Теория проектирования мехатронных устройств. Часть 2

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

П.В. Андрейкин, А.В. Зезекало, И.Ш. Исаев

Теория проектирования
мехатронных устройств

Часть 2

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по специальности 170100
«Боеприпасы и взрыватели»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2013

УДК 623.45(075.8)
ББК 68.8
А65

А65

Рецензенты: C.В. Ладов, А.Н. Чуков

Андрейкин П. В.
Теория проектирования мехатронных устройств : учеб. пособие — Ч. 2 / П. В. Андрейкин, А. В. Зезекало, И. Ш. Исаев. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — 104, [4] с. :
ил.

ISBN 978-5-7038-3758-0
Рассмотрены общие принципы устройства взрывателей, приведены теоретические основы расчетов узлов и механизмов взрывателей
на безопасность и надежность функционирования на разных этапах
жизненного цикла изделий. Приведены сравнительный анализ элементов огневой цепи взрывателей и общие рекомендации по их использованию, а также необходимые в инженерной практике разработки взрывательных устройств, сведения из области внутренней и
внешней баллистики, пиротехники, физики взрыва и удара.
Для студентов, обучающихся по специальности «Боеприпасы и
взрыватели».
УДК 623.45(075.8)
ББК 68.8

ISBN 978-5-7038-3758-0
c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

1. УСТРОЙСТВО И ОСНОВЫ РАСЧЕТА МЕХАНИЗМОВ
СИСТЕМЫ ПРЕДОХРАНЕНИЯ ВЗРЫВАТЕЛЕЙ

1.1. Общая характеристика предохранительных
механизмов и их классификация

Предохранительными называют механизмы, предназначенные
для удержания в исходном состоянии тех деталей взрывателя, при
перемещении которых происходит взведение взрывателя или его
частей. Предохранительные механизмы, как правило, содержат сам
предохранитель и другие детали (гильзы, втулки, стопоры).
Предохранительные
механизмы
обеспечивают
выполнение
требований по безопасности и взводимости взрывателя в условиях служебного обращения и при выстреле в соответствии с программой функционирования. Они должны отвечать следующим
требованиям:
— надежному удержанию деталей, от перемещения которых
зависит взведение взрывателя, до заданного момента времени;
— надежному освобождению удерживаемых деталей в заданный момент времени;
— технологичности конструкции механизма;
— работоспособности после длительного хранения.
По характеру взводящей силы или другого воздействия, используемого для взведения, предохранительные механизмы можно
подразделить на следующие основные группы:
— инерционные, взведение которых происходит при воздействии осевой силы инерции при выстреле;
— центробежные, взводящиеся под действием радиальной силы
инерции;

3

— газодинамические, взводящиеся за счет давления газов ракетного топлива;
— термические и пиротехнические, взводящиеся посредством
теплового воздействия;
— аэродинамические, взводящиеся под давлением воздушного
потока на траектории;
— гидравлические, взведение происходит при перетекании
жидкости из одного объема в другой;
— комбинированные, взведение происходит под воздействием
нескольких факторов.
Основной деталью, определяющей параметры предохранительного механизма, является собственно предохранитель.

1.2. Предохранители, используемые во взрывателях

Предохранителем называется элемент предохранительного механизма, который удерживает подвижные детали от перемещения
до взведения, а при взведении или действии механизмов взрывателя деформируется или разрушается, сгорает или растворяется.
Предохранители, удерживающие подвижные детали механизмов во взведенном взрывателе от перемещения под действием сил
инерции, возникающих на траектории, называют контрпредохранителями.
Деформируемые предохранители могут быть жесткого типа
(работают в области пластических деформаций) и упругого типа (работают в области упругих деформаций). Они освобождают
удерживаемую деталь после воздействия определенной силы.
Сгорающие и расплавляющиеся предохранители удаляются соответственно путем их выжигания или расплавления. На практике
их выполняют в виде пиротехнических предохранителей или деталей из легкоплавких сплавов.
Любые предохранители должны надежно ограничивать перемещение удерживаемой детали до их удаления или соответствующего воздействия и не препятствовать перемещению подвижных
деталей взрывателя после освобождения.
Деформируемые предохранители нашли наиболее широкое
применение в современных взрывателях.

4

Основной характеристикой деформируемого предохранителя
является значение сопротивления, зависящее от степени его деформации. Зависимость сопротивления предохранителя R от его
осадки (деформации) называется законом сопротивления предохранителя.
Жесткие предохранители. Для устройств жесткого типа законы сопротивления выражаются разными кривыми, характер изменения которых зависит от конструкции и размеров предохранителя и сопрягаемых с ним деталей, от механических характеристик
материала предохранителя, чистоты его поверхности, состояния
антикоррозийного покрытия и некоторых других факторов [1]. На
рис. 1.1 приведены типичные предохранители жесткого типа: лапчатый (а), разрезное кольцо (б), чека (в), звездка (г).

Рис. 1.1. Типовые конструкции жестких предохранителей:
а — лапчатый; б — разрезное кольцо; в — чека; г — звездка

На рис. 1.2 показаны возможные законы сопротивления для
лапчатого предохранителя I, разрезного кольца II и срезаемой чеки III.

Рис. 1.2. Законы сопротивления для жестких предохранителей:
I — лапчатого; II — разрезного кольца; III — чеки

5

Поскольку предохранители жесткого типа работают в области
упруго-пластических деформаций, при воздействии достаточных
усилий они получают остаточные деформации и по прекращении
действия усилий первоначальное сопротивление не восстанавливают.
Главное достоинство указанных предохранителей — очень малые габариты. В то же время жесткие предохранители не лишены
и недостатков:
— однофазность действия;
— большой разброс параметров;
— невозможность полного (100%-ного) контроля;
— способность накапливать деформации при многократном
воздействии относительно небольшой нагрузки.
Нелинейный характер закона сопротивления и влияние множества факторов на значение наибольшего сопротивления (основного
параметра закона сопротивления) создают в условиях производства
трудности обеспечения небольшого разброса, что вынуждает назначать допуск на сопротивление жестких предохранителей в пределах ±(15 . . . 50) % от среднего сопротивления. При этом даже
при допуске ±15 % неизбежны значительное усложнение производства и большой объем брака.
Обозначив Rв max верхний предел наибольшего сопротивления,
а нижний предел наибольшего сопротивления жесткого предохранителя Rв min, получим

Rв max = (1, 4 . . . 3, 0)Rв min.
(1..1)

Контроль предохранителей жесткого типа проводится выборочно в объеме 0,5 . . . 1 % партии.
Штампованные жесткие предохранители изготавливают, как
правило, из стальной ленты или твердой медной ленты марок М1,
М2, МЗ. Применение предохранителей жесткого типа ограничено
случаями, когда необходимо получить значительное сопротивление при малых размерах и жесткую фиксацию положения деталей
в механизме. В остальных случаях предпочтительнее упругие предохранители.
Упругие предохранители. Упругими называют предохранители,
восстанавливающие первоначальные размеры и сопротивление после снятия нагрузки.

6

Чаше всего упругие предохранители конструктивно выполняют
в виде цилиндрических или конических пружин. Этим и обусловлено второе название данного типа предохранителей — пружинные.
Во взрывателях используют два вида пружинных предохранителей:
— цилиндрические;
— конические.
Для цилиндрических пружинных предохранителей теоретическая зависимость закона сопротивления носит линейный характер
(рис. 1.3). Однако на практике такая зависимость справедлива до
значений λ ≈ 0,9λd, где λd — полная осадка пружины при сжатии до соприкосновения витков. Фактическое значение полного
сопротивления пружины R′
d оказывается больше теоретического
R′
d. Указанное обстоятельство объясняется неравномерностью шага пружины, вследствие чего витки с меньшим шагом приходят в
соприкосновение раньше остальных, что уменьшает число витков
и увеличивает жесткость пружины.

Рис. 1.3. Законы сопротивления винтовых цилиндрической и конической
пружин

Зависимость сопротивления R от осадки для винтовых конических пружин существенно отличается от линейной (см. рис. 1.3).
Подобный характер кривой объясняется тем, что при сжатии пружины наибольшие деформации возникают у витков наибольшего
диаметра, вследствие чего они раньше других выключаются из
работы и способствуют росту жесткости. При определенном со
7

отношении размеров коническая пружина может быть сжата до
высоты, равной диаметру проволоки. Это свойство позволяет увеличить ход (перемещение) детали при ограниченных габаритах
механизма.
В связи с тем, что в конических пружинах взрывателей характер навивки обычно не регламентируется и пружины могут навиваться с неравномерным шагом и неодинаковыми углами подъема,
зависимость R(x) оказывается весьма неопределенной и отличной
от приведенной на рис. 1.3. Указанное обстоятельство предопределяет применение конических пружин во взрывателях лишь для тех
случаев, когда не требуется строгого соответствия между осадкой
пружины и ее сопротивлением.
Пружины изготавливают с допуском на сопротивление, обычно
назначаемым в пределах ±(10 . . . 15) % от среднего сопротивления.
Учитывая усложнение производства и увеличение брака пружины
по сопротивлению, принимать допуск ниже приведенных значений
не следует.
Пружинные предохранители изготавливают из специальной
проволоки круглого сечения, материал которого имеет высокую
прочность и хорошую вязкость. Пружины из проволоки диаметром
0,2. . .1,5 мм изготавливают из стальной пружинной проволоки марок У8А, У9А, У10А нормальной, повышенной или особо высокой
прочности.
Направление навивки пружины обычно не оказывает влияния
на работу механизма. Однако если пружина при сборке опирается
на торец резьбовой втулки, то при завинчивании последней возможно раскручивание пружины. Это явление легко исключается
установкой металлической прокладки между пружиной и резьбовой втулкой либо навивкой пружины в направлении, противоположном направлению резьбы втулки. Для обеспечения опорной
плоскости, перпендикулярной оси, торцевые витки пружин из проволоки диаметром более 0,35 мм шлифуют с торца.
Для увеличения предела упругости материала проволоки пружины, для снятия внутренних напряжений, полученных при навивке, улучшения стабильности при длительном хранении пружины
подвергают низкотемпературному отпуску. На пружины, как правило, наносят антикоррозийное покрытие.

8

Пружинные предохранители характеризуются рядом параметров, под которыми понимают соответствующие значения сопротивления R, осадки λ и высоты h, принимаемые пружиной в собранном механизме и при перемещении подпружиненной (взводящей) детали. Кроме того, к параметрам пружины следует отнести
величины, характеризующие ее геометрические размеры и количество витков (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Параметры пружинного предохранителя

На практике при расчете механизмов и собственно пружин используют следующие параметры [2]:
h0 — высоту пружины в свободном состоянии, отвечающую
сопротивлению R = 0;
λсж — предварительное поджатие или осадку пружины при
сборке механизма;
hсж — высоту пружины в собранном механизме (в поджатом
при сборке состоянии);
Rсж — сопротивление пружины в собранном механизме после
предварительного поджатия; предварительное поджатие λсж и известное сопротивление Rсж обеспечивают некоторую жесткость
механизма, исключающую перемещение деталей при воздействии

9

незначительных усилий, возможных в служебном обращении, надежный подъем деталей в механизмах двухфазного действия и
уменьшает габариты механизма;
a — путь взведения механизма;
λв = λсж +a — осадку пружины в момент взведения механизма;
hв — высоту пружины в момент взведения;
Rв — сопротивление пружины в момент взведения;
λd — полную осадку пружины при сжатии ее до соприкосновения витков;
hd — высоту пружины при полном сжатии;
Rd — полное сопротивление пружины, отвечающее высоте hd;
hk — контрольную высоту пружины;
λk — осадку пружины при сжатии до контрольной высоты;
Rk — контрольное сопротивление пружины;
Dн — наружный диаметр пружины в свободном состоянии;
Dв — внутренний диаметр пружины в свободном состоянии;
D — средний диаметр пружины в свободном состоянии;
d — диаметр проволоки пружины;
n — общее число витков пружины.

Рис. 1.5.
Расчет
пружин
сжатия-растяжения

В основу типового расчета пружин сжатия-растяжения положено
допущение
о
том,
что
нагрузка
направлена
по
оси
пружины
(рис. 1.5). При этом силы, действующие на виток пружины в любом его сечении, приводятся к поперечной силе R, изгибающей ви
ток, и моменту Mкр = RD
2 , скручивающему виток. Изгибом пренебре
гают и проводят расчет по крутящему моменту.
Для пружин с витками круглого сечения напряжение сдвига имеет
максимальное значение по окружности сечения витка и определяется по формуле для прямого бруса круглого сечения:

τ = kMкр
Wкр
,
(1..2)

10