一种抗高过载小型电拔销器结构设计

潘守华，刘海旭，王天宝，王亚东，赵 亮，李 钊，曾祥涛

一种抗高过载小型电拔销器结构设计

潘守华1，刘海旭1，王天宝2，王亚东1，赵 亮1，李 钊1，曾祥涛1

（1. 北方特种能源集团西安庆华公司，陕西 西安，710025；2. 陆装驻西安地区第一代表室，陕西 西安，710025）

设计了一种耐受高过载剪切式拔销器，通过抗过载结构和装药结构设计，采用过盈配合锁定方式，实现了小型拔销器拔销和销子自锁功能。理论计算和试验研究表明，剪切式拔销器具有良好的抗高过载能力，且功能可靠。

拔销器；小型化；高过载

电拔销器具有结构简单、尺寸小、作用可靠和安全性高的特点，已经广泛应用到航天、航空、兵器等武器系统中[1]。随着武器小型化的发展，弹道力学环境也越来越复杂，在某炮射导弹阻力器释放机构用电拔销器的研制过程中，弹道过载冲击值模拟为23齿、3个方向。由于安装电拔销器的体积空间相对较小，这对电拔销器耐受高过载冲击的设计提出了更高要求。传统支撑片结构的电拔销器尺寸及耐受高过载的性能已不能满足使用要求，特别是每发产品耐受3个方向高过载性能的要求。为此，笔者提出一种全新的小型拔销器结构设计方案，解决了小型拔销器耐受3个方向高过载，且结构不损坏的问题，以满足武器系统的使用要求。

1 电拔销器结构设计

1.1 设计思路

该电拔销器设计要求为：尺寸为φ8mm×13mm，拔销行程不小于3.5mm，同时需满足销子头朝下23齿锤击3次，头朝上23齿锤击1次，水平18齿锤击6次（每隔60°锤击1次）的循环锤击，结构不能损坏。

传统拔销器采用支撑片结构，其中核心件支撑片为弹性簧片，对销子在拔销前起支撑、拔销后起自锁的作用[2]。相关资料显示该类型拔销器径向可耐受23齿锤击1次；销子朝上、朝下方向不能耐受18齿过载冲击。分析认为销子朝上锤击试验后会出现销子外露长度减少、销子松动的现象，存在拔销器提前拔销的风险；销子朝下时出现烧结电极塞破裂的现象，产品结构损坏，电阻发生了变化。

依据电拔销器作用原理和设计要求，电极塞选用抗高过载的陶瓷电极塞，设计一种剪切销式电拔销器，通过点火药作用推动销子，切断固定销子的剪切销，同时实现拔回的功能，采用过盈配合实现自锁。该设计核心是调节剪切销直径、材料及点火药装药量之间的匹配，理论上只要剪切销的直径足够大，就能满足耐过载要求。但由于拔销器外形尺寸较小（φ8mm×13mm），设计时既要保证剪切销能耐受23齿过载要求，又要实现可靠切断，同时还要满足销子和管壳在剪切销安装孔位置的薄弱部分强度均大于剪切销的强度，所以销子和管壳的薄弱部分都要有一定的厚度。通过对电极塞和剪切销所用材料的选型，及试验验证，设计新型小型电拔销器，结构示意图见图1。

图1 电拔销器结构示意图

1.2 工作原理

发火件接受到规定的能量刺激后，产生的火焰气体沿传火方向将销子内的药剂点燃，同时产生冲击力，使得销子克服剪切销的约束向拔销方向运动，实现拔销的功能。销子运动到位后缓冲环将其锁定，防止销子的反弹。

1.3 理论计算

拔销器抗过载能力主要由销子固定结构强度决定，本结构采用金属剪切销将销子与管壳固定在一起。剪切销固定结构如图2所示。

1.3.1 过载力值计算

根据牛顿第二定律知，销子在锤击时所受的作用力为：

=（1）

式（1）中：为销子惯性力，N；为销子质量，kg；为锤击过载加速度，m/s2。查资料可知[3]：23齿锤击等效过载为：29 000g。

经计算：=203N。

图2 剪切销固定结构

1.3.2 剪切销最小剪断力

根据材料手册，所用不锈钢丝的抗拉强度极限σ=540~880MPa；由机械强度理论知，许用剪应力[]为：

式（2）中：[]为材料的许用应力，MPa；为材料安全系数，取=1.25~1.50。

经计算：[]≥360~720MPa。

剪切面积：

式（3）中：为剪切面积，m2；为剪切销直径，mm。

由强度理论知，剪切销被剪断所需的最小力为许用剪切力与剪切面积的乘积，即：

1=×≥[] ×（4）

剪切销设计裕度取2.5~5.5，得1=×=507.5 ~1 116.5N。

经计算：=0.947~1.004mm。

取剪切销直径为1mm。

1.3.3 缓冲环过盈阻力

为实现销子作用后自锁，设计了缓冲环。缓冲环与销子采用过盈配合方式，通过过盈阻力消耗销子能量，最终实现销子自锁功能[4]。销子外径和缓冲环内径为5.5mm，缓冲环和销子均为金属材料，过盈量决定了销子运动的最终状态，见图3。

通过静态测试得到不同公差等级与过盈阻力的关系，见表1。

图3 自锁结构

表1 不同公差等级与过盈阻力的关系

Tab.1 Relation between different tolerance grade and interence force

1.3.4 装药设计

装药量与拔销克服阻力有关。销子在缩回过程中须克服销子端负载阻力、剪切销抗力及缓冲环阻力。对于密闭容腔内真实爆炸气体，使用阿贝尔余容状态方式计算装药量，但拔销器为非密闭空间，作用后存在气体流出，参考无后座炮相关设计，假定气体流出相对量为50%，则修正后的计算公式为[5]：

式（5）中：为装药量，kg；P为火药燃烧后产生的压力，MPa；为总容腔，49.53×10-3cm3；K为修正系数，取0.6；为火药气体余容，cm3/kg；为火药力，J/kg。

要使销子可靠缩回，则火药燃烧后产生的压力须大于拔销的阻力，则：

式（6）中：1为剪切销剪切力，565.2～1 105.3N；2为销子端负载阻力，42N；3为缓冲环阻力，约210N；1为容腔大径，m；2为容腔小径，m。

经计算：P=46.45~77.155MPa

火药气体余容根据公式（7）计算：

=e-0.4ρ（7）

式（7）中：为气体余容；为火药燃烧后的气体密度，为简化计算，爆炸后气体密度近似认为等于装填密度△。

查资料[5]知，所用点火药的火药力为=0.43MJ /kg，代入式（5）~（7），经计算得装药药量为：=8.9~14.8mg。为保证拔销器均能可靠缩回，装药量应大于14.8 mg，故确定装药量为15～16mg。

2 试验研究

确定电拔销器剪切销直径和产品装药量后，为保证产品作用的可靠性，对产品进行装药裕度试验、抗过载试验和气候环境试验。

2.1 装药裕度试验

根据理论计算的药量，进行了不同药量的对比试验，试验结果见表2。

表2 装药药量对比试验结果

Tab.2 Contrast test of charge mass

由表2试验结果可知，装药量在11.1～22.0mg的范围内都能满足功能要求。考虑拔销器工作裕度及爆炸冲击对系统的影响，确定药量范围为15～16mg。确定药量后，分别按上、下限药量的120%与80％进行了药量裕度试验，试验结果见表3。

表3 输出端装药药量裕度试验

Tab.3 Output charge margin test

由表3裕度试验结果表明，药量设计合理，能够保证销子可靠缩回，且结构完整。

2.2 抗过载试验

拔销器在符合WJ 233-1977要求的锤击机上进行抗过载能力验证试验。试验条件按销子头朝下23齿锤击3次→销子头朝上23齿锤击1次→径向18齿锤击6次（每隔60°锤击1次）指标进行，试验后检测销子外露尺寸和产品电阻，试验前后销子外露尺寸变化不大于0.04mm，电阻变化不大于0.1Ω判定为合格。锤击试验结果见表4。

表4 锤击试验结果

Tab.4 Hammering test results

由表4可知，拔销器锤击试验后，同一发产品销子外露尺寸最大变化为0.03mm，电阻最大变化为0.03Ω，判定为合格，即销子外露尺寸和产品电阻基本无变化，表明拔销器具有良好的抗过载能力。锤击试验后进行了功能试验，拔销器均可靠作用，试验结果见表5。

2.3 环境试验

拔销器状态确定后，试制40发产品，进行了环境适应性试验和功能试验，结果见表6。

表5 锤击试验后功能试验结果

Tab.5 Functional test results after hammering test

表6 功能试验结果

Tab.6 Functional test results

试验表明，拔销器设计合理，缓冲环能够有效对销子实现自锁，且功能可靠。

3 结论

（1）设计了一种剪切销式拔销器，实现了小型化拔销器抗高过载结构设计；（2）通过理论计算及装药裕度试验研究，提供小型拔销器抗高过载及装药量的理论计算方法。

[1] 王凯民.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社, 2006.

[2] 崔卫东.拔销器的小型化设计[J].火工品,2006(2):17-19.

[3] 夏建才.火工品制造[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

[4] 孙洁.拔销器作用过程的仿真研究[J].火工品，2017(1):10-13.

[5] 王凯民.火工品工程[M].北京:国防工业出版社,2014.

The Structure Design of An Anti-high Overload Electric Pin Puller with Small Size

PAN Shou-hua1，LIU Hai-yu1，WANG Tian-bao2，WANG Ya-dong1，ZHAO Liang1，LI Zhao1，ZENG Xiang-tao1

（1.North Special Energy Group Co.Ltd.，Xi’an,710025；2. The First Representative Office of Army Equipment in Xi’an，Xi’an,710025）

A kind of pin puller with forward-fired transfer and reverse movement structure was designed. The anti-high overload pin puller is realized by the anti-high overload structure, charge structure and anti-rebound structure design. The theoretical calculation and experimental study show that the designed pin puller has good anti-high overload ability and reliable function.

Pin puller；Small-sized；High overload

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.003

1003-1480（2019）06-0009-04

2019-11-14

潘守华（1979-），男，高级工程师，主要从事火工品设计研究。