小口径轨道炮一体化C型电枢的结构设计
来源:用户上传
作者:
摘 要：通過对小口径轨道炮电磁发射用电枢进行合理设计，设计了两款一体化C型电枢。对两款电枢分别进行了建模仿真，得到了初始装配阶段的接触压力分布云图，通过对仿真结果的理论分析得出凹弧型电枢更加适合小口径轨道炮的发射要求。
关键词：电磁发射;C型电枢;过盈装配;接触压力
中图分类号：TJ866 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）20-0035-03
Abstract： Through the reasonable design of the armature for electromagnetic launch of small caliber rail gun， two types of integrated C-type armature are designed. The two types of armature are modeled and simulated respectively， and the contact pressure distribution cloud diagram of the initial assembly stage is obtained. Through the theoretical analysis of the simulation results， it is concluded that the concave arc armature is more suitable for the launch requirements of small caliber rail gun.
Keywords： electromagnetic emission; C armature; interference assembly; contact pressure
引言
电磁发射技术作为一项可行性较强的未来武器技术引起了世界上许多军事强国的关注。电枢是电磁轨道发射装置的关键部件，它是将电源电能转化为负载动能的直接作用装置。枢轨电接触转捩和射向精度控制是小口径电磁轨道炮的关键技术难点。发射试验表明，小口径电磁轨道炮在启动阶段以及高速阶段都存在枢轨电接触转捩问题。转捩电弧损伤轨道和内膛绝缘，降低发射效率。小口径电磁轨道炮的电枢结构设计目标是通过电枢结构优化和材料优选消除枢轨电接触转捩、防止内膛绝缘失效。
1 一体化C型电枢基本结构设计
根据小口径电磁轨道炮电枢的电磁特性、热特性和力学特性设计目标，进行电枢基础结构参数设计。
首先确定的C形电枢结构参数有：电枢口径、转角厚度、尾翼长度、尾翼端部厚度等，如图1所示。然后进行接触面结构、内侧面结构和喉部结构参数设计。
电枢结构设计完成之后，对电枢的电磁、力学和热学性能进行计算和评估，重复上述设计流程直到达到设计目标。
1.1 尾翼机械过盈设计
在确定C形电枢的基本结构参数的基础上，开展尾翼接触过盈结构的优化设计。通过计算不同过盈结构及其过盈量情形下接触压力分布、接触面积、接触位置的变化规律，分析电枢启动阶段电流分布特性，以及尾翼电磁接触压力分布特性，考察启动阶段转捩发生的可能性，分析电枢接触面电流熔蚀发生的位置及其熔蚀质量，综合评估电枢接触过盈结构性能。重复上述设计流程直到达到设计目标。
1.2 喉部结构设计
电枢喉部电流集中处容易产生熔化，在两侧尾翼向外张开时形成裂缝，在磁锯效应作用下，裂缝急剧发展甚至造成电枢在横档处整体断裂，如图2所示。通常采用鞍形喉部结构改善喉部电流分布。鞍形结构一方面减小喉部曲率，同时还能减小喉部边缘电流密度。利用电流作用积分计算可判断喉部结构设计效果。
1.3 尾翼内侧表面结构设计
尾翼的柔顺性主要受材料的力学性能、横截面形状和截面积影响。尾翼接触表面形状和尺寸在轨道形状确定以后就不能改变，因此只能通过优化尾翼内侧面形状的改变来调整尾翼的柔顺性。尾翼内侧面设计时需要同时兼顾尾翼的抗拉强度和柔顺性。
2 小口径电枢设计图
电枢设计结构的三维图如图3、图4所示。电枢材料为铝合金。其中图3是凹弧形接触面电枢，内膛采用D形轨道;图4是凸弧形接触面电枢，适用于圆形内膛。
3 仿真计算
3.1 仿真模型
计算电枢装配过程中接触界面接触压力分布所采用的物理模型如图5所示。计算中采用的软件为ANSYS。
3.2 仿真结果
（1）凹弧电枢轨道过盈装配压力分布（如图6）
从压力分布云图可以得到（如图7），装配单边过盈量为1mm时，最大接触压力为7.87×107N/m2。接触面中心接触压力最大，接近电枢尾翼边沿时，接触压力逐渐变小。总接触压力为3397.4N，满足1g/A定律要求。
（2）凸弧电枢轨道过盈装配压力分布（如图8）
从压力分布云图可以得到（如图9），装配单边过盈量为1mm时，最大接触压力为2.48×108N/m2。接触压力最大区域集中在电枢尾翼边沿位置且靠近尾翼端部，总接触压力为4147.3N，满足1g/A定律要求。
比较起来，凹弧形电枢在装配后接触界面接触压力分布较凸弧电枢更优。主要表现为两个方面：一是接触压力分布均匀;二是接触压力主要分布在接触面中心区域。前者可避免应力集中，应力集中有可能导致塑性变形主导的干摩擦机制发生，一方面损伤接触材料，同时导致摩擦力增大，阻碍电枢的启动;后者表明枢轨实际接触区域在接触面中央位置，有利于将电枢电流熔蚀产生的液化铝控制在接触面内，有利于润滑和增大接触面面积，同时防止了凸弧电枢情形下的液化铝向内膛绝缘的喷射损伤。
在施加电流后，电枢尾翼上产生电磁接触压力，凹弧电枢与轨道之间的实际接触面积会因之增大，有利于对接触界面的磁扩散过程的控制，通过改变电流进入电枢的路径来优化接触面电流分布，减少电枢表面材料的电流熔蚀。
4 结论
（1）设计了两款一体化C型电枢，适合口径20mm以内的小口径电磁轨道炮。
（2）两种电枢尾翼的接触过盈提供接触压力均大于
3kN，能有效消除启动阶段转捩。
（3）凹弧形电枢在装配后接触界面接触压力分布以及电枢启动阶段接触面电流分布均较凸弧电枢更优。有利于电流熔蚀现象的控制以及液化铝横向喷射的控制，起到保护绝缘以及提高绝缘寿命的作用。
参考文献：
[1]王莹，马富学.新概念武器原理[M].北京：兵器工业出版社，1997：119-120.
[2]陈铁宁，白春艳，张益男，等.电枢运动引起电磁发射轨道的动态响应[J].动力学与控制学报，2010，8（4）：360-364.
[3]肖铮，陈立学，夏胜国，等.电磁发射用一体化C形电枢的结构设计[J].高电压技术，2010，36（7）：1809-1814.
[4]靳智，沈培辉，刘凯.电磁轨道炮固体电枢的运动特性分析[J].弹箭与制导学报，2014，34（1）：115-117.
[5]杨琳，聂建新，任明，等.移动电磁载荷作用下曲面轨道/电枢动力特性[J].高电压技术，2014，40（4）：1091-1096.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15255667.htm
