劉 宣，聞 泉，王雨時，張志彪

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

離心力驅(qū)動引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心優(yōu)化方法

劉 宣，聞 泉，王雨時，張志彪

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對引信離心力驅(qū)動水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動可靠性難以保證的問題，提出了離心力驅(qū)動引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心優(yōu)化方法。該方法是通過建立引信水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正過程動力學(xué)方程，得到其質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑與初始方位角的最優(yōu)解關(guān)系式。仿真驗證表明，初始方位角取值不同對引信水平轉(zhuǎn)子動態(tài)運動特性影響較大，優(yōu)化得到的最優(yōu)質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑及質(zhì)心初始方位角能使得水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中的凈驅(qū)動力矩值始終較大，從而有助于提高旋轉(zhuǎn)彈引信水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正正確性。

引信；轉(zhuǎn)子隔爆機(jī)構(gòu)；解除保險可靠性；優(yōu)化設(shè)計；動力學(xué)仿真

0 引言

離心力矩驅(qū)動的引信水平轉(zhuǎn)子均為有軸轉(zhuǎn)子，其質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)軸且回轉(zhuǎn)平面垂直于彈軸，廣泛用于旋轉(zhuǎn)彈引信特別是中大口徑旋轉(zhuǎn)彈引信隔爆機(jī)構(gòu)，具有占用軸向尺寸小、充分利用徑向空間、隔爆距離容易滿足、無內(nèi)貯能用作解除保險動力的特點。文獻(xiàn)[1-3]分析了離心力驅(qū)動水平轉(zhuǎn)子受力，建立水平轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型且對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正到位所需的時間作了概略分析。文獻(xiàn)[4]針對隔爆部件在鐘表機(jī)構(gòu)輪系失效時可能引起的炮口炸問題，提出一種通過調(diào)整回轉(zhuǎn)體部件質(zhì)心來消除此種危險的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想。文獻(xiàn)[5-7]運用Adams軟件對水平轉(zhuǎn)子驅(qū)動的無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，介紹了仿真分析方法，探究了機(jī)構(gòu)動態(tài)運動特性。

但上述文獻(xiàn)均未涉及離心力驅(qū)動引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心優(yōu)化設(shè)計問題。由于水平轉(zhuǎn)子的主動力和摩擦力及其力矩主要與彈丸轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以水平轉(zhuǎn)子在彈道上能否可靠轉(zhuǎn)正主要取決于其質(zhì)心相對于轉(zhuǎn)軸和彈軸的位置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與彈軸的位置關(guān)系確定后，轉(zhuǎn)子質(zhì)心與轉(zhuǎn)軸的距離及其方位角是影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正可靠性的關(guān)鍵因素。無延滯效應(yīng)的純水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來之后，靠慣性作用，轉(zhuǎn)子仍有可能越過略微靠近的某些不利的方位。而有無返回力矩鐘表等機(jī)構(gòu)延滯效應(yīng)的水平轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)動速度較慢，慣性作用影響很弱，在接近某些不利的方位時，就有可能會停止轉(zhuǎn)動。本文針對離心力驅(qū)動水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正可靠性難以保證的問題，提出了離心力驅(qū)動引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心優(yōu)化方法。

1 引信水平轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)

美國中大口徑榴彈彈頭起爆引信M739A1采用離心力驅(qū)動的水平轉(zhuǎn)子作為隔爆件，如圖1所示。

圖1 M739A1彈頭起爆引信Fig.1 M739A1-nose detonate fuze

水平轉(zhuǎn)子式隔爆機(jī)構(gòu)解除保險(即解除隔離)轉(zhuǎn)角γ較大。其中，榴-5引信為153°，前蘇聯(lián)4MP引信為175°，海甲-1引信為125°，美M20A2傳爆裝置為105°[1-2]。離心力驅(qū)動的水平轉(zhuǎn)子式隔爆機(jī)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)[2]如圖2所示。

圖2 離心力驅(qū)動的水平轉(zhuǎn)子隔爆機(jī)構(gòu)Fig.2 Horizontal rotor of explosion-proof structure drived by centrifugal force

回轉(zhuǎn)體上的雷管與導(dǎo)爆藥錯開一個角度以保證引信平時的安全性。發(fā)射后，旋轉(zhuǎn)彈丸圍繞其彈軸暨引信軸線旋轉(zhuǎn)，水平轉(zhuǎn)子在離心力的驅(qū)動下繞其轉(zhuǎn)軸并朝著雷管與導(dǎo)爆藥可對正的方向轉(zhuǎn)動，加重子用于調(diào)節(jié)水平轉(zhuǎn)子的質(zhì)心位置，確保轉(zhuǎn)正可靠。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正到位時，雷管與導(dǎo)爆藥柱對正，水平轉(zhuǎn)子解除保險。

2 引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置優(yōu)化方法

2.1 旋轉(zhuǎn)彈引信水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正過程受力分析

引信水平轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)正到位的過程中，其質(zhì)偏既產(chǎn)生驅(qū)動力矩，也產(chǎn)生摩擦力矩。為保證離心力驅(qū)動的引信水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正的可靠性，驅(qū)動力矩必須始終大于諸摩擦力矩之和，即應(yīng)有凈驅(qū)動力矩M大于0。

圖3 水平轉(zhuǎn)子簡化模型Fig.3 Simplified model of horizontal rotor

本文研究的是離心力驅(qū)動引信水平轉(zhuǎn)子，通常都配有延期解除保險機(jī)構(gòu)，水平轉(zhuǎn)子在彈丸出炮口后才開始運動。在此階段，水平轉(zhuǎn)子還受章動力、爬行力和切線慣性力的作用。章動力系周期性力，章動力和爬行力對于水平轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)正運動只是通過軸向約束反力產(chǎn)生的摩擦力矩起作用，并不影響水平轉(zhuǎn)子質(zhì)偏位置的優(yōu)選問題。相對于質(zhì)偏產(chǎn)生的轉(zhuǎn)正力矩而言，章動力和爬行力所產(chǎn)生的摩擦力矩較小，因而可以忽略不計。在外彈道階段，切線慣性力很小，也可以忽略不計。當(dāng)然上述簡化會使整個分析結(jié)果偏于冒進(jìn)，設(shè)計時適當(dāng)留出解除保險主動力矩裕量即可。

水平轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中，主要受離心力產(chǎn)生的主動力矩Mo，離心力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子軸上的摩擦力矩Mof，后坐慣性力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子下平面上的摩擦力矩Msf的作用，其凈驅(qū)動力矩為：

M=Mo-Mof-Msf

由圖3所示的水平轉(zhuǎn)子簡化模型及其受力特性可知：

(1)

式(1)中，m為水平轉(zhuǎn)子質(zhì)量，ω為彈丸旋轉(zhuǎn)角速度，f為轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子軸或轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子座或轉(zhuǎn)子軸與轉(zhuǎn)子座之間的摩擦系數(shù)，d為轉(zhuǎn)子軸直徑，V為彈丸運動速度，R1為水平轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子座摩擦接觸圓環(huán)面小圓半徑，R2為水平轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子座摩擦接觸圓環(huán)面大圓半徑，由于轉(zhuǎn)子的質(zhì)心位置由質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l及方位角β決定，故將上式進(jìn)一步簡化得：

(2)

針對R1=0的普遍情形，式(2)可進(jìn)一步化簡為：

(3)

由式(3)以及解除隔離轉(zhuǎn)角γ值可知，一般情況下水平轉(zhuǎn)子初始方位角β0<90°。欲使水平轉(zhuǎn)子從初始方位角β0開始轉(zhuǎn)動，凈驅(qū)動力矩M應(yīng)大于0。按式(3)給出的表達(dá)式，M會隨β的增大而呈先增大后減小的變化趨勢。

令βM為轉(zhuǎn)子整個運動周期內(nèi)凈驅(qū)動力矩M取得最大值時的方位角，βT=β0+γ為機(jī)構(gòu)終止位置方位角。βM可通過迭代算法由下式得出：

(4)

凈驅(qū)動力矩M在[β0,βM]單調(diào)遞增，在[βM,βT]單調(diào)遞減，且凈驅(qū)動力矩最小值將在初始方位角β0或終止位置方位角βT處取得。

水平轉(zhuǎn)子β0的不同取值會使機(jī)構(gòu)有不同的驅(qū)動狀態(tài)，對應(yīng)的凈輸出力矩值變化過程也會存在差異。如果水平轉(zhuǎn)子滿足條件：

1)彈軸O1、轉(zhuǎn)子軸O2和質(zhì)心軸O3三者不共線，且夾角β0≤180°-γ；

2)質(zhì)心裝配位置A點的凈驅(qū)動力矩MA>0；

3)質(zhì)心最終位置B點的凈驅(qū)動力矩MB接近于質(zhì)心裝配位置A點的凈驅(qū)動力矩MA，即MB≈MA，

由式(5)和式(6)可得離心力驅(qū)動的水平轉(zhuǎn)子能夠滿足轉(zhuǎn)動條件的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l及初始方位角β0的范圍，式(7)給出了質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l與初始方位角β0之間的關(guān)系。

2.2 算例分析

為形象地描述水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置對引信水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正正確性的影響，以某旋轉(zhuǎn)彈引信水平轉(zhuǎn)子為仿真研究對象，利用Matlab軟件對機(jī)構(gòu)運動特性進(jìn)行數(shù)值分析。表1給出了引信旋轉(zhuǎn)環(huán)境參數(shù)和水平轉(zhuǎn)子初步設(shè)計參數(shù)。

表1 引信旋轉(zhuǎn)環(huán)境參數(shù)和水平轉(zhuǎn)子初步設(shè)計參數(shù)

表2 初始方位角β0計算數(shù)值

取質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l=5 mm、初始方位角β0=13°，得到水平轉(zhuǎn)子主動力矩、摩擦力矩、凈驅(qū)動力矩隨轉(zhuǎn)角β的變化曲線如圖4所示。將上述數(shù)據(jù)代入式(4)，經(jīng)迭代計算，可得βM=88.204°。

圖4 l=5 mm、β0=13°力矩隨轉(zhuǎn)角β變化曲線Fig.4 l=5 mm、β0=13°curve of torque-angle of rotation

由圖4可知，在水平轉(zhuǎn)子整個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)，摩擦力矩一直在增加，主動力矩和凈驅(qū)動力矩均是先增大后減??；當(dāng)質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l=5 mm時，在滿足可靠轉(zhuǎn)動條件(0.92°≤β0≤30°)下，取離心力驅(qū)動的引信水平轉(zhuǎn)子初始質(zhì)心位置方位角β0=13°，初始質(zhì)心位置凈驅(qū)動力矩接近于最終位置值，則整個運動周期凈驅(qū)動力矩值的最小值將達(dá)到最大。

3 仿真驗證

為進(jìn)一步研究引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l及初始方位角β0(裝配位置)對機(jī)構(gòu)在整個運動周期內(nèi)的影響，驗證理論分析的正確性，針對上述某旋轉(zhuǎn)彈引信水平轉(zhuǎn)子，運用ADAMS軟件進(jìn)行仿真。模型如圖5所示，該模型主要由水平轉(zhuǎn)子部件組成，且由上、下蓋板支撐限位。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

將三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，并賦予零部件質(zhì)量屬性，將仿真模型中轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子軸、齒弧、雷管、加重子通過布爾運算組成轉(zhuǎn)子部件，定義上夾板與下夾板間的固定約束副，定義下夾板的旋轉(zhuǎn)副，使其繞旋轉(zhuǎn)中心以ω=245 r/s勻速轉(zhuǎn)動，定義轉(zhuǎn)子部件與上夾板、下夾板之間的接觸，并定義接觸之間的摩擦系數(shù)f=0.20。

調(diào)節(jié)水平轉(zhuǎn)子初始質(zhì)心位置，使其滿足轉(zhuǎn)子質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l=5 mm、初始方位角β0取5°，7°，9°，11°，13°，15°，17°，19°，21°，23°，研究引信水平轉(zhuǎn)子初始質(zhì)心方位角β0對機(jī)構(gòu)整個運動周期凈驅(qū)動力矩M的影響。由理論分析和仿真計算得到水平轉(zhuǎn)子在整個運動周期內(nèi)凈驅(qū)動力矩M最小值，如表3所列。

表3 β0取不同值對應(yīng)凈驅(qū)動力矩M最小值

由表3可得，β0取不同值得到的凈驅(qū)動力矩Mmin仿真結(jié)果與理論結(jié)果相近，誤差不超過 17%，其誤差可能是由于仿真過程中水平轉(zhuǎn)子的上下攢動以及轉(zhuǎn)動過程中接觸產(chǎn)生的摩擦被過渡簡化。水平轉(zhuǎn)子初始質(zhì)心位置β0不同，得到的凈驅(qū)動力矩Mmin也不同，且β0≈13°時，凈驅(qū)動力矩Mmin取得最大值(理論值18.24×10-3，仿真值21.11×10-3)。對離心力驅(qū)動的引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心位置進(jìn)行優(yōu)化分析，得到初始方位角β0的最優(yōu)解，使得機(jī)構(gòu)運動過程中凈驅(qū)動力矩Mmin值增大，有助于提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正的可靠性。

離心力驅(qū)動的水平轉(zhuǎn)子往往要與具有計時功能的機(jī)構(gòu)如鐘表機(jī)構(gòu)共同作用以滿足引信延期解除保險性能。因此，對一系列的l、β0最優(yōu)解具體選擇還要結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計可能性和其他機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性。一種小口徑榴彈發(fā)射器引信離心力驅(qū)動的水平轉(zhuǎn)子以及具有延滯效應(yīng)的無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)，實物如圖6所示，水平轉(zhuǎn)子如圖7所示。

通過對比兩次靶場射擊試驗結(jié)果可知：引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l與初始方位角β0的選擇對水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正可靠性有較大影響。第一次靶場射擊試驗中水平轉(zhuǎn)子存在未能轉(zhuǎn)正到位的現(xiàn)象，調(diào)整質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l與初始方位角β0使其盡可能滿足上述理論分析條件之后，第二次靶場射擊試驗水平轉(zhuǎn)子能保證可靠轉(zhuǎn)正。

圖6 一種小口徑榴彈發(fā)射器引信安全和解除保險裝置Fig.6 Safe and arming device of a small-caliber grenade launchers

圖7 水平轉(zhuǎn)子模型圖Fig.7 Model diagram of horizontal rotor

4 結(jié)論

本文提出了離心力驅(qū)動引信水平轉(zhuǎn)子質(zhì)心優(yōu)化方法。該方法是通過建立引信水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正過程動力學(xué)方程，得到其質(zhì)心回轉(zhuǎn)半徑與初始方位角的最優(yōu)解關(guān)系式。仿真驗證表明，初始方位角β0的不同取值對引信水平轉(zhuǎn)子動態(tài)運動特性影響較大，優(yōu)化得到最優(yōu)質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑l及質(zhì)心初始方位角β0使得機(jī)構(gòu)運動過程中凈驅(qū)動力矩Mmin值增大，有助于提高旋轉(zhuǎn)彈引信水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)正可靠性。

[1] 孔華，王雨時，嵇振濤，等.引信離心力驅(qū)動垂直轉(zhuǎn)子起動特性[J].探測與控制學(xué)報，2015，37(3)：53-56.

[2] 孔華，王雨時，嵇振濤，等.引信離心力驅(qū)動垂直轉(zhuǎn)學(xué)動力學(xué)模型[J].探測與控制學(xué)報，2015，37(1)：36-40.

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Centrifugal Fuze Horizontal Rotor Centroid Position Optimization

LIU Xuan，WEN Quan，WANG Yushi，ZHANG Zhibiao

( Mechanical Engineering school, NUST, Nanjing 210094, China)

For the problem that the centrifugal fuze horizontal rotor failled to rotate correcttly, an optimal design on centroid position of horizontal rotor was put forward. This method set up kinetic equations of rotating of horizontal rotor to get the optimal relational expression of radius of gyration and initial azimuth.Simulation results showed that the value of initial azimuth had a greater impact on dynamic motion characteristics of horizontal rotor. And the optimal radius of gyration and initial azimuth could make the value of net driving torque comparatively larger during the rotation of horizontal rotor. which improved the rotating correctness of fuze horizontal rotor.

fuze；rotor interrupter device；arming reliability；design optimization；dynamics simulation

2016-10-20

劉宣(1989—)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向：引信系統(tǒng)分析和機(jī)構(gòu)動力學(xué)。E-mail：15564864028@163.com。

TJ431.3

A

1008-1194(2017)02-0024-05