葉淑琴，尚向榮，陳 鋒，文 沖，任 偉

帶雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)非電起爆裝置設(shè)計(jì)研究

葉淑琴1，2，尚向榮2，陳 鋒2，文 沖2，任 偉2

（1. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京，210094； 2. 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

為解決傳統(tǒng)起爆裝置勤務(wù)處理和運(yùn)輸過(guò)程中的安全性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種小型化的具有雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)的非電起爆裝置，進(jìn)行了保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)受力分析及計(jì)算，并完成12m跌落試驗(yàn)、離心試驗(yàn)及實(shí)彈射擊試驗(yàn)。結(jié)果表明該非電起爆裝置具有良好的勤務(wù)處理能力，運(yùn)輸、使用安全可靠。

非電起爆裝置；旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)；慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)；安全；可靠

現(xiàn)代武器裝備對(duì)勤務(wù)處理和使用過(guò)程中的安全性要求越來(lái)越高，產(chǎn)品既要滿足使用性能要求，又要滿足在運(yùn)輸和勤務(wù)處理過(guò)程中的安全性要求。傳統(tǒng)的非電起爆裝置采用單一的慣性擊發(fā)機(jī)構(gòu)作為安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，在正常情況下有良好的勤務(wù)處理能力，運(yùn)輸、使用安全可靠。但該類產(chǎn)品在吊裝過(guò)程中的意外跌落可能造成意外發(fā)火現(xiàn)象，存在一定的勤務(wù)處理安全隱患。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者在帶雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)非電起爆裝置中設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)（旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)），只有獲得啟動(dòng)這兩個(gè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的不同環(huán)境力，才能解除兩道保險(xiǎn)，起爆裝置才能安全可靠作用。

1 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)原理

帶雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)非電起爆裝置由旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)、雷管組件、擴(kuò)爆管組成，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。帶雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)非電起爆裝置應(yīng)具有爆炸毀傷功能，整體采用非電起爆方案，其中的非電起爆采用慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)，慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)常用于慣性點(diǎn)火具、慣性熱電池等，多用于火箭的增程點(diǎn)火等。該慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)由彈簧、擊針體、固定殼體等組成，擊針體和雷管組件兩個(gè)元件中一個(gè)可以運(yùn)動(dòng)，一個(gè)固定不動(dòng)，擊針體和針刺雷管之間用彈簧保險(xiǎn)器分開(kāi)；為了確保慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)在戰(zhàn)備狀態(tài)時(shí)處于安全狀態(tài)，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來(lái)在戰(zhàn)備狀態(tài)時(shí)固定擊針體，只有在彈丸發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的離心力才能解除旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)，彈丸飛行碰撞到目標(biāo)后慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)克服彈簧抗力，擊針擊發(fā)雷管作用，實(shí)現(xiàn)爆炸毀傷功能。

圖1 帶雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)非電起爆裝置示意圖

由于兩個(gè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)采用的機(jī)理不同，兩個(gè)獨(dú)立的保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)使非電起爆裝置的安全性大大提高，如在勤務(wù)處理中發(fā)生意外跌落，此時(shí)沒(méi)有能夠滿足兩個(gè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)同時(shí)解保的環(huán)境條件，則能夠防止非電起爆裝置因跌落等造成的意外發(fā)火。

2 雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)作用原理

帶雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)非電起爆裝置的作用是在火炮發(fā)射時(shí)彈丸旋轉(zhuǎn)，離心力將旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)打開(kāi)，彈丸以一定速度飛行碰撞目標(biāo)導(dǎo)彈，速度驟降，慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)獲取環(huán)境能啟動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)爆炸毀傷功能。

2.1 旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

將擊針尾部預(yù)留限位槽，限位槽伸入固定座，將滑塊放入擊針限位槽，再在滑塊上面加放一個(gè)彈簧片對(duì)滑塊定位，如圖2所示。在日常勤務(wù)處理中滑塊在擊針限位槽內(nèi)，擊針不會(huì)因受到軸向沖擊力而產(chǎn)生位移，擊發(fā)雷管發(fā)生誤發(fā)火現(xiàn)象，起到了軸向保險(xiǎn)作用；當(dāng)彈丸發(fā)射時(shí)，彈丸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生徑向離心力，滑塊在離心力作用下脫離彈簧片限制從擊針的限位槽中脫出，同時(shí)被彈簧片卡在固定座外端，這時(shí)擊針處于解除旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)自由狀態(tài)。

2.2 慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)原理

慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)由擊針體、彈簧、雷管組件組成，見(jiàn)圖3。

圖2 旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 慣性保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

火炮發(fā)射時(shí)彈丸旋轉(zhuǎn)使旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)打開(kāi)，彈丸以一定速度飛行，慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)由于彈簧保險(xiǎn)器的緩沖作用，擊針體產(chǎn)生一個(gè)同飛行方向的軸向直線慣性力，彈丸碰撞目標(biāo)導(dǎo)彈，速度驟降，限制擊針軸向位移的彈簧被壓縮，擊針激發(fā)雷管組件，雷管組件作用起爆擴(kuò)爆管，完成爆炸毀傷功能。

3 雙環(huán)境力保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)抗力計(jì)算

圖 4 慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)受力圖

擊針刺到雷管的距離為L（mm）：L=21-10-4.2 =6.8；彈簧在裝配狀態(tài)下的長(zhǎng)度H（mm）：H=21-4.2 -3=13.8；彈簧在裝配狀態(tài)下的壓縮長(zhǎng)度0（mm）：0=4.2+3=7.2；彈簧從自由狀態(tài)到擊針尖抵雷管的壓縮長(zhǎng)度λ（mm）：λ=0+L=7.2+6.8=14；已知彈簧壓縮到4.2mm時(shí)，其抗力為800g～1 000g。按800g計(jì)算彈簧在裝配狀態(tài)下的抗力0和擊針尖抵雷管時(shí)彈簧的抗力R：

3.2 慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)安全落高計(jì)算

按安全條件公式[1]：

式（3）中：L為擊針尖到火帽的距離，mm；0為彈簧在裝配狀態(tài)下的抗力；R為擊針尖抵雷管時(shí)彈簧的抗力；′為擊發(fā)體（擊針）質(zhì)量+1/3彈簧的質(zhì)量，g；2為反跳系數(shù)（一般彈2=0.4）；為要求的安全落高3m；λ為擊針尖抵雷管時(shí)彈簧的壓縮長(zhǎng)度，mm；0為彈簧在裝配狀態(tài)下的壓縮長(zhǎng)度，mm。

已知：擊針的質(zhì)量0.54g；彈簧的質(zhì)量0.12g。

計(jì)算結(jié)果表明：裝配狀態(tài)下彈簧抗力滿足3m落高安全要求。將點(diǎn)火具裝入8.7kg的試驗(yàn)彈中，從3m高處自由落下，滿足安全落高要求。

3.3 旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力分析

滑塊在離心力作用下，運(yùn)動(dòng)受力如圖5所示。取單邊滑塊作為隔離體進(jìn)行受力分析?；瑝K主要受1、2、3、4共4個(gè)力。

圖5 旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)受力圖

圖5中1為彈簧片對(duì)滑塊的束縛力；2為固定座側(cè)面對(duì)滑塊的摩擦力；3為固定座地面對(duì)滑塊的摩擦力；4為滑塊在高速旋轉(zhuǎn)下的離心力。取固定座為隔離體進(jìn)行受力分析，對(duì)水平方向進(jìn)行受力分析：

4≥1Sin45°+22+3（4）

只有滿足式（4）滑塊才能克服約束力（1、2、3）運(yùn)動(dòng)。

3.3.2滑塊高速旋轉(zhuǎn)下離心力（4）計(jì)算

滑塊的質(zhì)心離擊針的中心距離為=3.5mm；滑塊質(zhì)量＝0.3g，彈丸發(fā)射時(shí)旋轉(zhuǎn)角速度約為8 000～10 000r/min，在設(shè)計(jì)時(shí)為了保證有足夠的裕度，按照＝8 000 r/min計(jì)算離心力。

＝8 000r/min＝8 000×2×3.14/3 600=14；

==14×3.5×10-3=0.049m/s；

3.3.3固定座底面對(duì)滑塊的摩擦力（3）計(jì)算

鋼與銅無(wú)潤(rùn)滑時(shí)摩擦因數(shù)＝0.19；只考慮滑塊自身的重力，則3=g＝0.3×10×0.19×10-3＝0.57×10-3N。

3.3.4固定座側(cè)面對(duì)滑塊的摩擦力（2）分析

固定座與滑塊為間隙配合，裝配后理論上認(rèn)為沒(méi)有摩擦力，取2＝0。

3.3.5彈簧片對(duì)滑塊的束縛力（1）分析

圖6 彈簧片受力分析圖

根據(jù)滑塊移動(dòng)極限位置圖的幾何關(guān)系，測(cè)量出滑塊移動(dòng)的極限位置為彈簧片轉(zhuǎn)動(dòng)9°（0.05π）。根據(jù)梁在均布荷載作用下的端部轉(zhuǎn)角公式：

式（5）中：為截面對(duì)其中性軸的慣性矩；為截面寬度；為截面高度；θ為扭轉(zhuǎn)角0.05π；為受力長(zhǎng)度2.8×10-3m；為銅的彈性模量，128GPa。

1==40.2×2.8×10-3=0.112N；

1Sin45°+22+3=0.079；

4＞1Sin45°+22+3。按照以上理論計(jì)算：滑塊在8 000r/min的高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的離心力能夠克服約束使旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照起爆裝置的使用要求，分別進(jìn)行了12m跌落試驗(yàn)、離心試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)。

4.1 12m跌落試驗(yàn)

12m跌落試驗(yàn)要求產(chǎn)品從12m高度跌落產(chǎn)品不發(fā)火。分別進(jìn)行了雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)（慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)）和單環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)（僅安裝慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)）12m跌落試驗(yàn)各5發(fā)。結(jié)果雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)5發(fā)均未發(fā)火，單環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)4發(fā)發(fā)火1發(fā)未發(fā)火，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的帶安保機(jī)構(gòu)的起爆裝置比安裝慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)具有更高的安全可靠性。

4.2 離心試驗(yàn)

離心試驗(yàn)考核起爆裝置在發(fā)射旋轉(zhuǎn)角速度為8 000～10 000r/min時(shí)，旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)能否可靠解保。起爆裝置在離心機(jī)上進(jìn)行8 000r/min、7 000r/min、6 000r/min各3發(fā)試驗(yàn)，試驗(yàn)后采用X光檢測(cè)，所試驗(yàn)產(chǎn)品均可靠解保。

4.3 飛行實(shí)彈射擊試驗(yàn)

飛行實(shí)彈射擊考核產(chǎn)品發(fā)射、飛行、撞靶、爆炸威力的綜合試驗(yàn)。試驗(yàn)3發(fā)，發(fā)射過(guò)程彈丸受力8×104g～10×104g，彈丸飛行末端速度800～900m/s。試驗(yàn)結(jié)果表明毀傷效果達(dá)到預(yù)期，具有雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)的非電起爆裝置能夠滿足毀傷功能要求及使用要求。

5 結(jié)論

彈丸發(fā)射產(chǎn)生徑向離心力時(shí)，旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)中的滑塊在離心力作用下脫離彈簧片限制從擊針的限位槽中脫出，同時(shí)被彈簧片卡在固定座外端，慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)處于解除擊針限位狀態(tài)。發(fā)射過(guò)程彈丸受力8×104g～10×104g的過(guò)載時(shí)，慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)中的擊針體受到相反于發(fā)射方向的后坐力，在發(fā)射過(guò)程中慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)不能通過(guò)發(fā)射環(huán)境獲得能量而作用。

彈丸飛行末端速度800～900m/s，碰撞目標(biāo)，速度驟降，慣性激發(fā)機(jī)構(gòu)由于彈簧的緩沖作用，擊針體繼續(xù)前行，刺激雷管作用實(shí)現(xiàn)爆炸功能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證雙環(huán)境力安保機(jī)構(gòu)非電起爆裝置具有良好的勤務(wù)處理能力，運(yùn)輸、使用安全可靠。

[1] 引信設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1978.

[2] GJB 373A-1997 引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1997.

[3] GJB 4087-2000 引信安全性檢驗(yàn)方法[S].中國(guó)人民解放軍總裝備部,2001.

[4] GJB/Z135-2002 引信工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].中國(guó)人民解放軍總裝備部,2003.

[5] 王凱民,溫玉全.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[6] GJB 6268-2008 艦炮彈藥通用規(guī)范[S].中國(guó)人民解放軍總裝備部,2008.

[7] 王凱民.火工品工程設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

Study on the Design of Non-electric Initiation Device with Double Safety Mechanism

YE Shu-qin1，2，SHANG Xiang-rong2，CHEN Feng2，WEN Chong2，REN Wei2

(1.Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094；2. Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

Aimed at the security of the traditional initiation device during service and transportation, a kind of small-sized non-electric initiation device with double safety mechanisms was designed. The endured force of safety mechanism was analyzed and calculated, as well as 12m drop test, centrifugal test and practice fire test were carried out. The test results showed that the design of double safety mechanism can effectively improve the safety and reliability of the initiation device during service and transportation.

Non-electric initiation device；Rotary sliding mechanism；Inertial excitation mechanism；Security；Reliability

TJ450.2

A

1003-1480（2014）04-0005-04

2014-04-03

葉淑琴（1970-），女，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事火工煙火專業(yè)方向研究。