1_8000703_离心保险机构课程设计论文

u)0 要 离心保险机构是靠离心力解除保险的机械保险机构，主要用于旋转弹。 保险机构是引信的重要组成部分。它保证引信的发火 机构、隔离机构和内含能源平时处于保险状态； 发射后 在弹道的某一点上，由保险机构向待发状态过渡并最终进入发射状态，即解除保险。可见，保险机构具有双重职能 保险和解除保险。 保险机构可以依靠环境能源或内含能源解除保险。保险机构按不同的作用结构可以分为很多种，此文重点介绍成对配置的离心销保险机构。 关键 词 ： 离心力； 离心保险机构；引信 ；离心销解除保险可靠性 u)0 录 1 前 言 . 1 引信的简介 . 1 引信的发展 . 1 引信安全系统及安全性现状与 发展对策 . 2 2 离心保险机构的设计及应用 . 4 离心保险机构结构设计 . 4 离心销设计 . 6 离心保险机构应用 . 6 3 分析计算并判定离心保险机构设计的合理性 . 7 设计参数 . 7 离心销膛内运动分析 . 8 校核平时安全性与解除保险可靠性 . 13 结束语 . 14 参考文献 . 15 附录 . 16 沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 u)0w 1 前 言 信的简介 引信又称信管。装在炮弹、炸弹、地雷等上的一种引爆装置。引信是利用目标信息和环境信息，在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药的控制装置（系统）。根据不同炮弹弹种和对付目标的需要选择不同的引信。爆竹的火药捻子即是最早的引信。 引信包括有发火控制系统、安全系统、传爆序列和能源装置 4 个基本部分。引信按作用原理分为：触发引信、非触发引信和时间引信 3 种类型。按配用的弹药分为： 炮弹 、迫击炮弹、 火箭弹 、导弹、手榴弹、航空炸弹、深水炸弹、 地雷 、 水雷 、鱼雷等引信。按配置在弹药的部位分为：弹头、弹底（或弹尾）、弹身引信，以及弹头激发弹底引爆引信等。按安全程度分为：隔离雷管型、不需隔爆型、隔离火帽型和没有隔离等引信。 信的发展 现代局部战争本身已经表现为是一个高新技术的体系，它动用从卫星侦察，战术传感器系统到计算机分析 决策的情报指挥系统，全球性的后勤补给系统，海，空、地上的各种武器系统。迄今为止，军事应用对高、新技术仍是敏感的和领先的，这必然要影响到弹药和引信的发展。引信，特别是触发引信的发展将有两条主线， 即如何为体系和系统作出贡献，和如何合理地利用体系和系统的资源。沿这两条主线发展的结果都将是提高性能和降低成本，即提高效费比。基于为体系作贡献的发展趋向，例如发展为巡航导弹等多种载体用的远程对地面目标触发引信，在航弹通用的多种遥控装定的电子触发引信，可装定瞬发， 25， 50，100， 200期作用及航空火箭弹 用的新型 法 35 瑞士 美国海军反舰可编程引信等。为了对付高速目标，提高瞬发度是十分必要的。为了提高自动化程度，美国正研制 73遥控多选择引信，它可取代 M 739， M 730 5 728， 767电子计时引信。基于利用体系，系统资源，可能得到高性能低成本的先进引信，例如利用炮兵系统，装定最佳作用方式的英 he u)0 利用制导系统指令作用的应用于 对我国来说，在能具有一定电子频谱使用权的情况下发展触发和指令双用引信，可能是一种比较可行的方向，引信正面临应用高新技术将有突破性发展的时期。 信安全系统及安全性现状与发展对策 引信是弹药系统的重要组成部分，对充分发挥弹丸或特定战斗部的威力起关键的作用，弹丸配用不同性能的引信其毁伤效果差别极大，衡量引信性能的主要参数有：评定安全性的安全落高和延期解除保险时间，评定可靠性的正常作用率，评定适时引爆性的瞬发度和延期时间等。其中延期时间在很多情况下对于有防护和抗侵彻能力的目标如坦克，装甲运兵车和舰船等是很 需要的。它可以保证弹丸侵入目标后达到最有利的炸点上爆炸，使弹丸能发挥最大的爆破或杀伤效力，榴弹是小口径的高炮，舰炮和航炮的主用弹药，主要用来对付飞机，舰艇及地面轻型装甲车等目标，它最有利的炸点是弹丸侵入目标内。因此，榴弹配备的机械触发引信除了具备使用安全性，作用可靠性，长期贮存稳定性之外，通常还要求作用时间的延期性，即要求引信在碰击目标后延迟一段时间再引爆弹丸装药。 引信保险、解除保险与安全性的内涵，因引信安全性设计准则标准的诞生而发生了根本性的变化。上世纪 70年代以前的引信安全系统几乎都很简单 (甚至谈 不上是系统 )，主要就是引信发火系统的保险装置 (机构 )；而现今的引信安全系统，可以认为是硬在原非隔爆型引信基础上增加了保险与解除保险装置。这对于我国来讲，也只是上世纪 70年代末期以后的事。引信安全性能几乎完全依赖于引信安全系统的设计。引信安全性设计准则虽已广为人知，但关于引信安全系统特别是关于保险与解除保险装置的工程设计理论却不够系统和深入：不能适应引信产品型号研发的需要。因引信安全性设计水平和质量所引发的安全性事故仍时有发生。 大型弹药引信很可能不是一个完整的装置，而是一个部件分离的功能系统，主要分为两 大子系统，即发火控制子系统和保险与解除保险装置 (其中前一个子系统以光电或机械原理利用目标信息，通过爆炸序列首发爆炸元件的激发时刻来控制引信的起爆时机暨弹丸战斗部的炸点；而后一子系统事实上与引信爆炸序列共生共存，以机械原理为主，主要通过识别发射环境，以故障保险原理对引信爆炸序列实现安全控制。由于保险与解除保险装置比较独立，除用作引信的沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 u)0部分之外，还用于其他弹药内火炸药引爆或点火的场合，所以人们往往把对引信的关注都集中到了引信的子系统 发火控制子系统上了。令人遗憾的是，连引信的标准定义也迎合了这一潮 流，引信被定义成了 “控制弹药爆炸序列适时爆炸的系统 ”。更有掩耳盗铃之作，由此定义出发，去研发只含有发火控制子系统的这类 “控制系统 ”型引信，而把敏感爆炸元件及爆炸序列 “推出 ”引信作为弹丸战斗部的一部分，以逃弃引信安全性设计准则详细、具体而又有一定实现难度的要求。 事实上弹丸战斗部的爆炸序列几乎都在引信内部，即在引信保险与解除保险装置之内。引信的主要功能是引爆弹丸战斗部，由爆炸序列来实现，因此归根结底还是一种引爆装置，只不过安全性要求比较高、引爆时机自动控制罢了。引信不同于制导系统，不是控制系统，控制只是引信内部这一部分对那一部分的功能，与外界无关。如果将引信定义成控制系统，那么引信爆炸序列的功能与作用哪里去了呢 ?引信控制功能固然很重要，这是事实，但这一控制不应单指相对于目标的炸点控制，还包括应该认为是更为重要的相对于己方人员和装备的安全性控制。为了便于更好地认识引信 安全的重要性，认清引信安全系统及保险与解除保险装置的地位和作用， “引信 (引信系统 )”定义： “一种通过设计用来感觉目标或受控于一种或一种以上的预定条件，如经过的时间、压力或指令，引发弹药内的传火序列或传爆序列的实物系统 ”。而不宜再称为 “控制 ”“系统 ”了。同样，引信安全性设计准则还给出了引信安全系统和保险与解除保险装置的定义。引信安全系统包括了保险与解除保险装置。安全引爆的安全性就是由保险与解除保险装置实现的。可以说，引信的安全引爆不但意味着要安全引爆，而且还意味着引爆前要安全，引爆过程中和引爆之后也要安全，不 安全不允许引爆。 国内实弹演练也暴露出了未爆弹药处理问题，不但要求引信安全系统要提高解除保险可靠性，要求引信提高综合发火率，而且还要增加自毁、绝火、电发火能量耗散和爆炸物处理等设计特性。引信安全系统的发展趋势是性能越来越全面，可靠性越来越高，而体积却越来越小，成本越来越低。未来可能发生的解决台海问题的作战同样也涉及到了上述问题，并且因可能要影响到战后台湾政治问题和社会问题而会变得更加重要。美军零伤亡作战新理念，也启发我们要不断提高引信安全性。引信基本性能要求的变化，如裸态跌落试验高度由 3 .5 期解除保险距离试验、震动试验和跌落试验合格准则的变化，都会促进引信安全系统的发展。弹丸战斗部子母化、智能化的发展趋势要 u)0信智能化的发展趋势也要求引信安全系统小型化和低成本化。 武器装备采购市场化促使引信及其安全系统要低成本化，弹药高价值化要求引信安全系统提高解除保险可靠性并减少研制试验数量。弹药多功能化和高性能化要求引信安全系统与之相适应，如冲压发动机增程弹、管式弹以及含能破片所需的引信安全系统，可能要与弹丸战斗部实现一体化设计。当今社会处 于信息化的时代，同时也是个性张扬的时代。为了进一步提高性能，通用化原则的应用要适度。相反有时为了特定战争、特定战场、特定战役、特定战斗或特定目标，要应急开发有效的武器弹药系统，引信安全系统研发必须能够适应这样的 “短、平、快 ”要求。引信安全系统设计与武器平台及发射弹道环境关系比较密切。对于自主研发的新型武器平台因已不再像以往引进产品那样有所借鉴，故须做好所用引信安全系统的系统分析和原理设计工作。 2 离心保险机构 的设计 及 应用 离心保险机构结构设计 （ 1） 离心销保险机构应尽可能成对称配置。 沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 u)0w （ 2） 实践中，如果没有不同作用原理的冗余保险，极个别情况下，成对配置的离心销经冲击振动后，有一个离心销解除保险并且不能自动复位，甚至进而解除保险。离心销成组配置 (三个，呈 “人 ”形均布；甚至四个，呈 “十 ”形布置 )，可以防止反跳造成意外解除保险。离心销成组配置保险可靠度更高，但结果稍复杂些，并且理论上解除保险可靠度有所下降，一般只用来保险质量较大的惯性体。 （ 3） 受空间限制难于成对，成组配置时，单个离心销保险机构也是允许的。但前提是依靠其他环境解除保险的另一独立保险件在冲击， 振动中不运动。否则设计中还要考虑离心销在跌落时尽量不解除保险。这种形式没有充分发挥离心保险机构的优点。 （ 4） 离心销可以倾斜布置，以便利用后坐力量延长解除保险时间，适用于后坐力较大的炮弹引信。倾斜角一般取 15度，太大对于头向下跌落安全不利，而太小则后坐力分量不够。 （ 5） 离心销轴线应尽肯能与弹轴相交，否则用于解除保险的只是离心力的分量，并且另一分量还形成摩擦力阻碍解除保险。如果做不到，离心销轴线与过质心的弹轴垂线之间的夹角不应大于 15度，否则应该用离心板保险机构。 （ 6） 离心保险机构的不解除保险最大转速，可 以按安全转速确定。不必因弹丸转速高，所以不解除保险最大转速可以提高到 200r/2000r/ （ 7） 离心保险机构的 100%解除保险最低转速不得高于炮口 (主动段末 )转速的 3/4，同样，出于通用化的考虑，也不可定的太高。 （ 8） 离心力经全弹道的飞行后，极端情况下可下降到最大值的 1/3，对于解除保险后不动作，碰目标才运动的被保险零件，离心保险机构应考虑加闭锁机构。 （ 9） 在离心销肯能受被保险零件横向作用时，应采取措施防止离心销变形，卡死。 （ 10）离心销解除保险行程 (即离心销插入被保险零件的深度 )一般约为2引信可以小些。但不得小于 1则保险不可靠。 （ 11） 离心销的初始偏心度对离心力的大小影响较大，但一般不是先定偏心距后凑结构，而是先确定结构方案后计算。偏心距大体在 318速高，质量大偏心距可以小些，转速低，质量大偏心距应大些，设计计算中如果不满意可以修改结构。 （ 12）从对驻室尺寸要求，稳定性等方面看，塔形弹簧，尤其是等螺角抛物线簧由于圆柱螺旋弹簧，但由于易于设计与加工，一般都用后者。成组配置的离 u)0抗力不好控制，也不常用。 国外较新的引信上还出现了弹性片保险的离心销，可供我们参考。 心销设计 离心销设计要点包括以下内容 : （ 1）现有引信中成功的离心保险机构很多，最好直接借用。 （ 2）离心销的长径比最好取为 2 3，避免自锁。如果没有特殊要求，离心销结构越简单越好。 （ 3）离心销与被保险零件接触的一端应设计一个倒角或圆角，以便在勤务处理的振动中复位。圆角，倒角太大，或设计成半球头，有可能被保险件压迫离心销后退解除保险。 （ 4）离心销与弹簧接触的一端最好加一个台阶，避免跌落时把弹簧压死，损坏弹簧，弹簧内径与台阶过盈配合时，可 以先装成部件，有利于防止弹簧漏装。 （ 5）离心销与销孔配合一般取 他公差，一般直径取 度取 度不一定取太高，但所有棱角都倒角，去毛刺。 （ 6）表面粗糙度 :配合表面，离心销 空视材料而定，钢 ，铝 他表面，柱面 面 术条件中应注明离心销与销空的的配合表面不允许有环状划痕。 （ 7）离心销应进行表面处理。 离心保险机构应用 离心保险机构是靠离心力解除保险的机械保险机构，主要用于旋转弹。离心保险机构通常分为离心销保险机构，离心板保险机构，环状簧保险机构，软带保险机构（一般用作延期解除保险机构）等。 （ 1） 离心销保险机构适宜保险中心线与弹轴重合或接近的零件。该机构有复位功能，可以无损检测。用圆柱弹簧时，径向尺寸 较大，适用于中，大口径弹引信，用锥形、鼓形弹簧和片状弹簧，尺寸可 稍减，用卷簧时尺寸最小，可用于小口径弹引信。 （ 2） 离心板保险机构可以保险远离弹轴的零件，也有复位功能，便于无损检测。 （ 3）环状簧离心板保险机构适用于离心力很 大的弹种。如用于小口径弹的沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 u)0转子保险机构。 3 分析计算并判定离心保险机构设计的合理性 计参数 已知：离心保险机构用于 100农炮榴弹上，弹丸质量 g ，火炮缠度 300 ，虚拟系数 ，安全滚落高度 10；离心销偏心距0 离心销个数 2n ，离心销质量 ；解除保险行程 ，离心销簧最大抗力下限1 弹簧预压量0 ，全压缩量 ，弹簧质量 ；击针 质量 2 ，击针转动惯量 423 . 6 1 0J k g c m ；离心销与击针间摩擦系数1 ，离心销与驻室壁间摩擦系数2 ； u)0 心销膛内运动分析 发射时，离心销的在膛内运动，要受到的离心力的作用，离心销要克服离心销簧抗力向外作径向平移运动。在膛内，由于存在后坐力、切线力和哥氏力，离心销还与驻室壁之间还产生摩擦力，也阻止离心销向外移动；与此同时，瞬发击针还在后坐力的作用下，也压向离心销，增大阻止离心销运动的摩擦阻力。其受力分析见图 离心销进行受力分析 离心力 210()cF m r x （ 式中 1m销簧系统的换算质量 1 3 （ 离心销簧的抗力 0()R x FF k x（ 引信体对离心子的反力 21( ) ( )s s t g F F F K （ 被保险零件作用在离心子上的力 221 F （ 离心子弹簧系统的直线惯性力 1 (式中 丸的加速度； 离心子弹簧系统的切线惯性力 10()t dF m r x (式中 弹丸的角加速度； 离心子弹簧系统运动时产生的哥氏惯性力 t(p (kg/395 965 1171 2644 3133 3342 3272 2667 2252 1791 1470 1218 1058 921 v(m/s) 0 80 100 240 337 31 阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 u)02g (式中 心子运动速度； 被保险零件的直线惯性力对离心子产生的作用力 1s m n (式中 m 被保险零件的质量； n 离心子的个数； 被保险零件的切线惯性力矩对离心子产生的作用力 n nr (式中 J 被保险零件的转动惯量 ;； r 被保险零件的半径； 11fF f R(22fF f N(根据受力分析，可知离心子在膛内的运动微分方程为 21 2 12 c R x f F F (式中 1f离心子与被保险零件之间的摩擦系数； 2f 离心子与引信体之间的摩擦系数。 将各力的表达式代入式 注意到在膛内有如下的关系： 24 (2 V (2d (式中 P 膛压； D 弹重； G 弹重； 火炮缠度； 虚拟系数。 则方程式 图 力分析 u)0 0 02222 2 2 2 22 1 1 0 122212( ) ( ) ( )2( ) ( ) ( ) ( ) 2 ( )442()4m r x V k g J D g d xf m P m r x P m n r G d tD g (在离心子开始运动的瞬间，有 220 , 0 , 0d x d xx d t d t 并设这是的膛压0弹丸速度0则离心子开始运动的条件 222 2 20 2 1 1 02102 2 2 0121 0 02( ) ( ) ( ) ( )24 ( )2( ) ( ) ( ) 2()V D g m m rp i i rG m i rm r P (由于上式两端都有0P，不能直接求出 20()，而必须用逐渐逼近法求得。作为第一次近似，可将等号右边的0二次再用第一次求得的0此经过几次近似便可求得足够的精度的 20()。然后将所得的值和炮口值比较。 如果 220( ) ( ) ，则说明离心子在膛外开始运动；如果 220( ) ( ) ，则说明离心子在膛内开始运动。若出现后一种情况，则应重新调整结构参数，尽量使离心子在膛外才开始运动。根据已知的参数，用 注意：计算中质量单位一律化为 移单位一律化为 21 0 4 2 22102 . 5 0 6 2 1 0 / ( )24 ( )c m s k gG m r 2 2 2 2 2 2 42 1 1 2 122 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 6 . 0 3 0 2 1 0 M JB f m m r f gi i r i i r 4721 . 5 1 1 3 1 0 / ( )A B c m s k g 沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 u)0 2 202104 . 7 0 7 0 1 0 /2()kC c m 26 4 28 . 5 1 5 6 1 0 / ( )c m s k 由此可得， 2200( ) ( ) A B P 可以得到结论： 220( ) ( ) 。 该离心销不会在膛内启动，是在膛外开始运动的。 当判断机构确实是在膛外开始运动之后，进而求出离心销开始运动的时间0除保险时间）。为此要列出离心销在膛外运动的微分方程： 将 ,0g 式中 g出炮口时弹丸的转速 32 1 . 8 5 4 8 1 0 /gg v r a d s (代入式 得离心销在后效期内运动的微分方程为 221 1 0 022 2 22 1 1 1( ) ( )( ) ( ) ( 2 )m r x k d V d x M d Vf m m fi d t d t i d t (将离心销开始运动时的条件： 220 , 0 0d x d xx d t d t 和 代入式 得离心销开始运动的弹底压力（注意：在膛外 1 ） 21 0 00 22 1 2 14()gm r f m f (在假定后效期压力按指数规律变化的情况下，用下式近似求得离心销开始运动时00 )ln (式中 效期终了时间 38 0 . 0 0 4 21 . 0 1gh (从而可得 40 4 3 5 1 0。 u)0除保险时间） 假 定后效期内弹丸加速度是按指数规律变化的，并以0t为 t 的起始零点，则 02 ()4 ed t G (式中 3 . 6 0 6 6 1 0 （此公式引用引信设计手册） (用 得此微分方程的数值解，根据数值解画出离心销在后效期的 x t v t和 曲 线 ，分别见图 图 移时间曲线 图 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4x 1 0 sx/ . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4x 1 01 04v - cm/s)沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 u)0图 l 时，所对应的时间2 0 2 7t 下面计算炮口安全距离，机构解除保险时间（从炮口算起）为 02 1 . 2 1 7 0 5bt t t m s 当机构解除保险时，弹丸飞离炮口的距离 s 近似地为 1 . 0 7 7 8 t m (式中 炮口速度 由以上的计算表明此引信的离心安全机构是合理的。 图 核平时安全性与解除保险可靠性 安全滚高的验算，弹丸沿斜坡滚下时，所能获得的最大滚动角速度g仅与滚落高度 有关，即 2 2163H H （ 同样也可以证明，当离心销簧最弱时，离心子运动到解除保险位置所必须的角速度为1b， 图 2 0m r l （ 保证滚高时安全的条件为 ， 1 8 . 0 4 8 . 0 6 8 . 0 8 8 . 1 8 . 1 2 8 . 1 4 8 . 1 6 8 . 1 8x 1 0 20 . 2 50 . 30 . 3 50 . 4X : 0 . 0 0 0 8 1 2 7Y : 0 . 3 0 0 6x - sx/he u)0，由上述两式可得最大安全滚高 2 0m i nm a 3 . 0 916r l （ 此高度远大于安全滚落高度 ， 10 所以此保险机构在勤务处理时时安全的。 可靠解保条件的验算：考虑到火炮磨损和低温条件下发射等因素的影响，可能使弹丸转速降低 10%左右，因此要有 20%的裕量 系数，所以保证机构可靠解除保险的条件为 12 45 （ 式中12 1 2 m a x 0()R k l （ 1 0 2()C p r l K （ 式中2K引信所配弹丸在常温时的离心解除保险系数 则由上式可得到机构可靠解除保险的条件式为 2 2 2 2 2021053 5 1 0 . 5 / 2 8 7 . 2 9 6 7 /4r a d c m r a d c mg p r l （ 此引信可以安全解保。（本文的计算公式均出自引信设计手册）一书 ) 结 束 语 在这次的引信课程设计中，我收获了很多东西，也弄懂了许多自己以前没搞懂的问题，还锻炼了自己的动手能力和工程方面的统筹能力。根据要求 ， 本课设主要是掌握离心保险机构的工作原理，判断离心保险机构设计的合理性，为设计提供依据和参考。离心保险机构是靠离心力解除保险的机械保险机构，主要用于旋转弹。离心保险机构通常分为离心销保险机构，离心板保险机构，环状簧保险机构，软带保险机构（一般用作延期解除保险机构）等。由于本次课设主要是研究离心保险机构