离心激活机构的结构设计及摩擦系数的优化

夏信学， 史春景*， 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）

0 引言

引信的工作需要电源， 但引信中的电源在一般情况下是不激活的状态，而在预定情况下激活引信电源的机构就是引信的激活机构，炮弹在发射时会受到各种外在环境的影响，包括后坐力，离心力，爬行力等等，它们被引信感知和利用是引信设计所依赖的基础环境[1]，离心激活机构就是利用离心力解除保险的激活机构。一般离心激活机构在设计时是需要满足基本的安全性和可靠性要求， 就是说设计的机构在非预定条件下要保证固定被保险的零件， 使它不会在勤务处理时被偶然的振动和磕碰引起保险器件的意外动作同时又要保证在预设的环境力下可靠的解除保险。

目前有很多关于机构安全性和可靠性方面的研究，居荣誉等人对引信后坐质量-弹簧系统各设计参数对其保险和解除保险性能的影响进行了研究， 解决了引信后坐质量-弹簧系统保险与解除保险之间的矛盾[2]。 李雯迪对引信采用理论分析与数值仿真相结合的方法， 开展了安全激活机构、隔爆机构与传爆序列融合设计等技术的研究，对引信实现微型化、智能化具有重要意义[3]。 陆静，程翔，鞠敏，等对引信进行了跌落试验，对引信的可靠性进行了分析，实测了跌落冲击响应曲线[4]。 可以看见目前对摩擦系数对离心激活机的可靠性和安全性影响的研究较少。 因为安全性和可靠性在某种程度上时互相矛盾的，摩擦系如何取值能同时兼顾可靠性和安全性十分关键。 摩擦系数取值能同时影响到安全性和可靠性， 取值过大可能导致可靠性不足但机构不能在预定条件下可靠的解除保险， 摩擦系数过小又可能导致激活机构的安全性不够容易在各种意外情况下解除保险。 对本文设计的机构而言， 研究清楚保险件和被保险件之间的摩擦对机构的影响又至关重要， 针对这个问题本文首先对不同情况下离心激活机构的可靠性和安全性进行分析， 然后说明在不同情况下影响离心激活机构可靠性和安全性的各种因素， 说明摩擦系数过大或过小对离心激活机构安全性和可靠性的影响， 然后利用Adams 仿真技术模拟出不同摩擦系数对离心激活机构保险件和被保险件的位移响应曲线， 从而更直观的看出在不同摩擦系数的取值下对离心激活机构可靠性和安全性的影响， 确定出摩擦系数的取值范围为以后的加工提供参考。

1 离心激活机构的构成及解保过程

离心激活机构是通过离心力解除保险的机构， 设计的离心激活机构的零件以及装配图如图1 和图2 所示。

图1 激活机构零件图

图2 激活机构装配图

这个离心保险机构主要由外圈，滑块，撞针和弹簧组成，其中滑块是保险件，它正常状态是被弹簧约束着，同时滑块也在约束着撞针，保证撞针不被释放。 滑块总共有三个，这是为了勤务处理侧向跌落不意外解除保险设置的。 撞针下面装有压缩弹簧，在平时它压缩着储存能量， 当解除保险时用来给撞针撞击火帽时提供激活所需要的能量。

离心激活机构是否在预设环境下解除保险主要看滑块所受的离心力是否达到了预设解除保险时的大小，滑块所受的离心力大小为：

其中：m—滑块的质量；r—滑块距离弹轴中心的偏心距，x—滑块的位移。可以看出滑块所受的离心力在解除对撞针保险的过程中随着位移的增大而逐渐增大。 滑块在解保的过程中不止受到离心力， 还受到摩擦力以及弹簧抗力的影响。 弹簧所受的抗力为：

其中：k—弹簧的刚度系数；l—弹簧的预紧长度。Fn—滑块销和撞针之间的压力。 Fn的大小和撞针下面储能弹簧的弹簧力大小相同。 在解除保险的过程中储能弹簧可能会有微小的变动从而使弹簧力在一定程度上发生变化，但那变化的程度很细微， 因此我们在分析时假设储能弹簧的弹簧力大小不变。 假设滑块所受的动摩擦系数和静摩擦系数都是μ 所以滑块在解除保险的过程中所受的动摩擦力和静摩擦力大小就是一样的大小为：

当x=0 时， 如果转速达到设计所需的解保要求也就是F1大于F2加f 时，滑块就会开始运动，如果这个过程中直到滑块运动到解除对撞针的限制时，离心力F1都大于摩擦力f 和弹簧力F2的合力时， 这个离心激活机构就能顺利解除保险。 但是如果它的摩擦力和弹簧的弹簧力过大，这个机构就很难在预定的转速解除保险。因为在加工好离心激活机构后， 它的摩擦系数大小就是一个定值不会再发生变化， 因此在加工之前预估好摩擦系数的取值范围是很重要的工作。

2 离心激活机构在勤务处理时的安全性

在勤务处理时， 有两种情况会让离心激活机构解除保险， 第一种情况是从斜坡上滚落达到预定的转速解除保险第二种侧向着地达到预定的负载解除保险。 先分析离心激活机构从斜坡上滚动时的安全条件。 弹丸沿斜坡滚下时， 所能获得的最大滚动角速度ωh只和滚落高度H，弹径D 有关[5]，即：

同时， 当滑块运动到解除保险位置所必需的的角速度ωb为：

其中：kmin—弹簧的最小刚度；m—滑块的质量；a—解除保险所需要的行程；r—弹轴中心到滑块重心的距离；l—弹簧的预压变形量， 如果想要保证离心激活机构在滚落时不解除保险那么它的条件必须满足：

如果让ωh=ωb那么离心激活机构的最大安全滚落高度是：

对现有的引信进行计算， 可以知道最大的安全落高为数百米，这样的斜坡现实中很难遇到，因此离心激活机构在设计时不用考虑滚落的安全性。

再分析跌落时的安全性， 离心激活机构受到跌落负载时是否会解除对撞针的保险， 这一般是看跌落产生的负载是否大于约束零件的各种力， 因为本文中的离心激活机构是受到三个滑块的约束， 也就是说只有三个滑块同时解除保险那离心激活机构的撞针才会被释放， 但在跌落过程中， 在不同时刻离心激活机构的各个构件的受力大小都是变化的，且这些受力还会互相影响，所以逐一分析然后选出适合的摩擦系数比较复杂。 但现在Adams仿真技术已经十分的成熟我们可以在它的辅助下完成摩擦系数的选择。

3 离心激活机构不同摩擦系数的仿真

将离心激活机构导入Adams 中进行仿真， 将离心激活机构中各个零件的材料规定好， 建立好各个零件之间的连接副如图3 和表1 所示，设置好弹簧力的大小，然后规定好摩擦系数，对离心激活机构进行仿真。

表1 激活机构主要约束

图3 激活机构约束图

其中 JOINT_1 和JOINT_10 分别是在解除保险时和跌落时的驱动，当其中一个激活时另一个是不被激活的状态。

首先对离心激活机构正常的解除保险的过程进行仿真，分别取摩擦系数为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，发现在摩擦参数取0.1 到0.5 时，撞针均能在规定的转速下解除对撞针的限制， 只是到达滑块运动到解除保险位置时的时间不同，如图4 所示。

图4 摩擦系数和解除保险时间的关系

可以看出随着摩擦系数的增大所需的解除保险时间也越来越长，但如果摩擦参数取0.6，撞针在这个摩擦系数下的位移曲线如图5 所示， 可以看出此时离心激活机构就不能正常解除保险，撞针只是发生了震荡，并没有解除保险。

接下来模拟离心激活机构跌落时的情况，经过查询资料我们得到引信从1.5m 高度跌落向钢板时所产生的冲击过载大概在如图6 所示。

图6 跌落曲线

跌落所产生最大负载不会超过13000g，脉宽不会超过0.4ms[6]。将这个负载代入adams 仿真中，并让离心激活机构机构在这个负载下侧向跌落，在0.1～0.5 的摩擦系数范围内。 撞针在竖直方向上的位移曲线如图7 所示。

图7 跌落时撞针的位移曲线

发现在跌落的整个过程中撞针只是有0.03mm 的轻微晃动，这个晃动说明撞针并没有被解除保险，之所以有这个轻微的晃动是因为撞针和滑块销之间有了微小的空隙。

模拟发现在保证离心激活机构可靠解保的情况下摩擦系数并不能对离心激活机构内滑块的位移距离产生很大影响，但激活机构仍能够保证跌落时的安全性，也就是在此过程中离心激活机构并没有解除保险， 这主要是因为滑块都是成对配置的，在跌落过程时，就算一个滑块运动到了解除保险的行程， 其他滑块因为受力较小的原因并没有解除保险，对撞针起到了限制作用。因此在保证离心激活机构能在预定转速下解除保险的情况下， 摩擦系数对跌落的安全性影响很小。

4 结论

本文设计了一种离心激活机构， 讨论了在其他条件确定的情况下， 摩擦系数对离心激活机构在解除保险时的可靠性以及在勤务处理时的安全性地影响，通过Adams仿真， 确定了这个离心激活机构合适的摩擦系数取值范围0.1～0.5 左右最为合适，并且得出结论摩擦系数大小和离心激活机构解除保险的时间正相关， 在保证离心激活机构正常解除保险的情况下摩擦系数对离心激活机构跌落的安全性影响很小，为后续加工提供了一定的参考。