氣密環(huán)和減震墊動態(tài)變形測試技術研究

陳前昆

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

導彈發(fā)射過程出筒段在燃氣推力作用下沿發(fā)射筒軸向運動，此時導彈與發(fā)射筒之間需要橫向支撐。氣密環(huán)和減震墊作為橫向支撐方式的一種，相對于傳統的適配器支撐而言，能夠在導彈發(fā)射時不隨導彈出筒，可以徹底消除彈器分離對導彈齊射時造成的安全隱患[1-3]。作為新型發(fā)射裝置的重要組成部分，氣密環(huán)和減震墊在導彈發(fā)射過程中存在一定變形，其變形量的大小可衡量發(fā)射裝置氣密性，確定彈在筒內的姿態(tài)，對保證導彈的正常發(fā)射具有較大的參考價值。

氣密環(huán)和減震墊的變形可通過其位移變化來衡量，國內外在位移傳感器研制方面都有深入研究，開發(fā)出了眾多類型的位移傳感器[4-7]。然而，氣密環(huán)和減震墊為異型截面結構，其所在工作環(huán)境非常狹小且復雜，現有的位移傳感器均不適應這種環(huán)境。為有效獲取氣密環(huán)和減震墊在導彈發(fā)射過程中的動態(tài)變形參數，掌握其變形規(guī)律，設計了一款新型結構的位移傳感器，并對傳感器的靜態(tài)和動態(tài)性能進行分析。在此基礎上，開展了實際測試試驗。研究結果表明，所設計的傳感器適用于氣密環(huán)和減震墊的變形測試。從氣密環(huán)測試數據可以看出，在模型彈運動階段，氣密環(huán)不會發(fā)生翻邊，能夠保證發(fā)射氣密性；從減震墊傳感器變形量可以看出，模型彈中心線比較靠近第1 象限，在豎直方向上沒有發(fā)生明顯偏斜，其運行中的位移變化可為模型彈運動過程中摩擦力研究提供參考。

1 氣密環(huán)和減震墊介紹

氣密環(huán)和減震墊固定在發(fā)射筒內壁，其結構示意如圖1 所示。

圖1 氣密環(huán)和減震墊結構示意圖Fig.1 The schematic drawing of seal ring and cushion

在導彈發(fā)射過程中，氣密環(huán)唇沿緊貼彈體，裝填狀態(tài)下，唇沿有一定壓縮，在彈出筒時，在彈體運動和燃氣影響下，氣密環(huán)唇沿會以較大的速度向上動作，其位移變化大且速度較快。而減震墊主要承受彈體橫向載荷，受彈體運動和燃氣影響較小，其位移及速度變化較小。因此，在對氣密環(huán)位移傳感器設計過程中，需重點考慮傳感器的動態(tài)特性。同時，位移變形傳感器也只能安裝在筒內部，不能對彈體運動產生任何影響，因此，比較理想的方法是將傳感器安裝在氣密環(huán)和減震墊下測，使其位于氣密環(huán)-減震墊與彈體之間的縫隙內。

2 傳感器選型和設計

2.1 傳感器選型

位移傳感器根據不同的測量原理可分為7 種類型：1）電位器式，又分為繞線電位器和非繞線電位器兩種；2）電阻應變式；3）電容式；4）電感式，又可分為自感式和電渦流式；5）磁敏式，又可分為磁致伸縮扭轉波式、霍爾式、磁柵式和感應同步器式；6）光電式，又分為激光式、光柵式和光纖式；7）超聲波式。各類傳感器性能對比見表1。

綜合以上對比，針對發(fā)射筒內部特殊的安裝環(huán)境，從便于使用和安裝角度考慮，所有位移傳感器類型中只有基于電位器式的拉線位移傳感器較適用于發(fā)射筒內部氣密環(huán)和減震墊的位移測量。

2.2 傳感器設計

拉線位移傳感器其內部結構主要由卷簧、輪轂、鋼絲繩和電位器組成，傳感器工作時，鋼絲繩與被測對象相連，被測對象動作帶動鋼絲繩拉出，輪轂隨鋼絲繩拉出而轉動，進而帶動電位器頭部圓軸旋轉，將鋼絲繩的位移信號轉換為電阻信號，并經電位器內部線路轉換成電壓信號輸出，從而測取被測對象的位移量。

2.2.1 傳感器數學模型

當拉繩受力拉動時，傳感器數學模型如下式：

表1 各類位移位移傳感器對比Tab.1 Comparison of various displacement sensors

式中：F 為輪轂所受合力；m 為輪轂質量；a為輪轂轉動線加速度；x 為輪轂轉動線位移；Fk為彈簧力；Ff為阻尼力；F(t)為所受外力。

可以看出，傳感器是由質量-彈簧-阻尼組成的典型的2 階測試系統。由2 階測量系統的頻率特性可知，為獲得一個理想的測量效果，應使阻尼比 ξ＜1，且盡量增大固有頻率，即盡量增加 k 值，盡量減小質量 m。因此，在傳感器設計過程中，應在滿足各項條件的基礎上，選擇具有較大彈簧力的彈簧和質量較輕的輪轂作為氣密環(huán)和減震墊位移傳感器組件[8-9]。

2.2.2 傳感器結構設計

氣密環(huán)和減震墊傳感器結構設計如圖2 所示。

為避免傳感器的安裝對導彈發(fā)射產生影響，將氣密環(huán)和減震墊位移傳感器安裝在被測對象下方，通過相應的螺釘螺孔進行固定，其具體安裝如圖3 所示。

2.3 傳感器靜態(tài)和動態(tài)特性分析

2.3.1 傳感器靜態(tài)特性分析

根據JJF 1 305-2011《線位移傳感器校準規(guī)范》要求，拉線位移傳感器的靜態(tài)特性通常包括基本誤差、線性度、回程誤差、重復性等4 個參數[10-11]。

圖2 氣密環(huán)和減震墊位移傳感器結構圖Fig.2 The schematic drawing of displacement sensor for seal ring and cushion

圖3 氣密環(huán)和減震墊位移傳感器實際安裝圖Fig.3 Actual installation diagram of displacement sensor for seal ring and cushion

根據規(guī)范中的計算方法，氣密環(huán)位移傳感器靜態(tài)特性指標為：基本誤差0.18%，線性誤差0.10%，回程誤差0.03%，重復性誤差0.06%；減震墊位移傳感器靜態(tài)特性指標為：基本誤差0.41%，線性誤差為0.26%，回程誤差0.20%，重復性誤差0.14%。

由傳感器靜態(tài)特性參數結果看出，氣密環(huán)和減震墊拉線位移傳感器準確度等級分別符合0.2 級和0.5 級，2 種傳感器的精度能夠滿足對減震墊和氣密環(huán)位移變化的測量。

2.3.2 傳感器動態(tài)特性分析

拉線式位移傳感器的動態(tài)性能可通過測取傳感器對于加速度信號的響應來衡量[9-10]。利用激振器輸出一定加速度的正弦信號，將拉繩位移傳感器拉繩與加速度傳感器相接，并將加速度傳感器安裝在激振器上，從而測取拉繩位移傳感器的輸出曲線，通過對比輸入和輸出曲線，分析傳感器對于不同加速度信號的響應情況，確定對應的加速度響應的邊界值。試驗過程示意圖如圖4 所示。

調整激振器的頻率和振幅以獲取不斷增加的加速度值，通過觀測傳感器的輸出曲線形態(tài)及與輸入正弦曲線同步的性，判斷傳感器的最大加速度響應。當輸入不同加速度信號時，傳感器輸出曲線如圖5 和圖6 所示。

可知，輸入的正弦加速度信號逐漸增加至43.2 g 時，傳感器位移曲線隨輸入曲線呈正弦變化，頻率一致；當加速度達到44 g 時，位移曲線出現紊亂，正弦信號出現疊加干擾，表明在此加速度變化下，傳感器不能有效獲取被測位移信號，因此氣密環(huán)位移傳感器的動態(tài)響應加速度需小于44 g。而由模型彈體內彈道數據可知，模型彈在發(fā)射筒內運動時，其最大加速度小于41 g，因此所設計的位移傳感器的動態(tài)響應速度能夠滿足測試需求。

圖4 加速度響應法試驗過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of acceleration response method test process

圖5 加速度分別為25.1 g 和36.2 g 時，傳感器位移曲線圖Fig.5 Sensor displacement curve at accelerations of 25.1 g and 36.2 g

圖6 加速度分別為43.2 g 和44 g 時，傳感器位移曲線圖Fig.6 Sensor displacement curve at accelerations of 43.2 g and 44 g

3 傳感器應用

在完成傳感器設計，通過靜態(tài)和動態(tài)特性分析后，將氣密環(huán)和減震墊位移傳感器安裝于發(fā)射筒內部，開展實測試驗以驗證傳感器的適用性。

3.1 測點布置

氣密環(huán)和減震墊動態(tài)變形測點分別布置10 個和12 個，每圈氣密環(huán)和減震墊布置2 個測點，分別位于發(fā)射筒I、III 象限，測點命名從發(fā)射筒底部至頂部依次增大。例如，測點S11和T23，表示第1 圈氣密環(huán)的第I 象限測點和減震墊第2 圈的第III 象限測點。此外，在發(fā)射裝置筒壁上布置12 個壓力測點，壓力測點布置與氣密環(huán)測點依次交叉布置（壓力第1 圈測點P11和P13在氣密環(huán)位移傳感器測點S11和S13下方），通過壓力曲線的變化來判斷彈體離開某一圈氣密環(huán)的時間點，從而獲取對應的氣密環(huán)位移，進而判斷在此過程中氣密環(huán)的密封性。

3.2 測量方案

測量系統由位移傳感器、直流電源、測量電纜、穿艙接插件、數據記錄系統等組成。其測量原理圖如圖7 所示。

圖7 氣密環(huán)和減震墊位移測量原理圖Fig.7 Principle diagram of displacement measurement of seal ring and cushion

傳感器線纜采用粘結的方式貼敷在筒內壁，其尾端通過穿艙接插件與數據采集儀相連，由控制計算機實現對數據采集儀的程控采集。

3.3 測試結果

氣密環(huán)和減震墊位移傳感器測量結果如圖8～圖11所示。

由氣密環(huán)傳感器的測試結果可以看出，氣密環(huán)在初始階段，存在2～3 mm 的變形。由壓力測點數據上升點可以看出，在模擬彈逐次經過氣密環(huán)時，氣密環(huán)的最大位移不超過9 mm，結合氣密環(huán)的實際尺寸，可以確定模型彈在與氣密環(huán)接觸過程中，氣密環(huán)不會發(fā)生翻邊，能夠保持穩(wěn)定的氣密性；而在模型彈離開氣密環(huán)后，受高壓燃氣和氣密環(huán)慣性綜合作用影響，氣密環(huán)存在較大的位移變形。

模型彈在發(fā)射前后的位移變形量可以看出，安裝在發(fā)射筒第1 象限的減震墊位移變化量普遍大于第3 象限，說明裝填完成后，模型彈中心線比較靠近第1 象限，且在豎直方向上沒有發(fā)生較大偏斜。此外，傳感器在模型彈運行中的位移變化可為模型彈運動過程中摩擦力研究提供參考。

圖8 氣密環(huán)S11，S13，S21，S23 測點位移曲線Fig.8 Displacement curves of measuring points of seal rings S11，S13，S21 and S23

圖9 氣密環(huán)S31，S33，S41，S43 測點位移曲線Fig.9 Displacement curves of measuring points of seal rings S11，S13，S21 and S23

圖10 氣密環(huán)S51，S53 測點和減震墊T11～T23測點位移曲線Fig.10 Displacement curves of measuring points of seal rings S51，S53 and cushion T11 to T23

圖11 減震墊T31～T63 測點位移曲線Fig.11 Displacement curves of measuring points of cushion T31 to T63

4 結 語

針對氣密環(huán)和減震墊動態(tài)變形的測試需求，設計一款新型結構的拉線位移傳感器，并對傳感器的靜態(tài)和動態(tài)性能進行分析，在此基礎上，開展了實測試驗，得到以下結論：

1）所設計的傳感器結構尺寸及安裝方式能夠應用于氣密環(huán)和減震墊的位移測量，從傳感器靜態(tài)和動態(tài)分析結果看，傳感器能夠獲得可靠的位移數據；

2）在模擬彈逐次經過氣密環(huán)時，氣密環(huán)的最大位移不超過9 mm，可以確定模型彈在與氣密環(huán)接觸運動階段，氣密環(huán)不會發(fā)生翻邊等情況，能夠保持穩(wěn)定的氣密性；而在模型彈離開氣密環(huán)后，受高壓燃氣和氣密環(huán)慣性綜合作用影響，氣密環(huán)存在較大的位移變形。

3）位于發(fā)射筒第1 象限的傳感器位移變化量普遍大于位于第3 象限的傳感器位移量，說明裝填完成后，模型彈中心線比較靠近第1 象限，在豎直方向上沒有發(fā)生較大偏斜，其運行中的位移變化可為模型彈運動過程中摩擦力研究提供參考。