小口徑引信磁流變脂解除保險機構設計與延時特性

鄭佳佳， 闞君武， 胡明， 張廣， 王炅

(1.浙江師范大學 工學院， 浙江 金華 321004； 2.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

0 引言

小口徑機械引信具有體積小、質量輕、抗干擾和精度好等優(yōu)點，使得彈藥在現(xiàn)代防空高炮中被大量裝備使用，推動著引信向微小型化、靈巧化和智能化方向發(fā)展[1]。目前傳統(tǒng)小口徑炮彈引信延期解除保險機構主要有球轉子機構、無返回力矩鐘表機構和氣/液體阻尼機構等幾種形式[2-4]。制約解除保險機構應用發(fā)展的問題主要在于炮口延期解除保險距離過短、精度較低、延期時間不宜調節(jié)或通用性較差等；如何延長隔爆機構的解除保險時間，即增大引信炮口解除保險距離，是解決上述問題的首要任務之一[5]。

新材料和新技術的出現(xiàn)和應用往往會促進引信技術及武器系統(tǒng)性能的進一步提高。磁流變液(MRF)作為一種新型智能材料，能在外加磁場作用下實現(xiàn)液態(tài)和類固態(tài)之間毫秒級快速、可逆的連續(xù)轉換[6]。因此，以MRF為工作介質的準流體阻尼延期解除保險機構具備結構簡單、延期時間可調、抗過載能力強、適用溫度范圍廣等優(yōu)點，在中、小口徑炮彈引信上有極大的應用前景[7]。

然而，基于前期研究工作[7-9]發(fā)現(xiàn)，由于MRF中分散相粒子與載液之間存在巨大的密度差，極易引起磁性顆粒沉降問題，導致MRF解除保險機構延期性能大幅度降低，甚至出現(xiàn)失效等現(xiàn)象。另外，針對彈藥長期存貯、運輸?shù)缺厝磺闆r，MRF液體的沉降與密封問題日益凸顯，極大地影響了解除保險機構的精度，降低了解除保險機構運行可靠性。而另一種新型磁流變智能材料——磁流變脂(MRG)以高黏度的脂類作為分散介質，展現(xiàn)出了較強的磁流變效應及良好的沉降穩(wěn)定性[10]。文獻[11]指出MRG在受擠壓作用下可連續(xù)無堵塞地通過孔徑僅為75～1 000 μm的微流道，表明了以MRG為機電耦合介質的引信解除保險機構的可行性。

本文以小口徑炮彈引信為應用場景，設計以MRG為工作介質的小尺度延期解除保險機構。通過MRG在有/無磁場下的開關特性及受擠壓收縮阻尼流動特性，實現(xiàn)解除保險機構的有效延期功能。同時，基于流體動力學與磁場仿真分析，建立延期解除保險時間的數(shù)學模型，并利用離心模擬實驗研究模型中不同物理參數(shù)對延期時間的可控性影響。

1 引信解除保險機構設計

本文提出的MRG延期解除保險機構內部結構如圖1所示，主要由轉子、基座、液筒、鎖銷、后坐銷、限位銷、雷管、永磁鐵、MRG和T型活塞等零部件組成。圖1中：ω為彈丸旋轉角速度；L為液筒長度，L=2.5 mm；l為收縮孔長度，l=0.5 mm；a為活塞中心到旋轉軸距離，a=2.04 mm；b為活塞表面到旋轉軸距離，b=2.8 mm；e為轉子中心到旋轉軸距離，e=2.5 mm.

圖1 小口徑引信磁流變延期解除保險機構Fig.1 Magnetorheological S&A device for small-caliber fuze system

該機構的工作原理為：在勤務處理時，MRG受永磁鐵產生的磁場作用呈現(xiàn)類固態(tài)(具有一定磁致剪切屈服應力)，擋住活塞移動，從而限制轉子的運動，此時雷管與導爆管沿彈丸旋轉軸方向轉角約為100°，引信處于隔爆安全狀態(tài)。彈丸發(fā)射后，解除保險機構在加速后坐力作用下釋放與環(huán)形彈簧相連接的后坐銷，便解除了引信第1道延期保險；與此同時，永磁鐵在重力作用下切斷剪切銷并下落脫離機構，使得MRG瞬間由類固態(tài)轉變成易流動的液態(tài)；受到彈丸旋轉產生的自身離心力和活塞外加推力后從收縮孔中擠壓泄流，直至活塞全部撤出轉子槽，便解除了引信第2道延期保險。最后，轉子去除約束后在自身離心力作用下快速轉正，使雷管和導爆管軸向對正，此時引信處于解除保險的待發(fā)狀態(tài)。

由此可見，該引信MRG延期解除保險機構具有如下優(yōu)勢：1)MRG剪切應力較大(見圖2)，且在長時間存儲期間不會出現(xiàn)顆粒沉降、變質及泄漏等失效情況，能保證機構意外跌落時的勤務處理安全；2)機構具備兩道延期保險，可有效避免出現(xiàn)彈丸膛炸現(xiàn)象；3)延期時間可調、可控，結構簡單可靠。

圖2 不同磁感應強度下MRG剪切特性Fig.2 Flow curves of MRG under different magnetic fields

1.1 開關特性

本文引信機構能夠實現(xiàn)在指定時間或距離內解除保險，主要依賴于MRG受磁場作用呈類固態(tài)、撤掉磁場后變回液態(tài)的開關特性。如圖3所示，當施加縱向磁場時，MRG內磁性顆粒沿磁場方向有序排列，形成鏈狀或柱狀，產生屈服應力以抵抗活塞離心力；一旦撤去磁場，MRG瞬間表現(xiàn)為一種顆粒隨機分布的懸浮液。

圖3 MRG解除保險機構開關特性示意圖Fig.3 On/Off characteristics of MRG S&A device

MRG最大屈服應力是MRG保險機構延期計時中的關鍵參數(shù)。在外部推力作用下，由磁性顆粒組成的鏈狀簇在某一臨界值角度θpB下開始斷裂，而該角度閾值取決于所施加的磁場強度。高剪切屈服應力將有效提高引信解除保險機構在較高彈丸轉速如大于50 000 r/min下的工作可靠性。當體積分數(shù)為50%、磁感應強度為0.4 T時，MRG屈服應力可達到54.3 kPa(見圖2)，從而可有效防止機構在彈丸轉速小于35 000 r/min、剪切應力≤53 kPa情況下開始MRG泄流現(xiàn)象。

1.2 磁場分析

針對小口徑引信MRG解除保險機構的磁路設計，優(yōu)先考慮整體尺寸約束，其次考慮磁場方向及均勻性。選用永磁鐵作為磁場源，并沿彈丸軸向放置于液筒兩側，以實現(xiàn)機構的開關特性。該永磁鐵材料采用N45釹鐵硼，尺寸大小為1.0 mm×2.5 mm×4.0 mm，剩磁為1.37 T，矯頑力為876 kA/m，最大磁能積為358 kJ/m3.

簡化磁路主要由永磁鐵、液筒、MRG和外界空氣組成。選擇非磁性銅作為液筒材料，以最大化穿透MRG介質的電磁通量；然后利用有限元軟件COMSOL Multiphysics的AC/DC模塊進行二維磁場仿真分析，獲得MRG有效區(qū)域磁場分布。選用文獻[12]中非線性磁感應強度- 磁場強度曲線來描述MRG材料的磁化特性。其余非磁性介質均采用恒定相對磁導率，即相對磁導率為1. 圖4所示為MRG區(qū)域內磁感應強度分布結果。由圖4可見，盡管流體區(qū)域內磁感應強度分布不均勻，但其平均值接近0.4 T. 結合圖2表明，所選用的N45釹鐵硼永磁鐵具備在彈丸最高轉速為35 000 r/min情況下使解除保險機構進行延期計時的功能。

圖4 磁感應強度分布模擬仿真結果Fig.4 Simulated distribution of magnetic field densities generated by two permanent amagnets

圖5 外加壓力下MRG孔口出流模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of MRG orifice flow under impressed pressure

2 延期時間數(shù)學模型

由1.1節(jié)可知，延期時間作為引信機構性能的重要指標參數(shù)之一，主要取決于MRG泄流時間。為簡化非牛頓流體MRG孔口出流數(shù)學模型(見圖5)，做如下假設：

1) MRG黏性流動充分發(fā)展并在孔口處做層流運動，且在雷諾數(shù)<2 000及較高剪切速率(>20 000 s-1)下可被視為不可壓縮穩(wěn)定流動；

2) 由于泄流過程極短(小于100 ms)，忽略溫度效應對介質MRG的流變特性影響；

3) 彈丸轉速始終保持恒定不變。

圖5中：p0為孔出口處(外部環(huán)境)壓力；p1為由活塞推力Fp和液體自身離心力Fc作用產生的外部壓力；p2為孔收縮處和孔出口處(外部環(huán)境)壓力；v1為區(qū)域1截面平均流速；v2為區(qū)域2截面平均流速；rh為液筒半徑；r0為區(qū)域2內收縮半徑，r0=0.3 mm.

根據(jù)伯努利方程[13]，黏性液體經過收縮孔時會引發(fā)機械能損失，孔上游(區(qū)域1)與收縮處(區(qū)域2)之間的機械能損失關系可描述為

(1)

(2)

為描述環(huán)形通道中MRG的受擠壓流動，采用一個非牛頓流體的廣義模型，即Hershel-Bulkley模型，其剪切應力與速率之間的關系[14]如下：

(3)

通過假設非牛頓液體泄流過程為沿壁無滑移的不可壓縮層流，區(qū)域2內MRG體積流量與壓降的關系[14-15]可表示為

(4)

由于MRG泄流始于永磁鐵跌落后，外加磁場作用消失，使得MRG動態(tài)屈服應力τd趨于0. 因此(4)式可簡化為

(5)

從而獲得區(qū)域2(L

(6)

另外，活塞推力Fp和液體自身離心力Fc可分別表示為

Fp(x)=mpω2(a+χ)，

(7)

(8)

因此，外部壓力p1可表示為活塞推力Fp和MRG自身離心力Fc的平均值

(9)

式中：Sp為活塞橫截面積。

圖6 延期時間測試裝置Fig.6 Experimental setup for delay time measurement

(10)

由此看出，引信解除保險機構延期時間長短取決于MRG流變特性及器件結構尺寸等因素。因此該機構可利用不同流體介質實現(xiàn)可調、可控的保險時間和距離。

3 延期時間測量試驗

3.1 離心環(huán)境模擬

在整個彈丸發(fā)射過程中，MRG泄流時受力方向始終沿著液筒軸向。若假定彈丸無旋轉，則可將原作用于MRG的合力(包括活塞推力Fp和自身離心力Fc)等效為1個等值軸向驅動力。如圖6所示，解除保險機構延期時間測試裝置主要由控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、功率放大器、伺服測試單元等組成，其中伺服測試單元主要包括位移傳感器(靈敏度1 000 mV/mm)、力傳感器(靈敏度9.82 mV/N)、激振器、可編程電源等。試驗測試前，需要通過設定不同輸入?yún)?shù)如結構尺寸、流體密度和彈丸轉速模擬出理想的力- 位移曲線。一旦開始泄流，基于系統(tǒng)反饋信號實時調節(jié)激振器實際輸出驅動力，以逼近理想力- 位移曲線(見圖7)?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同工況實時記錄每次測試的延期時間和活塞的力- 位移曲線。通過搭配不同泄流孔徑(0.26～0.34 mm)、彈丸轉速(50 000～90 000 r/min)及MRG顆粒體積分數(shù)(分別為42.8%、46.7%、50.0%、52.9%和55.6%)等影響因素，測量各自工況下的延期時間，驗證理論計算得到的泄流時間和修正局部阻力系數(shù)。

3.2 局部阻力系數(shù)修正

流體通過突然收縮管道時，由于流體慣性作用，主流和壁面發(fā)生分離并形成漩渦，引起局部阻力損失。目前通常利用流體力學相關文獻或手冊來查找局部阻力損失系數(shù)經驗值[16]。針對突然擴張管道，壓力損失系數(shù)可作為關于雷諾數(shù)Re(10

(11)

上述經驗值只考慮了收縮比影響，未包含其他重要參數(shù)如平均流速和壓差等。為更精確地描述延期時間數(shù)學模型，根據(jù)(2)式修正局部阻力系數(shù)如下：

(12)

圖8所示為兩種不同阻力損失系數(shù)時延期時間理論模型和試驗數(shù)據(jù)對比。由圖8可以看出，利用經驗系數(shù)計算的結果與試驗測量數(shù)據(jù)存在一定的誤差。這是因為針對任何不同工況經驗系數(shù)ξ0都恒定約為0.5，嚴重影響了延期計時的準確性和可靠性。而基于(16)式的修正系數(shù)ξ1，在不同顆粒含量及彈丸轉速下延期時間理論結果都更加逼近試驗數(shù)據(jù)，其最大誤差減小為6.7%，有效提高了該延期時間數(shù)學模型的精確性。

為進一步驗證修正系數(shù)ξ1的可靠性，圖9給出了不同變量參數(shù)如顆粒含量、彈丸轉速及孔徑大小對該機構延期時間的影響規(guī)律。結果表明：依據(jù)修正系數(shù)ξ1建立的理論模型和試驗數(shù)據(jù)結果符合較好；只是在彈丸高轉速下，理論延期時間普遍小于試驗數(shù)值，這種差異可能與平均流速的急劇增加有關。

圖8 延期時間理論模型與試驗數(shù)據(jù)對比Fig.8 Comparison of theoretical and experimental data for delay time

圖9 延期時間隨孔徑變化規(guī)律(修正系數(shù)ξ1)Fig.9 Delay times under different orifice diameters (modified coefficient ξ1)

延期時間隨孔徑的增加而減小，而顆粒含量則與延期時間呈正比。這是因為MRG表觀黏度隨磁性顆粒含量的增加而變稠，導致顆粒與顆粒之間的摩擦力急劇增加，從而延長泄流時間。然而，僅通過提高MRG黏度方式調整機構的延期時間，其幅值會隨著顆粒含量增加而趨向某個飽和時間值，從而導致其可控性明顯減弱。而過稠的MRG也會造成機構收縮孔堵塞，顆粒久放團聚、甚至失效等后果。因此，基于孔口直徑對機構延期時間具有較大的可調能力，建議采用調節(jié)孔口直徑來控制其延期時間。

4 延時特性分析

圖10所示為體積分數(shù)50% MRG在預設定載荷作用下通過直徑為0.26 mm收縮孔時的高速攝影時間歷程。由圖10可見，在孔入口區(qū)域內，由于MRG同時受到剪切和拉伸復合作用，呈現(xiàn)出復雜的混合流動模式。具體而言，MRG沿管壁附近主要受剪切作用主導，而在中心線附近主要受拉伸作用并且基本無剪切運動。即使無磁場作用，黏彈性MRG需要克服其最小屈服應力后才能流動；因此，試驗過程中MRG不會因自身重力而提前流出孔口，通常在給定軸向驅動力作用下歷經約21.9 ms后開始泄流。另外發(fā)現(xiàn)，MRG受擠壓孔口出流過程中會出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象；這可能歸因于等效驅動力(見圖7)隨時間持續(xù)減??；也可能歸因于固體與液體分離時引起的顆粒不均勻團聚現(xiàn)象。

圖10 MRG通過收縮孔(r0=0.13 mm)時高速攝影Fig.10 Images of MRG flow through abrupt contraction-expansion (r0=0.13 mm)

圖11所示為不同彈丸轉速下孔徑收縮比(rh/r0)和顆粒體積比對MRG延期時間的影響規(guī)律。由圖11可見，針對固定的顆粒濃度和孔徑大小，MRG泄流延期時間隨軸向驅動力(彈丸轉速)的增加而減小。例如，顆粒體積比42.8%的MRG在彈丸轉速90 000r/min作用下，獲得的延期時間為11 ms；而當彈丸轉速降低為50 000r/min時，其延期時間上升到29 ms. 根據(jù)(10)式可知，孔徑收縮比與延期時間的比例關系為t∝(rh/r0)2；這歸因于在具有較大收縮比的孔口附近，黏性剪切效應將主導通道內流體的壓降變化。上述分析結果表明，彈丸轉速和孔徑收縮比對調整MRG泄流延期時間起著關鍵作用。隨著入口壓力的增加，由拉伸產生的黏彈性阻力對延期時間影響逐漸凸顯。顆粒體積比55.6%的MRG在彈丸轉速50 000r/min作用下，整個泄流過程歷經58 ms；而當彈丸轉速大于90 000r/min時，MRG剪切稀化特性導致出現(xiàn)較顯著的計時飽和現(xiàn)象。同時，利用流體黏度來調節(jié)延期時間，應盡量避免收縮孔處由顆粒沉團聚或沉降引發(fā)的堵塞現(xiàn)象，以確保延期的計時精度。

圖11 不同彈丸轉速下延期時間隨孔收縮比及顆粒濃度的變化規(guī)律Fig.11 Change of delay time with increase in contraction ratio and CI particle volume fraction at four different spinning rates

5 結論

本文針對小口徑炮彈引信，提出了一種以MRG為工作介質的新型小尺度延期解除保險機構，其大小為φ16.8 mm×18.0 mm. 利用MRG在有無磁場下的開關特性及受擠壓收縮阻尼流動，實現(xiàn)解除保險機構的有效延期功能。結合流體動力學與磁場仿真分析，建立了延期解除保險時間的數(shù)學模型。得到的主要結論如下：

1) 針對外加壓力下孔口出流，建立了MRG解除保險機構延期時間數(shù)學模型?？紤]到孔口收縮比、平均流速和壓差等因素，將傳統(tǒng)局部阻力系數(shù)進行了修正。結果表明，在不同顆粒含量及彈丸轉速下，采用修正系數(shù)能夠更加逼近試驗數(shù)據(jù)，使得最大誤差減小為6.7%.

2) 搭建了延期時間測試裝置來模擬彈丸發(fā)射產生的離心環(huán)境，并測試了各種工況下解除保險機構的延期時間。結果表明，通過匹配不同泄流孔徑、彈丸轉速和顆粒體積比等參數(shù)，可實現(xiàn)延期時間可控范圍為9～84 ms.

3) 孔口收縮比對機構延期時間具有較大的決定性影響，建議在避免顆粒團聚堵塞情況下，通過調節(jié)孔徑大小來控制機構的延期時間。