曹蘇雅拉圖，王雨時，寶圖雅,馬存立

(1.內(nèi)蒙動力機械研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；3.內(nèi)蒙古航天紅崗機械有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076)

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機電觸發(fā)引信高可靠性擦地炸接電開關(guān)

曹蘇雅拉圖1，王雨時2，寶圖雅3,馬存立1

(1.內(nèi)蒙動力機械研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；3.內(nèi)蒙古航天紅崗機械有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076)

針對傳統(tǒng)擦地炸開關(guān)結(jié)構(gòu)復雜、作用率不高的問題，提出了機電觸發(fā)引信高可靠性擦地炸接電開關(guān)，該開關(guān)由開關(guān)體、慣性球、接電套、開關(guān)簧、簧套組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點。減小開關(guān)零件間摩擦系數(shù)，增大開關(guān)體錐角、接電套錐角和慣性球質(zhì)量，降低開關(guān)簧抗力均有利于提高擦地炸接電開關(guān)接電動作正確性。試驗驗證表明，該擦地炸接電開關(guān)能夠滿足彈道安全性、鈍感度要求，擦地炸作用率達98.6%以上，可以為擦地炸接電開關(guān)設(shè)計提供借鑒和參考。

機電引信；可靠性；仿真；擦地炸機構(gòu)；觸發(fā)引信

0 引言

通常單兵火箭射角很小，要求其引信在未直接觸碰目標時，靠彈丸的擦地作用也能可靠發(fā)火，這對提高目標毀傷效能、減少啞彈意義重大。因此其引信設(shè)計時，應(yīng)在滿足瞬發(fā)度要求的前提上，有效解決引信鈍感度、彈道安全性與擦地發(fā)火作用正確性之間的矛盾。

文獻[1]分析了美國子彈引信M230采用的慣性錘式萬向觸發(fā)機構(gòu)的觸發(fā)靈敏度及其影響因素，文獻[2]研究了與文獻[1]相同的萬向觸發(fā)機構(gòu)，建立了機構(gòu)動力學模型，但該慣性錘式萬向觸發(fā)結(jié)構(gòu)復雜，所需的空間大。文獻[3]披露了某大口徑滑膛炮破甲彈彈底機電觸發(fā)引信滾動鋼珠慣性體擦地炸接電開關(guān)結(jié)構(gòu)(其中滾動鋼珠用來變滑動運動為滾動運動從而減小摩擦)，分析了引信對3 mm厚膠合板鈍感度和對地觸發(fā)靈敏度，并進行了擦地炸性能試驗驗證，但其擦地炸作用率只達到了90%。文獻[4]中介紹了引信經(jīng)典側(cè)擊球式側(cè)擊針刺發(fā)火機構(gòu)和側(cè)卡板式側(cè)擊針刺發(fā)火機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理，其結(jié)構(gòu)所需的空間較大，且擦地炸作用率也不高。上述文獻中的擦地炸機構(gòu)均存在結(jié)構(gòu)復雜、擦地炸作用率不高的問題。本文針對此問題，提出了機電觸發(fā)引信高可靠性擦地炸接電開關(guān)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

為了提高機電觸發(fā)引信擦地炸作用率，設(shè)計了高作用可靠性、小體積機電觸發(fā)引信擦地炸接電開關(guān)，如圖1所示。該開關(guān)由開關(guān)體、慣性球、接電套、開關(guān)簧、簧套等組成。

圖1 機電引信擦地炸接電開關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.1 Construction of graze burst switch of electromechanical contact fuze

其工作原理如下：從裝配至發(fā)射后外彈道飛行階段，由于受開關(guān)簧抗力的作用接電套始終處于裝配狀態(tài)，即接電套與接電筒(未畫出)互不接觸處在斷路位置。在外彈道飛行時，開關(guān)簧抗力大于接電套部件(接電套、簧套、慣性球和開關(guān)簧)所受的爬行力和章動力，保證了彈道安全。在外彈道上未命中目標而以擦地方式落地時，彈丸擦地產(chǎn)生的側(cè)向碰擊力會使接電開關(guān)中的慣性球沿斜面徑向運動迫使接電套壓縮開關(guān)簧，并克服接電套等零件側(cè)向慣性力所產(chǎn)生的摩擦力而與接電筒接觸，即慣性接電觸發(fā)開關(guān)導通，引信發(fā)火。該開關(guān)相比傳統(tǒng)的擦地炸機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、作用可靠性高、體積小等優(yōu)點。

2 動態(tài)特性分析

2.1 彈道環(huán)境

[4—6]，計算得某單兵火箭彈章動過載系數(shù)2.7，爬行過載系數(shù)0.6，鈍感度試驗時最大前沖過載系數(shù)161.8。

2.2 彈丸擦地作用時接電觸發(fā)開關(guān)接電套運動數(shù)學模型

在此只考慮最不利情況即慣性球只受橫向(垂直于彈軸)過載作用和慣性球平動，不考慮軸向前沖過載和慣性球轉(zhuǎn)動。取慣性球作為研究對象，分析其起動時刻受力，如圖2所示。假設(shè)接電開關(guān)和慣性球同軸，接電開關(guān)軸線與彈丸(引信)軸線平行。取慣性球球心為坐標原點O1，X1軸沿彈丸飛行方向，Y1軸與彈丸橫向過載方向共線。O1X1Y1為直角坐標系，Y1軸指向由右手法則確定。該坐標系為固連于彈丸(引信)的非慣性參考坐標系，隨彈丸作平動和轉(zhuǎn)動(在此指章動)。

圖2 慣性球起動時刻受力Fig.2 Force of inertia ball to start the moment

慣性球起動時刻受開關(guān)體對慣性球的支反力N1、接電套對慣性球的支反力N2、開關(guān)體對慣性球的摩擦力F1、接電套對慣性球的摩擦力F2和慣性球橫向慣性力Q1。

再取接電套和簧套合件作為研究對象，分析其起動時刻受力，如圖3所示。

圖3 接電套和簧套合件受力Fig.3 Force of electrical connection set with spring set

假設(shè)彈丸(引信)、接電開關(guān)與接電套(簧套)合件軸線平行。取接電套和簧套合件質(zhì)心O2為坐標原點。X2軸沿彈丸飛行方向，Y2軸與彈丸橫向過載方向共線，O2X2Y2為直角坐標系，Y2軸方向依右手法則確定。該坐標系為固連于彈丸(引信)的非慣性參考坐標系，隨彈丸作平動和轉(zhuǎn)動(在此指章動)。

接電觸發(fā)開關(guān)的動力學方程為：

式中，f1為慣性球與開關(guān)體間(硬鋼對黃銅)的摩擦系數(shù)；f2為慣性球與接電套間(硬鋼對硬鋼)的摩擦系數(shù)；f3為接電套與開關(guān)體間(硬鋼對黃銅)的摩擦系數(shù)；m1為慣性球質(zhì)量(在此為0.26×10-3kg)；m2為接電套、簧套和開關(guān)簧等效質(zhì)量(在此為0.51×10-3kg)；k為橫向過載系數(shù)。α為開關(guān)體錐角(在此為90°)；β為接電套錐角(在此為90°)；h為開關(guān)簧自由高度(在此為8×10-3m)；h0為開關(guān)簧裝配高度(在此為5.78×10-3m)；R為開關(guān)簧剛度，Rj為開關(guān)簧檢驗抗力(在此為1.8 N)；hj為開關(guān)簧檢驗高度(在此3.5×10-3m)；

在接電套和簧套合件的運動初始狀態(tài)t=0時刻，有

此為上式的求解初始條件。

2.3 接電觸發(fā)開關(guān)接電性能影響因素分析

根據(jù)上述接電觸發(fā)開關(guān)的動力學方程，采用MATLAB程序編程，分析其各設(shè)計參數(shù)對接電性能的影響。

2.3.1 碰擊過載系數(shù)k影響

彈丸戰(zhàn)斗部擦地時，碰擊不同目標產(chǎn)生的不同過載會影響接電觸發(fā)開關(guān)的接電性能。如圖4所示為假設(shè)接電觸發(fā)開關(guān)其它條件相同情況下對應(yīng)不同過載系數(shù)，接電套接電行程隨時間的變化曲線。

彈丸橫向碰擊過載系數(shù)越大，接電套的接電行程也越大，接電開關(guān)的接電性能就越好，接電套的接電行程與彈丸橫向碰擊過載正相關(guān)。這意味著射擊試驗時側(cè)向碰擊硬目標會有助于提高引信萬向發(fā)火觸發(fā)靈敏度。

2.3.2 開關(guān)簧剛度R影響

畫出開關(guān)簧剛度對接電性能的影響曲線可得，開關(guān)簧剛度越小，接電套的軸向行程越大，接電性能也就越好。為了提高觸發(fā)靈敏度可適當減小開關(guān)簧剛度，但在外彈道飛行時，開關(guān)簧剛度設(shè)計首先應(yīng)保證開關(guān)簧推力大于接電套、鋼球和簧套等部件所受的爬行力和章動力，以保證彈道安全。設(shè)計時適當提高開關(guān)簧剛度可有效提高鈍感度性能。

2.3.3 慣性球質(zhì)量m1影響

畫出慣性球質(zhì)量對接電性能的影響曲線可得，鎢合金材質(zhì)慣性球接電性能最好，慣性球質(zhì)量越重越有利于發(fā)火，慣性球質(zhì)量越重越有利于接電開關(guān)閉合。為了提高觸發(fā)靈敏度可適當提高慣性球質(zhì)量。但由于要滿足鈍感度要求，所以不能隨意增大慣性球質(zhì)量。另一方面，為了提高引信鈍感度性能，在滿足觸發(fā)靈敏度的前提下，可適當減小慣性球質(zhì)量。

2.3.4 接電套、簧套和開關(guān)簧等效質(zhì)量m2影響

畫出接電套、簧套和開關(guān)簧等效質(zhì)量對接電性能的影響曲線可得，接電套、簧套和開關(guān)簧的等效質(zhì)量越輕，接電套的軸向行程越大，越有利于提高接電性能。接電套、簧套和開關(guān)簧的等效質(zhì)量相比慣性球質(zhì)量對接電性能影響更明顯。適當降低該等效質(zhì)量可有效提高觸發(fā)靈敏度，反之亦然。

2.3.5 開關(guān)體錐角α影響

畫出開關(guān)體錐角對接電性能的影響曲線可得，開關(guān)體錐角變大，接電套的軸向行程會變大，而接電性能會變好，因此為了提高觸發(fā)靈敏度可適當提高開關(guān)體錐角。在滿足觸發(fā)靈敏度的前提下，降低開關(guān)體錐角可提高鈍感度性能。

2.3.6 接電套錐角β影響

畫出接電套錐角對接電性能的影響曲線可得，接電套錐角變大，接電套的軸向行程會變大，接電性能會變好。相同條件下，接電套錐角相比開關(guān)體錐角對接電性能影響更明顯。為提高觸發(fā)靈敏度或降低鈍感度要求可適當增大接電套錐角。

2.3.7 慣性球與開關(guān)體間摩擦系數(shù)f1影響

畫出慣性球與開關(guān)體間摩擦系數(shù)對接電性能的影響曲線可得，慣性球與開關(guān)體間摩擦系數(shù)越小，接電套接電行程就越大，就越有利于接電開關(guān)閉合。適當增大慣性球與接電套間的摩擦系數(shù)可提高鈍感度性能，適當減小慣性球與接電套間的摩擦系數(shù)可提高觸發(fā)靈敏度。

2.3.8 慣性球與接電套間摩擦系數(shù)f2影響

畫出慣性球與接電套間摩擦系數(shù)對接電性能的影響曲線可得，慣性球與開關(guān)體間摩擦系數(shù)越小，接電套的接電行程就越大，越有利于提高接電性能。因此，適當減小慣性球與接電套間摩擦系數(shù)可提高接電性能，而適當增大摩擦系數(shù)則可改善鈍感度性能。

2.3.9 接電套與開關(guān)體間摩擦系數(shù)f3影響

畫出接電套與開關(guān)體間摩擦系數(shù)對接電性能的影響曲線可得，接電套與開關(guān)體間摩擦系數(shù)越小，接電套的接電行程就越大，越有利于提高接電性能。因此，適當減小慣性球與接電套之間的摩擦系數(shù)可提高接電性能。接電套與開關(guān)體之間的摩擦系數(shù)相比慣性球與開關(guān)體之間的摩擦系數(shù)以及慣性球和接電套之間的摩擦系數(shù)，對接電觸發(fā)開關(guān)的接電性能影響更明顯。

3 試驗驗證

根據(jù)上述分析結(jié)論優(yōu)化設(shè)計了擦地炸慣性觸發(fā)接電開關(guān)。該引信射擊驗證試驗結(jié)果如表1所列。結(jié)果表明，引信能夠滿足彈道安全性、鈍感度和擦地炸作用率要求。

表1 射擊驗證試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了機電觸發(fā)引信高可靠性擦地炸接電開關(guān)，該開關(guān)由開關(guān)體、慣性球、接電套、開關(guān)簧、簧套組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點。減小開關(guān)零件間摩擦系數(shù)，增大開關(guān)體錐角、接電套錐角和慣性球質(zhì)量，降低開關(guān)簧抗力均有利于提高擦地炸接電開關(guān)接電動作正確性。

試驗驗證表明，該擦地炸接電開關(guān)能夠滿足彈道安全性、鈍感度要求，擦地炸作用率達98.6%以上?？梢詾椴恋卣ń与婇_關(guān)設(shè)計提供借鑒和參考。

參考文獻:

[1]王華，宋麗萍. 萬向著發(fā)機構(gòu)靈敏度及影響因素分析[J]. 太原機械學院學報，1992，13(3): 221-224.

[2]譚惠民，王玉杰，李芝絨. 子彈引信萬向著發(fā)機構(gòu)動力學分析[J]. 北京理工大學學報，1994，14(4): 391-398.

[3]安曉紅，顧強，張亞，等. 機電引信擦地炸慣性發(fā)火機構(gòu)設(shè)計與分析[J]. 彈箭與制導學報，2010，30(3): 85-87.

[4]《引信設(shè)計手冊》編寫組. 引信設(shè)計手冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社，1978.

[5]高世橋, 王寶興. 截錐形彈低中速貫穿薄靶板時的動力分析與計算[J]. 應(yīng)用數(shù)學和力學, 1986, 7(11): 1033-1038.

[6]王雨時, 張德智, 曹純柱. 觸發(fā)引信防雨試驗的等效靶板模擬[J]. 沈陽工業(yè)學院學報, 1994(3): 27-37.

A High Reliability Graze Burst Switch of Electromechanical Contact Fuze

CAO Suyalatu1, WANG Yushi1, BAO Tuya3, MA Cunli2

(1. Dynamic Machinery Institute of Inner Mongolia, Hohhot 010010； 2. School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China；3. Inner Mongolia Aerospace machine Corporation, Hohhot 010076, China)

For the problem of complex structure and low reliability of traditional graze burst switch, a high reliability graze burst switch of electromechanical contact fuze was proposed. The switch composed by the switch body, inertia ball, wiring sets, spring, spring sets, which has the characteristics of simple structure and high reliability. By reducing the coefficient of friction between parts, increasing the switch body cone angle, cone angle of electrical connection sets and the quality of inertial ball, lowering the resistance of switching spring, the validity of electric connectionwas improved. The test results showed that the graze burst switch could satisfy insensitivity requirement and ballistic safety requirement.The graze burst action efficiency was more than 98.6%.

electromechanical fuze; reliability; simulation; grazing impact mechanism; contact fuze

2016-02-15

曹蘇雅拉圖(1986—)，男，內(nèi)蒙古科爾泌人，碩士，工程師，研究方向：機電引信技術(shù)。E-mail:cao.suya@163.com。

TJ432.2

A

1008-1194(2016)05-0027-04