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某微型爆炸螺丝螺栓设计

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为设计一种小型爆炸螺栓,基于要求,采用电发火组件---隔离机构---雷管组件的传火序列,并解决了尾部漏气的问题;静态性能试验表明该设计达到了可靠解锁分离的目的,满足了要求。
 
火工分离装置在航天器、卫星以及导弹、鱼雷等武器系统上使用的非常广泛,爆炸螺栓是较早应用于导弹级间分离的一种火工分离装置,它是利用所装炸药产生的爆轰波及爆压对螺栓本体产生拉伸、剪切力学效应,使指定的部位断裂来完成解锁功能。

本研究设计了一种小型爆炸螺栓,利用炸药作用后产生的爆轰波及爆压对螺栓本体的削弱槽处产生拉伸、剪切力学效应,实现了两个分离部件的可靠分离,并使两个分离部件具有一定的相对分离速度。


产品设计

1.1 设计要求
(1) 外形尺寸:长度20mm;最大直径18mm;连接螺纹M12x1-6h;(2)连接承载:连接力范围40—50kN,分离前保证子弹弹体与弹底连接可靠;(3)发火条件:爆炸螺栓在10µF、14V的输入能量下应可靠发火;(4)安全电流:爆炸螺栓通以100mA直流电流,持续时间5min,不应作用;(5)作用时间:分离时的作用时间小于等于5ms;(6)可靠分离:爆炸螺栓作用后两个分离部件应迅速、准确地分离,并且相对分离速度大于等于20m/s 。

1.2 爆炸螺栓的结构设计和工作原理
1.2.1 爆炸螺栓的结构设计
典型的爆炸螺栓主要有削弱槽式爆炸螺栓和剪切销式爆炸螺栓。削弱槽式爆炸螺栓的特点是结构简单、连接力大、作用可靠,对力学环境有较强的抵抗力,但其螺栓本体加工难度较大且装配工艺较复杂。

剪切销式爆炸螺栓的特点是装配工艺简单,但其销子的加工难度很大,且连接力受到剪切销强度的限制,一般适用于连接力较小的部位。

根据产品的设计要求及功能,产品设计成连接力较大的削弱槽式爆炸螺。与同类爆炸螺栓比较,该产品体积和质量都非常小,若采用活塞式结构,由于内腔空间太小,活塞推杆没有行程;或装药量太小,不能满足设计要求。最终采用直接炸断式结构,该方案结构简单、可靠性高,并且生产和装配工艺具有更强的可操作性。该爆炸螺栓结构如图1所示。



1.2.2 爆炸螺栓的工作原理
爆炸螺栓通过螺纹将两个分离部件紧密连接在一起,当发火部件接受给定的初始电能后,通过桥丝将电能转化为热能,加热周围的点火药;点火药燃烧,火焰通过隔离闭气机构继而点燃雷管,雷管爆炸产生爆轰波,利用爆轰波的瞬间高压在削弱槽处将螺栓本体炸断,并使两个分离部件有一定的相对分离速度。

1.3 爆炸螺栓主要组成部分的选择与确定
1.3.1 螺栓本体的确定
螺栓本体是产品的重要件,其作用是将各部件组装成整体。本研究采用尺寸加工和测量均较方便的“v”形削弱槽结构,材料选择牌号30CrMnSiA合金钢,可满足产品的强度要求。

(a) 螺栓本体输入端螺纹抗剪强度的计算
爆炸螺栓作用后最大压强为739.3MPa, 螺栓本体材料的抗拉强度σb为1080MPa,螺栓本体尾部螺纹所受的剪切应力为:


式(1)中:Pm为爆炸螺栓作用后最大压力(739.3MPa);d2为本体螺纹大径(8mm);d1为本体螺纹小径(7.188mm);δ为螺距(0.75mm);z为本体螺纹扣数(13.7)。


式 (2)~(3)中:k为剪切强度与拉伸强度的比例常数(一般为0.6~0.8);n为安全系数(一般为1.5~2.0);K为抗剪切设计裕度。

由于抗剪切设计裕度为1.8,所以其连接螺纹能够经受火药气体压力的剪切作用。

(b) 螺栓本体输入端螺纹抗压强度的计算螺纹抗压强度σy为 :



材料许用抗压强度为:

[ σ ]=1080/2=540 MPa

由于材料许用抗压强度远大于螺纹抗压强度,所以螺纹能经受火药气体的压力作用。通过以上理论计算可知,螺栓本体结构强度满足设计要求,且具有一定的裕度。

1.3.2 雷管的确定
雷管是产品的做功部件, 其输出威力的大小直接影响产品能否可靠分离和分离部件具有大于等于20m/s的相对分离速度 ,因此其药剂和药量的选择尤为重要。

(a) 雷管药剂的选择
根据设计要求及成熟经验,选择碱式斯蒂芬酸铅—羧甲基纤维素氮化铅--太安为雷管的传爆序列。碱式斯蒂芬酸铅具有火焰感度高、机械感度和静电感度低的特点,羧甲基纤维素氮化铅具有起爆感度好、纯度高、威力大的特点。太安是火工品常用输出装药,具有感度低、威力大、破片驱动能力高的特。

(b) 雷管装药量的确定
根据设计要求中的外形尺寸及连接力40~50kN要求,确定螺栓本体内孔尺寸为Φ7mm,参照厚壁圆筒体爆破失效经验公式计算:


式(5)中:Pb为爆破失效作用力,MPa;σ为材料许用应力,MPa;σs为材料屈服强度(一般用σ0.2代替),MPa;σb为材料拉伸强度,MPa;k0为筒壁外径与内径之比。将ko=1.4,σb=σ=σs=1080MPa 代人式(5)中,可得爆破失效作用力为 424MPa。

按裕度值为1.5倍计算,则需要雷管组件作用后的压强不小于424MPax1.5=636MPa。因此将雷管的装药量确定为碱式斯蒂芬酸铅0.04g,羧甲基纤维素氮化铅0.08g,太安0.1g。雷管作用后产生的压强计算如下:雷管作用后密闭空腔气体积为0.229cm3,则爆炸后的气体装填密度Δ为:



通过以上计算可知,雷管的输出威力能够满足可靠分离的要求,且具有一定的裕度。

1.3.3隔离机构的确定
隔离机构既要保证传爆的可靠性,又要减小雷管爆炸瞬间反向爆压作用,利于尾部的密封。设计的隔离机构如图2所示。



2.1 雷管设计裕度试验
为了确定雷管的设计裕度,进行了分离能量裕度试验、结构强度裕度试验、引爆能量裕度试验嗍,试验结果见表1。表1试验结果表明,雷管组件的药剂选择及装药量确定设计合理、可行,满足设计要求。


2.2 爆炸螺栓分离速度对比试验
分离速度是螺栓本体的重要考核指标,按照采用及未采用隔离机构的两种方案装配产品各10发,进行产品作用后分离速度的对比试验,试验结果见表2。


结 语

通过结构设计、理论计算,结果表明小型爆炸螺栓设计合理、可行,试验结果表明小型爆炸螺栓性能满足设计要求。爆炸螺栓采用电发火组件---隔离机构---雷管组件的传火序列,以及“V”型削弱槽结构设计,解决了尾部漏气的问题,提高了产品的相对分离速度,具有结构简单、抗静电、作用可靠的特点,可为其他同类结构的小型爆炸螺栓设计提供参考。

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