摘　要:针对弹簧压球结构的引信惯性球电触发开关方向敏感性问题，应用刚体静力学理论建立了引信惯性触发作用时不同方向角下惯性球对预压簧的作用力表达式。分析表明，为提高惯性球电触发开关触发灵敏度，应尽量增大惯性球质量和滑套球窝锥角，并减小滑套和弹簧质量以及各运动副间的摩擦系数。惯性球电触发开关应成对相向布设，以消除触发时不利方位的影响。而惯性球质心应尽可能靠近弹的质心设置，以防止弹空中旋转引发弹道炸。

关键词:引信；受力分析；动态特性；惯性触发；方向敏感性；触发开关

0　引言

防空火炮弹药、低伸弹道弹药(特别是反坦克破甲弹)和子弹药的弹丸以大着角、小落角或擦地姿态命中目标或目标区时，引信机构实现预定方向的运动难度较大。因而诞生了大着角发火机构、侧击发火机构和擦地炸机构。与上述弹药相类似，手榴弹飞行速度低，且无定向性，因而其触发引信实现发火难度更大，要求其引信在弹药各种方位落地时均要发火，即万向发火。

国内引信技术发展史上曾关注过侧击发火与大着角发火[1-6]，但也一度忽视了此问题[7]。文献[1—3]对典型侧击发火机构进行了简要介绍，并就侧卡板机构力学原理进行了分析；针对惯性锤式万向着发机构，文献[4]分析了碰目标时的受力状态并讨论了影响万向机构作用灵敏度的因素，文献[5]建立了动力学模型，并计算了以输入加速度为参量的机构解除保险角度与时间的关系；文献[6]介绍了两种引信万向作用传感器的结构和工作原理。近年来随着战争文明化进程的推进，主要是为了降低哑弹率，减少附带毁伤，引信擦地炸问题又被重视。文献[8]对弹底擦地炸惯性发火机构闭合响应时间进行了分析,并通过离心试验和擦地炸性能试验验证引信擦地炸作用率不小于90 %；文献[9]运用ANSYS/LS-DYNA软件对一种弹头触发引信擦地炸惯性发火机构碰击目标过程进行数值仿真，得到超口径尾翼对擦地炸性能影响规律。但关于万向发火机构动态特性的研究还不多见。

本文以手榴弹机电触发引信为背景，研究弹簧压球结构的引信惯性球电触发开关方向敏感性问题，试图为产品优化设计和动态特性分析提供参考。

1　手榴弹机电引信惯性球电触发开关结构

图1给出了手榴弹机电引信惯性球电触发开关结构。该开关轴线垂直于引信轴线。装入引信内部之后，外有引信壳体保护，故该开关只会受到惯性力的作用。外筒和接电片作为两极接电，滑套与导电销沿ox轴方向间隙很小。弹药落地时，惯性球受惯性力作用，即可沿开关轴向推动滑套并压缩预压弹簧，使滑套与导电销接触，完成开关闭合动作。

预压弹簧的预压力主要用来保证弹道安全性。而平时电源未接入，故平时的振动与冲击虽然能使滑套触碰导电销，但在振动与冲击消失后滑套又会在预压弹簧的作用下复位，从而与导电销脱离接触。

图1　惯性电触发开关
Fig.1　Inertia ball electrical trigger switch

2　惯性球电触发开关方向敏感性分析

由于惯性球电触发开关接电位移很小，所以上述惯性球电触发开关的灵敏度可以用手榴弹碰击目标时使引信滑套与导电销接触(闭合)所需的惯性加速度大小来衡量。

分别取惯性球电触发开关中的惯性球和滑套为研究对象。假设惯性球和滑套为刚体，并且初始位置时惯性球质心在滑套的轴线上。由于滑套与导电销接触(闭合)行程很短，所以在受力分析时不考虑滑套闭合运动所带来的相互位置变化。

惯性球和滑套受力分别如图2和图3所示。

图2　惯性球受力
Fig.2　Force analysis of Inertia ball

图3　滑套受力
Fig.3　Force analysis of sleeve

取手榴弹碰击目标时的加速度a方向在oxy平面内，与弹轴oy轴夹角为β，此角即可视为触发方向角。由于惯性球电触发开关关于ox轴结构对称，所以a方向不在oxy平面内的情形与a方向在oxy平面内的情形所得分析结果是相同的，相当于改变oy轴方向使其与a方向在oxy平面内。由此即将该惯性球电触发开关的轴对称空间原理结构简化成了平面原理结构。

在此讨论的是β=0°～90°的情形。β=90°～180°的情形在本质上与β=0°～90°的情形相同。而β=180°～360°的情形对于惯性球电触发开关而言是比较有利于发火的高敏感情形。

图2中，N1为外筒对惯性球的正压力；F1为由N1产生的摩擦力；N2为滑套对惯性球的正压力；F2为由N2产生的摩擦力；Q1为惯性球受到的惯性力，与加速度a方向相反；α为F2与ox轴之间的夹角；β为惯性力Q1与oy轴之间的夹角。

图3中，为惯性球对滑套的正压力；为由产生的摩擦力；N3为外筒对滑套的正压力；F3为由N3产生的摩擦力；Q2为滑套和保险簧受到的惯性力；P为惯性簧对滑套的作用力。

由于惯性球电触发开关闭合行程很小，所以可按静力平衡关系，得：

(1)

另有补充方程

(2)

式(2)中，f1为外筒与惯性球之间的摩擦系数；f2为滑套与惯性球之间的摩擦系数。

对式(1)和式(2)求解得：

(3)

同理，根据受力平衡对滑套进行受力分析可得

(4)

另有作用力与反作用力相等

(5)

以及补充方程

F3=f3N3

(6)

将式(3)代入式(4)、式(5)、式(6)求解，得：

(7)

又惯性球质量为m，滑套和保险簧质量为M，将Q1=ma，Q2=Ma代入式(7)可得：

P=

(8)

滑套对惯性簧的作用力P′是P的反作用力，P′=P。由P′与a之间的等效质量

M(sin β+f3cos β)

(9)

即可判断不同因素对触发灵敏度的影响。w越大，开关越敏感。

对(9)式中各变量求偏导，得：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

已知α∈(45°,90°)，其余初始设计参数如表1所列。

表1　惯性球电触发开关初始设计参数

Tab.1　The initial design parameters of inertia

ball electrical trigger switch

由表1参数即可画出以角度α为参量的等效质量w与触发方向角β之间的关系曲线w(β)，如图4所示。图中等效质量w≤0的区域为滑套自锁区域，此时滑套不能可靠接电。

(1)确保PCL控制系统运用环境干燥。虽然PCL控制系统的环境适应能力较强，但是由于其为电气设备，因此应当保证应用PCL控制系统的环境的干燥，确保PCL控制技术在金矿山电气设备中的安全稳定性。

图4　不同α情况下等效质量与触发
方向角之间的关系曲线
Fig.4　Relationship of equivalent mass and trigger
angle under different α situations

接触外筒。考虑到惯性球运动末端圆角的影响，α会先减小再略微增大。滑套在惯性球的作用下压缩保险簧运动，保险簧提供的抗力逐渐增大。

则(1-f2f3)sinα-(f2+f3)cosα>0。

图5　惯性球运动示意图
Fig.5　The movement schematic of inertia ball

考虑不利情况下β对(6)～(12)式的影响，即0≤β≤90°的情况，已知P≥0，由(5)式知0≤β≤arctan(1/f1)。此时：cos β-f1sin β>0。

对于式(6)—式(12)式分析可知：

；；；；；；。即m越大，w越大；M越大，w越小；α越大，w越大；β越大，w越小；f1越大，w越小；f2越大，w越小；f3越大，w越小。

对一种确定的设计方案，f1、f2、f3、m、M保持不变，惯性球在加速度a的作用下运动，α先减小再增大，在β不变的情况下，对应的w也先大后小。

以上考虑的是静平衡状态，即假设惯性球不滚动的情况。下面对惯性球是否滚动进行讨论。

对F1与F2的大小进行比较：

若f1=f2，则

。

初始状态时α=90°，β≠0时，则，即F1>F2，此时惯性球会转动；而α=90°，β=0时，F1/F2=1，故惯性球不会转动。由图1可知，对球心取矩，ΣMo=0是特例，而ΣMo≠0是常态，即惯性球滚动应是常态。

取f1=f2=f3=0，则由式(9)可得w=m cos β tan α-Msin β。

由此可知，为了提高惯性球电触发开关触发灵敏度，m和α越大越好，而M和β越小越好。在、α∈(0°,90°)范围内，α→90°、β=0时，如不考虑接电所需行程问题，则惯性球电触发开关触发灵敏度最高。

3　惯性球电触发开关方向敏感性优化

图2给出的是平面汇交力系，因而力学分析结果与惯性球直径无关。但惯性球质量m与惯性球直径密切相关，故在结构尺寸限定条件下，设计时应尽可能加大惯性球直径。

影响惯性球质量的另一因素是密度。钨合金球、硬质合金球、铜合金球、钢球和氧化锆陶瓷球都有较大的密度。并且硬质合金球、钢球和陶瓷球球形比较规则，铜合金球和陶瓷球摩擦系数较小，可供优选。

为了尽可能避免手榴弹空中飞行过程中的绕心运动引起惯性球电触发开关意外闭合或对正常触发闭合不利，惯性球球心或惯性球、滑套、保险簧惯性触发系统质心应尽可能靠近手榴弹质心布设。从这一角度出发，手榴弹质心一般应尽可能布设在其轴线上。

为了消除β=90°附近可能存在的触发盲区，惯性球电触发开关应成对相向布设。这时意味着两个惯性球电触发开关中必有一个工作在前述的β为180°～360°时的比较有利于发火的高敏感状态。

为了尽可能加大α角，滑套端面承压惯性球的球窝深度不宜过大，并且该球窝也可改成锥孔结构。

为了减轻质量，滑套可选用轻质材料，如铝合金、镁合金或镁锂合金等，还可在保证强度和刚度的前提下，在其上设置一些减重孔。

保险簧设计也应在保证抗力特性的前提下，尽可能减轻自身质量。

为了降低各摩擦系数，可采取表面硬化和润滑(如二硫化钼等干粉润滑剂)减摩措施，表面涂覆层的选择也要考虑减摩。

4　结论

本文研究了不同设计参数对弹簧压球结构的引信惯性球电触发开关方向敏感性的影响，研究结果表明：为提高惯性球电触发开关触发灵敏度，应尽量增大惯性球质量和滑套球窝锥角，并减小滑套和弹簧质量以及各运动副间的摩擦系数。惯性球电触发开关应成对相向布设，以消除触发时不利方位的影响。而惯性球质心应尽可能靠近弹的质心设置，以防止弹空中旋转引发弹道炸。该研究结果可供该类惯性触发机构(惯性触发开关)触发灵敏度优化设计以及安全性和可靠性系统分析参考。