磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺

胡　明，王　炅，王新杰，劉　濱，王軍紅

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京　210094；2.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安　710043)

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磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺

胡明1，王炅1，王新杰1，劉濱2，王軍紅2

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094；2.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安710043)

針對旋轉(zhuǎn)離心機(jī)裝配后機(jī)構(gòu)存在偏心、預(yù)加載時(shí)間較長和加載轉(zhuǎn)速限制等問題，提出了磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺。該平臺把旋轉(zhuǎn)問題轉(zhuǎn)化為了單向加載問題，從而實(shí)現(xiàn)了等效旋轉(zhuǎn)，能在3ms內(nèi)完成預(yù)加載，可精確加載到極高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的載荷，能夠精確測量磁流變液引信延期解除保險(xiǎn)時(shí)間。等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)誤差分析表明，經(jīng)修正后等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺的等效誤差不大于5%，能夠很好地等效彈丸實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液的泄流情況。

延期解除保險(xiǎn)時(shí)間；等效旋轉(zhuǎn)；試驗(yàn)平臺；等效誤差

0　引言

磁流變液是一種近幾十年迅速發(fā)展的智能材料。在無外加磁場時(shí)，它具有良好的流動性，在外加磁場的作用下，它能在毫秒級時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)，這種轉(zhuǎn)變可控可逆，稱之為磁流變效應(yīng)[1]。磁流變效應(yīng)使其具有廣泛的工程和軍事應(yīng)用前景[2-3]，可應(yīng)用于阻尼原件、控制原件、精密加工、光學(xué)加工和機(jī)械密封等。

引信磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)[4]是把磁流變液應(yīng)用于引信的一種新型延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，具有勤務(wù)處理與發(fā)射安全性高、延期解除保險(xiǎn)距離可控、散布低、解除保險(xiǎn)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

延期解除保險(xiǎn)時(shí)間是引信磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。目前，對磁流變液引信的靜態(tài)試驗(yàn)仍采用旋轉(zhuǎn)離心機(jī)測試其延期解除保險(xiǎn)性能。但是，由于裝配到旋轉(zhuǎn)離心機(jī)上時(shí)可能會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)偏心，使得旋轉(zhuǎn)很不穩(wěn)定，影響試驗(yàn)的正常進(jìn)行，而且旋轉(zhuǎn)離心機(jī)加載到指定轉(zhuǎn)速需要一定的時(shí)間，這會嚴(yán)重影響對延期解除保險(xiǎn)時(shí)間的測量，并且加載的轉(zhuǎn)速一般很難達(dá)到70 000 r/min以上，不能滿足一些小口徑炮彈轉(zhuǎn)速要求。本文針對上述問題，提出了磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺。

1　磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)如圖1所示，工作原理為[4]：勤務(wù)處理時(shí)，轉(zhuǎn)子由于活塞和后坐銷的限制不能旋轉(zhuǎn)，磁流變液在永磁體的作用下呈類固態(tài)限制活塞移動，機(jī)構(gòu)處于隔爆狀態(tài)。彈丸發(fā)射后，在后坐力的作用下，后坐銷解除對轉(zhuǎn)子的限制，永磁體剪斷剪切銷并脫落，磁流變液轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w；在離心力的作用下，磁流變液在活塞的推力和自身的離心力的作用下開始泄流，泄流完時(shí)，活塞解除對轉(zhuǎn)子的限制。轉(zhuǎn)子在離心力的作用下轉(zhuǎn)子，雷管和導(dǎo)爆管對正，引信處于待發(fā)狀態(tài)。

2　等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

延期解除保險(xiǎn)時(shí)間是磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。在該機(jī)構(gòu)中，延期解除保險(xiǎn)時(shí)間是靠磁流變液的泄流來實(shí)現(xiàn)，因此，利用靜態(tài)試驗(yàn)精確測量磁流變液的泄流時(shí)間是引信磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

2.1試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

結(jié)合磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)工作原理，該等效旋轉(zhuǎn)平臺需具有如下特性：

1)炮彈發(fā)射時(shí)，炮彈的轉(zhuǎn)速從零到最大值只需要很短的時(shí)間，因此試驗(yàn)平臺需在3 ms內(nèi)加載到指定轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的載荷，才能準(zhǔn)確測量磁流變液的泄流時(shí)間。若加載時(shí)間太長，會導(dǎo)致磁流變液在加載時(shí)過多的泄流，而使得測得的延期解除保險(xiǎn)時(shí)間偏短。

2)炮彈在飛行過程中，在磁流變液受到離心的作用開始泄流，在此期間，液桶內(nèi)磁流變液的量會隨著泄流而減少，磁流變液和活塞的偏心距會隨著泄流而增大，因此，試驗(yàn)平臺對活塞施加的力會隨著活塞的移動而變化，具體數(shù)值在受力分析中進(jìn)一步分析。

3)該試驗(yàn)平臺需能夠測試磁流變液泄流時(shí)間，即磁流變液引信延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)延期時(shí)間，從而根據(jù)炮口初速，可推算出延期解除保險(xiǎn)距離。

彈丸發(fā)射后，彈丸的高速旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致磁流變液引信受到離心力作用，在離心力的作用下，磁流變液在活塞的推力和自身的離心力的作用下開始泄流。離心力是一個(gè)矢量，方向一直沿著液桶的軸線方向，若把液桶、活塞、液桶端蓋和磁流變液看成靜止不動的，那么它們所受到的離心力的方向保持不變，若只對活塞施加一個(gè)載荷，載荷的大小等于彈丸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液和活塞所受的離心合力，可等效磁流變液在彈丸旋轉(zhuǎn)時(shí)的泄流。在磁流變液泄流過程中，和泄流有關(guān)的部件主要有活塞、液桶、液桶端蓋和磁流變液，因此，只需要取這些部件來進(jìn)行等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

根據(jù)以上對機(jī)構(gòu)特性及磁流變液泄流的分析，對磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)。等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺如圖2所示，電腦伺服壓力試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)平臺的主要設(shè)備，在該試驗(yàn)機(jī)上裝有位移傳感器、力傳感器和激振器。力傳感器與活塞接觸，用于測量活塞受力大小；位移傳感器用于測量活塞位移，并且位移傳感器與力傳感器串聯(lián)，這樣可以測得在某位移所對應(yīng)的輸出力；激振器用以產(chǎn)生激勵(lì)力，并和力傳感器連接，激振器產(chǎn)生的激勵(lì)力傳遞給力傳感器，而后力傳感器推動活塞。

等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺的原理具體為：

1)在開始試驗(yàn)之前，向控制系統(tǒng)輸入磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)、磁流變液特性參數(shù)和彈丸轉(zhuǎn)速等目標(biāo)參數(shù)，控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)參數(shù)得到理論F-X曲線，理論F-X曲線為彈丸旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液所受到的合力隨活塞位移變化的F-X曲線。

2)開始試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)行預(yù)加載。控制系統(tǒng)給激振器一個(gè)輸出信號，在3 ms內(nèi)迅速增加輸出力，同時(shí)力傳感器給控制系統(tǒng)反饋力信號，當(dāng)反饋的力信號達(dá)到理論初始力大小時(shí)，位移傳感器開始測量活塞位移，并開始計(jì)時(shí)。

3)預(yù)加載完成后，在任意活塞位置，位移傳感器給控制系統(tǒng)反饋活塞位移信號，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的位移值和理論F-X曲線得到該位移所對應(yīng)的理論輸出力大小，同時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)力傳感器反饋的該位移實(shí)際輸出力大小與理論輸出力大小相比較，調(diào)節(jié)輸出力大小，使它接近理論輸出力大小，當(dāng)反饋的力信號(實(shí)際輸出力大小)小于該位移所對應(yīng)的理論輸出力時(shí)，控制系統(tǒng)增大輸出力，反之，則減小輸出力。如圖3所示，在整個(gè)過程中，等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺采無數(shù)個(gè)位移點(diǎn)，從而構(gòu)成輸出F-X曲線，并且使得輸出的F-X曲線不斷逼近理論F-X曲線，從而達(dá)到等效離心力的效果。

圖3　控制面板Fig.3　Control panel

4)試驗(yàn)結(jié)束后，控制系統(tǒng)顯示磁流變液的泄流時(shí)間。

2.2受力分析

選取炮彈的軸心和活塞軸心的交點(diǎn)為原點(diǎn)，活塞軸線方向?yàn)閄軸，垂直活塞軸線方向?yàn)閅軸，建立磁流變液泄流模型如圖4所示。

機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中，磁流變液泄流時(shí)所受到的力主要包括活塞對磁流變液的推力F1和自身的離心力F2。由于液桶長度很短，可忽略磁流變液在液桶中流動因摩擦力造成的沿程壓力損失。在磁流變液泄流過程中，活塞在只有偏心距的變化，磁流變液的偏心距也在變化，同時(shí)它的量會隨著泄流而減少，因此在磁流變液泄流時(shí)它所受到的合力為：

F=F1+F2=m1ω2(a+x)+

(1)

式中，m1為活塞質(zhì)量，m2為未泄流時(shí)磁流變液的質(zhì)量，x為泄流時(shí)活塞的位移，a為未泄流時(shí)活塞質(zhì)心到炮彈旋轉(zhuǎn)軸的距離，b為未泄流時(shí)活塞外端面與炮彈旋轉(zhuǎn)軸的距離，c為未泄流時(shí)磁流變液的長度，ω為炮彈轉(zhuǎn)速。

圖4　泄流模型Fig.4　discharge model

在等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)中，輸入以下目標(biāo)參數(shù)：活塞質(zhì)量m1(kg)；未泄流時(shí)活塞質(zhì)心到彈軸的距離a(m)；未泄流時(shí)活塞外端面與彈軸的距離b(m)；未泄流時(shí)磁流變液的長度c(m)；液桶半徑r(m)；磁流變液密度ρ(kg/m3)；轉(zhuǎn)速ω(rad/s)。

可得到活塞受力隨活塞位移變化的理論F-X曲線，其中磁流變液質(zhì)量m2=πr2cρ。

在實(shí)際旋轉(zhuǎn)過程中，磁流變液除了受到活塞推力、自身離心力和內(nèi)部的摩擦力的作用外，還受到科氏力的作用?？剖狭Φ姆较蚝碗x心力的方向相垂直，對磁流變液的泄流沒有直接影響，但影響整個(gè)流場分布，在流場分析中進(jìn)行分析。

2.3流場分析

等效旋轉(zhuǎn)時(shí)的環(huán)境力和彈丸實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)的環(huán)境力主要的區(qū)別在于磁流變液的受力方式不同。彈丸實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁流變液受到活塞的推力(力的大小等于活塞受到的離心力)和自身的離心力，同時(shí)在磁流變液泄流時(shí)，磁流變液會受到科氏力作用；等效旋轉(zhuǎn)時(shí)把磁流變液和活塞受到的離心力都轉(zhuǎn)換成活塞對磁流變液的推力，并由電腦伺服壓力試驗(yàn)機(jī)提供對活塞的推力，從而活塞推動磁流變液進(jìn)行泄流。為了驗(yàn)證它們的等效性，用Fluent軟件對其進(jìn)行仿真分析。

2.3.1仿真過程

1)有限元模型建立

采用自由劃分網(wǎng)格，對泄流孔處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，建立機(jī)構(gòu)有限元模型。

2)施加邊界條件

壁面采用固定壁面條件。等效機(jī)構(gòu)的進(jìn)口邊界施加活塞對磁流變液的壓強(qiáng)，出口壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)。編寫UDF，對彈丸實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)的磁流變液區(qū)域施加離心力和科氏加速度。

3)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置材料參數(shù)：采用自制的磁流變液，其密度ρ=5.6g/cm3，粘度η=1.5Pa·s。

2.3.2仿真結(jié)果及分析

從圖5和圖6中可以看出，等效旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部流場很均勻，流體流動速度基本一致，而實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部流場并不均勻，流體流動速度有少許差異，這主要是由于科氏力的影響造成的；從泄流孔處的磁流變液的流速可以看出，等效旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液最大速度為6.61m/s，實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液最大速度為7.33m/s，速度差異不大。可見，等效旋轉(zhuǎn)時(shí)可進(jìn)行參數(shù)修正，從而更加接近真實(shí)的泄流情況。從整體上看，等效旋轉(zhuǎn)和彈丸實(shí)際旋轉(zhuǎn)有一定的等效性。

圖5　等效旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液泄流仿真Fig.5　Discharge simulation of MRF in equivalent rotation

圖6　實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液泄流仿真Fig.6　Discharge simulation of MRF in actual rotation

通過對磁流變液泄流時(shí)的受力和流場分析，表明該等效旋轉(zhuǎn)平臺可等效磁流變液在彈丸實(shí)際旋轉(zhuǎn)過程中的泄流，但有一定的誤差存在。

3　等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)誤差分析

3.1等效誤差原因及修正參數(shù)的引入

從流場分析來看，等效旋轉(zhuǎn)和實(shí)際旋轉(zhuǎn)有一定的誤差存在，為了能夠更加接近真實(shí)的泄流情況，從而得到更加準(zhǔn)確的泄流時(shí)間，對等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺進(jìn)行誤差分析和參數(shù)修正。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，并參考圖4，磁流變液的泄流時(shí)間計(jì)算公式為：

(2)

式中，m1為活塞質(zhì)量，a為未泄流時(shí)活塞質(zhì)心到炮彈旋轉(zhuǎn)軸的距離，b為未泄流時(shí)活塞外端面與炮彈旋轉(zhuǎn)軸的距離，c為未泄流時(shí)磁流變液的長度，r0為泄流孔半徑，ω為轉(zhuǎn)速，r為液桶半徑，Cd為流量系數(shù)，ρ為磁流變液密度。

由式(2)可見，對于確定的機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的r，a，b，c，m1是定值，泄流孔流量Q是決定泄流時(shí)間的主要參數(shù)，由流體力學(xué)知識可得泄流孔的流量Q為：

(3)式中，A0為泄流孔截面積，ΔP為小孔入口處的壓強(qiáng)。其中，流量系數(shù)Cd與泄流孔半徑r0、泄流孔長度h、雷諾數(shù)Re有關(guān)，因此Cd與磁流變液的粘度μ有關(guān)[5]；小孔入口處壓強(qiáng)ΔP與彈丸轉(zhuǎn)速ω有關(guān)；泄流孔半徑r0直接關(guān)系著泄流孔面積A0?？梢?，泄流孔徑r0，彈丸旋轉(zhuǎn)速度ω，磁流變液粘度μ是影響泄流時(shí)間的三大要素。因此，等效誤差分析因從該三大要素入手。

改變彈丸轉(zhuǎn)速、泄流孔半徑及磁流變液粘度進(jìn)行多次仿真分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)小孔入口壓強(qiáng)均比等效旋轉(zhuǎn)時(shí)小孔入口壓強(qiáng)高8.6%左右，如圖7和圖8所示，可以推斷在仿真條件相同的情況下，等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺造成的誤差主要是由于磁流變液的受力方式不同而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)小孔入口處壓強(qiáng)ΔP不同造成的。在實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁流變液的內(nèi)部壓強(qiáng)分布是遞增的形式，越靠近泄流孔處的磁流變液的偏心距越大，所對應(yīng)的離心力就越大，而等效旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液受到的合力是根據(jù)磁流變液整體的偏心距來計(jì)算的，故此對等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺進(jìn)行壓力補(bǔ)償，即在受力公式(1)中添加一個(gè)偏心修正系數(shù)ε，使得泄流孔入口處的壓強(qiáng)更加接近實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)的壓強(qiáng)：

(4)

其中，當(dāng)ε=1.1，可使得小孔入口處壓強(qiáng)提高8.6%。

圖7　等效旋轉(zhuǎn)時(shí)壓強(qiáng)分布圖Fig.7　The distribution of pressure in equivalent rotation

圖8　實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)壓強(qiáng)分布圖Fig.8　The distribution of pressure in actual rotation

3.2修正后等效誤差驗(yàn)證

引入偏心修正參數(shù)后，分別改變?nèi)笠刂械囊粋€(gè)要素，經(jīng)過多次仿真，延期解除保險(xiǎn)時(shí)間對比圖如圖9—圖11所示。

圖9　彈丸轉(zhuǎn)速-延期時(shí)間曲線圖Fig.9　The curve of rotation and delay time

圖10　泄流孔半徑-延期時(shí)間曲線圖Fig.10　The curve of discharge and delay time

圖11　磁流變液粘度-延期時(shí)間曲線圖Fig.11　The curve of MRF viscosity and delay time

可見，等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺進(jìn)行引入偏心修正參數(shù)后，磁流變液在不同條件下的泄流均接近實(shí)際情況，其等效誤差不大于5%，能很好地等效彈丸實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液的泄流情況。

4　結(jié)論

本文提出了磁流變液延期解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)平臺。該平臺把旋轉(zhuǎn)問題轉(zhuǎn)化為了單向加載問題，從而實(shí)現(xiàn)了等效旋轉(zhuǎn)，使得機(jī)構(gòu)不存在偏心問題，大大增加了靜態(tài)試驗(yàn)的穩(wěn)定性和可靠性；該平臺能在3 ms內(nèi)加載到指定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的載荷，完成預(yù)加載，保證了對磁流變液泄流時(shí)間測量的精確度；該平臺可精確加載到極高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的載荷，滿足各種炮彈轉(zhuǎn)速需求；該平臺可顯示泄流時(shí)間，不需要外加計(jì)時(shí)設(shè)備，優(yōu)于旋轉(zhuǎn)離心機(jī)。等效旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)誤差分析表明，等效誤差主要是由于磁流變液的受力方式不同，導(dǎo)致流體內(nèi)部壓強(qiáng)有所差異而造成的，引入偏心修正參數(shù)后，其等效誤差不大于5%，能夠很好地等效彈丸旋轉(zhuǎn)時(shí)磁流變液的泄流情況。

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Equivalent Rotation Test-bed for MRF Delay Arming Device

HU Ming1, WANG Jiong1，WANG Xinjie1, LIU Bin2, WANG Junhong2

(1.College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.The Northwest Industrial Group co., LTD, Xi'an 710043, China)

For the problem of the device installed to the spinning centrifuges would exist eccentricity, the preload time of the spinning centrifuges is too long, and the speed limit for the spinning centrifuges, an equivalent rotation test-bed for MRF delay arming device was proposed. This test-bed transform the rotation problem into uniaxial loading problem to achieve equivalent rotation. This Test-bed could complete the preload in 3 ms, and the load could reach accurately the values that was corresponding to the high speed, thus the delay arming time could been measured precisely. The equivalent rotation test error analysis showed that the equivalent error was less than 5% for the equivalent rotation test-bed after revision, and the discharge status in actual rotation could be equivalent successfully.

delay arming time; equivalent rotation; test-bed; equivalent error

2016-02-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51175265)

胡明(1989—)，男，四川綿陽人，博士研究生，研究方向：引信機(jī)構(gòu)。E-mail:18652088301@163.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2016)04-0015-05