靠解除保险之间的矛盾问题[1-3]。随着当代战争环境复杂化演变，特种口径弹药向小型化、轻量化方向发展[4-5]，2009年美国斯托尼布鲁克大学的Jahangir S. Rastegar等[6]发明了一套利用后坐与离心双环境两级保险机构，这种激活机构对环境的依赖性较强，需要双环境力条件下才能解除保险。2011年美国的Omnitek Partners LLC公司公开展示了一种激活机构，该激活机构可在2 000g后过载持续0.5 ms条件下不发火；国内贺文等[7]在2013年提出低过载曲折槽互锁机构，这种激活机构需要在3 000g过载环境下可靠激活。以上2种激活机构主要仍存在于高过载这一环境中。

文献[8-9]提出一种新型的环形激活机构，这种激活机构采用平面涡卷弹簧或旋转扭簧驱动旋转件使其绕轴撞击式激活机构并应用火工品或磁后坐电机物理电源。该激活机构可以很大程度上减小体积，并且具有不依赖工作环境而快速激活的特性，但由于这种激活机构仅仅依靠翻转限制件与旋转撞击件之间的摩擦，在平时勤务处理时带来了一定的安全隐患。

针对这些问题，本文提出一种新型、小型环形激活机构，该激活机构整体尺寸为φ20 mm×12 mm，在50g后坐过载条件下可靠激活，将曲折槽设计到环形激活机构中，曲折槽与带有导向销的外惯性环之间配合设计为第一道保险，提升了安全性，且此激活机构仅依靠后坐环境力解保。在确保小型化前提下，解决了激活机构低过载解除保险与高过载勤务处理安全性之间的矛盾问题。

1 激活机构的结构设计

激活机构整体设计为圆柱形，在外圆柱形外壳体上开有曲折形导向槽，导向槽与外惯性环内部设定的导向销相互配合，导向销与惯性环固连，惯性弹簧分别与外壳体、外惯性环连接，外惯性环限制激活机构内部翻转件以保证其在没有达到后坐加速度条件下不释放旋转撞击件。翻转件在惯性弹簧与外惯性环的抗力限制条件下不会向下翻转，激活机构在受到的加速度冲击时，外惯性环的运动受到导向槽与惯性弹簧的限制，一方面，导向槽与导向销的配合运动起到延时及勤务处理的作用；另一方面，导向槽对外惯性环起到定位作用(见图1)。跌落过载时，外惯性环下降的过程中，惯性力作用的时间短，外惯性环没有下降到解除保险的位置就消失了，同时由于惯性弹簧的存在，当惯性力消失后，惯性弹簧压缩产生的弹力将外惯性环再次复位，从而保证了勤务处理时的安全性。

图1 曲折槽与导向销配合图

在发射环境下，惯性力的作用时间比较长，外惯性环可以下降到解除保险的位置，随着外惯性环向下位移，解除了外惯性环对内部翻转件的限制，外惯性环凹槽中的翻转件开始向下翻转，激活机构可靠解除第一道保险。由于曲折槽的存在，大大降低了激活机构尺寸，解决了小空间、低过载、短持续时间条件下可靠解保与高过载勤务处理之间的矛盾问题。

2 曲折槽运动分析

2.1 受力分析

外惯性环在下降的过程中既做轴向移动又绕轴旋转。建立图2所示的运动参考坐标系，以OX轴为惯性环轴，以后坐力方向为正向，导向槽正投影面为图2所示的投影平面。OZ轴垂直于OX轴，左方向为正方向。OY轴垂直于纸平面，方向向外。假设两段导向槽的倾斜角均为α。外惯性环在下降过程中既做轴向移动又绕轴旋转。

图2 力分析图

根据受力分析，建立外惯性环下降轴向运动方程[10-11]表达式：

(1)

外惯性环的转动方程表达式：

(2)

由外惯性环的轴位移量和圆周位移可得：

(3)

由式1～式3联立消去FN可得：

(4)

2.2 拐角处碰撞分析

当导向销走完曲折槽上端后在拐角处导向销会与曲折槽发生碰撞，为确定导向销是否会被反弹至上端曲折槽，将对弯角处发生碰撞情况进行分析[12]。当曲折槽弯角2α取值在80°～100°范围内时，导向销与下端曲折槽近似垂直碰撞，碰撞后由于惯性弹簧作用外惯性环将被弹回原处[13]，但导向销相对于槽产生反作用力，且发生碰撞时由于碰撞的时间极短，导致速度变化有限，但导向销与导向槽内壁之间经过多次碰撞后，外惯性环的能量损耗较大，导致外惯性环下沉速度逐渐下降，直到导向销走完弯角后落入下端槽中完成解保，下端导向槽将导向销锁定，即可完成解保。

3 ADAMS仿真分析

3.1 发射过载下仿真计算

为保证激活机构在50g低过载条件下能够可靠激活，且在确定的尺寸条件下无法增加曲折槽与弹轴的半径大小。由物理模型可知，外惯性环在下降过程中曲折槽的倾角大小对外惯性环的下降有直接影响，针对激活机构外惯性环沿着不同角度曲折槽的运动规律和动态环境，应用ADAMS动力仿真软件将内弹道弹丸在膛内的加速度随时间变化规律曲线进行拟合，该弹丸在0.3 s时后坐加速达到峰值，0.6 s后坐加速变为0(见图3)。

图3 发射过载下加速度曲线

对激活机构在发射过程中外惯性环的运状态以及解保过程进行仿真分析[14]，判断不同角度的曲折槽升角对外惯性环下降过程中位移量以及速度的影响，应用UG三维绘图软件建立机构三维模型，将模型保存为X_T格式，将模型导入至ADAMS/View模块，修改材料名称，定义材料属性，设置材料属性，添加接触，然后进行模拟仿真。仿真过程中激活机构各部件之间的约束关系见表1。

表1 激活机构的约束关系

应用ADAMS软件模拟仿真计算激活机构在发射过载条件下的运动过程与解保状态，观察外惯性环的位移量大小，判断激活机构解保的正确性。图4所示为机构曲折槽倾角α=42°在发射过载条件下激活机构的运动情况。由图4可知，发射过载条件下导向销沿导向槽向下运动，外惯性环在后坐力的作用下压缩惯性弹簧既转动又向下平移，当外惯性环运动到位置后，将释放下一部件，保证第一道保险正确解除的准确性。

图4 外惯性环运动停止

图5所示为发射过程中导向销的位移随时间的响应曲线。由图5可知，外惯性环在下降过程中速度曲线不断发生波动，说明连接外惯性环的导向销在沿导向槽下降的过程中发生一定程度碰撞，当经过0.3 s后，导向销到达曲折槽拐角处，外惯性环在下降的过程中速度减慢，这一点符合曲折槽后坐保险机构作用特质[15]。故由图5可知，外惯性环沿曲折槽压缩弹簧经过0.58 s向下运动4.3 mm，进而解除第一道保险，释放下一部件，外惯性环运动到位后导向槽将导向销锁定。因此通过分析可知激活机构能够可靠解除第一道保险。

图5 外惯性环的位移与速度响应曲线

由于曲折槽倾角在42°时能够可靠解除保险，且曲折槽倾角角度提升对激活机构在勤务处理时的安全性降低，故针对曲折槽倾角角度为41°、40°和39°进行分析，结果见表2。

表2 不同角度外惯性环运动状态

为满足设计需求，解保时间控制在1 s之内，外惯性环需要下降4.2 mm以上才可释放下一部件，且在一定程度上增加曲折槽倾角有利于解除保险，但降低勤务处理安全性，选择曲折槽倾角为42°能确保解除保险且同比于更大角度曲折槽倾角，机构安全系数更高。

3.2 跌落过载下仿真计算

由于引信从1.5 m高度跌落到厚度为100 mm的钢板上，产生的冲击过载一般小于13 000g，时间小于0.4 ms，将跌落过载波形设置为三角形曲线[16]，环形激活机构跌落过载曲线如图6所示。

图6 跌落过载曲线

为保证跌落过载情况下激活机构不被解保，确保击针与火帽不能接触。故将激活机构仿真环境设置为跌落过载环境，将外惯性环与导向销下降的位移量作为判别是否解保的依据，在跌落仿真计算中得出外惯性环的位移曲线如图7所示。

图7 外惯性环跌落曲线

由图7可知，激活机构在13 000g过载持续时间0.4 ms条件下外惯性环下降0.18 mm，外惯性环的下降位移量不足以释放被保险件，没有达到解保要求。

4 试验验证

4.1 离心试验

为保证激活机构能够解除保险的可靠性，且由于离心机能够确保载荷持续时间，故将激活机构进行离心试验[17]。经过测量离心机转轴到激活机构的距离为0.07 m，且为满足工件在离心机上承受50g过载需求，将离心机转数设置为800 r/min，持续时间0.6 s。将激活机构装入设计好的夹具中，并将使用螺栓进行紧固连接启动离心机，外惯性环受离心过载作用向下位移。待离心机转盘停止转动后观察外惯性环所处位置，由图8所示可知外惯性环可以可靠运动到指定位置，此时导向销位于导向槽下端。

图8 离心试验后激活机构状态图

将对20发机构进行离心试验发现该激活机构均可在50g过载持续0.6 s时间内可靠解保，且试验后导向销均处于导向槽下端。由于离心试验过程中离心力加载过程是逐渐加大的过程，为观测在加速过程中外惯性环是否产生位移量这一情况，将采用高速摄影试验设备，记录起始时位置(见图9)与转动5 s后位置(见图10)的情况。通过高速摄影记录的试验结果进行对比，可知激活机构在离心机转盘转动前5 s内没有解保动作产生，观测外惯性环所处的位置没有发生变化。

图9 0 s时外惯性环位置

图10 5 s时外惯性环位置

4.2 冲击、跌落试验

为保证激活机构在跌落过载下的安全性，将激活机构进行冲击试验。将激活机构装入夹具中，将夹具固定在冲击台表面。启动冲击试验机，液压系统提升至1.5 m处释放，使重锤做自由落体运动，观察外惯性环的位置情况。试验后的机构状态如图11所示，试验结果外惯性环均处于原位没有下沉。

图11 冲击试验后激活机构状态图

安全性是引信激活机构设计的重要指标之一[18]，现代武器对勤务处理的安全性要求越来越高，检验安全性尤为重要。对低过载条件下的安全性验证的主要检验验方式为将激活机构固定在冲击台面上，将带有一定厚度的弹性冲击垫放入冲击台座上，将冲击台环境参数分别设置在600g持续时间1 ms(见图12)与500g持续时间2 ms(见图13)条件下，观察激活机构的解保情况，并记录试验结果(见表3)。

图12 冲击信号时域谱图(600g)

图13 冲击信号时域谱图(500g)

表3 跌落试验结果

冲击试验以及跌落试验表明，跌落至硬目标与带有一定弹性的软目标上，均不能使导向销沿着曲折槽下降到位，当过载消失后，惯性弹簧将外惯性环移至原位，从试验结果反馈总结，该激活机构的安全性可靠。

5 结语

本文分析了曲折槽在激活机构中的作用，并通过对曲折槽的理论力学分析，建立出导向销与导向槽之间的力学模型。应用ADAMS软件分析了解除保险的可靠性和勤务处理的安全性，分析了不同角度下的外惯性环沿曲折槽下降的位移与速度。结果表明，该激活机构可以在50g过载下可靠激活，同时可以满足勤务处理时的安全性。曲折槽可以作为环形激活机构第一道保险，提升了环形激活机构安全性，这一结果对小型激活机构具有一定的可取性，解决了小空间、低过载、快速激活与高过载勤务处理之间的矛盾问题。