CN103322869B - 一种弹体装药摩擦环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹体装药摩擦环境模拟装置，包括摩擦筒、套筒、样品和应变片，该装置还包括端盖、传力柱、模拟药和底座，其中，端盖安装在传力柱的一端，传力柱的另一端嵌入摩擦筒的内腔中，在摩擦筒的内腔中还安装有样品，样品两侧的腔体中设置有模拟药，所述的样品和模拟药均紧密安装在摩擦筒的内腔中；所述的应变片对称设置在摩擦筒的外壁上，摩擦筒远离端盖的一端安装在套筒中，套筒远离端盖的一端安装在底座中，所述的传力柱、摩擦筒、套筒和底座同轴设置。本发明的优点是能够真实模拟弹体装药的摩擦环境，测量误差小，结构简单，成本低廉，劳动强度小。

Description

一种弹体装药摩擦环境模拟装置

技术领域

本发明属于火炸药实验装置技术领域，涉及一种摩擦环境模拟实验装置，特别涉及一种用于模拟弹体装药服役过程摩擦环境的实验装置。

技术背景

弹体内部装填有高能炸药，在服役过程中（高速侵彻、穿甲等），炸药会受到压缩、摩擦等复杂应力的作用，在局部可能形成“热点”，导致其发生早炸，达不到预定的技战术目标。因此，弹体装药服役过程中的安全性，已经成为是武器装备研制部门关注的热点。目前，通过大型落锤加载装置及高速冲击加载装置可以模拟弹体装药服役过程绝热压缩环境，且已经建立相应的试验规范和标准，用于评估弹体装药的抗过载安定性。而对于弹体装药服役过程摩擦环境的模拟却鲜有报道。

在公开号为CN 102706224 A，公开日为2012.10.03的中国发明专利《一种摩擦载荷加载装置》中，是采用炸药药片的一个端面与摩擦柱表面快速摩擦的方法模拟弹体装药摩擦环境，其存在的主要问题是：（1）炸药与摩擦柱间接触面积很小，炸药仅有一个端面承受摩擦载荷，给测试结果带来一定测量误差。（2）与弹体装药的真实服役环境有所不同，摩擦载荷加载装置中炸药周围无强约束装置，摩擦产生的热量会很快散失，且摩擦柱尚未与炸药发生摩擦的表面温度始终为室温温度，从而影响炸药“热点”的形成。（3）装置安装过程复杂，装配精度要求高，劳动强度大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足和缺陷，提供一种能够模拟弹体装药服役过程摩擦环境的实验装置，该实验装置能够更为真实的模拟弹体装药服役过程中的摩擦环境，提高了测试结果的精度，操作简单方便。

为了解决上述技术问题，本发明的技术解决方案：

一种弹体装药摩擦环境模拟装置，包括摩擦筒、套筒、样品和应变片，该装置还包括端盖、传力柱、模拟药和底座，其中，传力柱、摩擦筒、套筒和底座同轴设置：

所述端盖安装在传力柱的一端，传力柱的另一端嵌入摩擦筒的内腔中；

所述的套筒的外端安装在底座中，套筒为带有台阶孔的圆筒，套筒中内径较大的孔的内径一致，套筒中内径较小的孔为变径中心孔，在变径中心孔中紧密安装有模拟药；所述的摩擦筒未被嵌入传力柱的一端伸入套筒中内径较大的孔中并与变径中心孔的端部紧密接触；变径中心孔靠近摩擦筒的一端的内径与摩擦筒的内径相同，且为变径中心孔的最大内径，变径中心孔远离摩擦筒方向的内径逐渐减小；

所述的摩擦筒中安装有样品，在样品一侧与传力柱伸入摩擦筒一端之间的摩擦筒中和样品另一侧的摩擦筒中也设置有模拟药，所述的模拟药与样品均紧密安装在摩擦筒中；所述的应变片对称设置在摩擦筒的外壁上。

进一步地，所述的套筒为钢制圆筒，套筒内径较大的孔中加工有用于和摩擦筒连接的内螺纹，所述的变径中心孔内壁上任意两条关于变径中心孔轴线对称的两条直线的延长线的夹角为2°。

进一步地，所述的摩擦筒为钢制圆筒，摩擦筒的长度大于样品所需经历的摩擦载荷行程，在摩擦筒伸入套筒的一端设置有用于和套筒连接的外螺纹，摩擦筒的内径均一，且摩擦筒内腔壁的光洁度与真实弹体内壁的光洁度一致。

进一步地，所述的底座为带有台阶孔的圆筒，所述的套筒未被伸入摩擦筒的一端固定在底座内径较大的孔中，底座中内径较小的孔的径向长度大于样品所需经历的摩擦载荷行程。

进一步地，所述的传力柱为钢制实心圆柱体，传力柱的直径与所述的摩擦筒的内径相同；所述的端盖为圆饼状盖体，在端盖上开设有圆形凹台，所述的传力柱的端部嵌入圆形凹台中。

优选地，所述的应变片设置两对，两对应变片对称设置在摩擦筒外壁的圆周上。

本发明弹体装药摩擦环境模拟装置，与现有技术相比，带来的技术效果体现在以下几个方面：

1）样品与摩擦筒内壁接触面大，摩擦载荷行程长，减小了测量带来的误差；

2）样品与摩擦筒内壁紧配合，使其带有强约束，更能真实模拟弹体装药的服役环境；

3）由于模拟药先与摩擦筒内壁发生摩擦，使摩擦筒尚未与样品发生摩擦的表面温度上升，更符合真实弹体装药的服役环境；

4）安装过程简单，成本低，劳动强度小。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中套筒的剖面图；

图中的标号分别表示：1—端盖，2—传力柱，3—摩擦筒，4—样品，5—模拟药，6—应变片，7—套筒，8—底座；

以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步说明。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，需要说明的是本发明不局限于以下具体实施例，凡在本发明技术方案基础上进行的同等变换均在本发明的保护范围内。

遵从上述技术方案，如图1所示，本实施例给出一种弹体装药摩擦环境模拟装置，包括摩擦筒3、套筒7、样品4和应变片6，其特征在于，该装置还包括端盖1、传力柱2、模拟药5和底座8，其中，传力柱2、摩擦筒3、套筒7和底座8同轴设置：

所述端盖1安装在传力柱2的一端，传力柱2的另一端嵌入摩擦筒3的内腔中；

所述的套筒7的外端安装在底座8中，套筒7为带有台阶孔的圆筒，套筒7中内径较大的孔的内径一致，套筒7中内径较小的孔为变径中心孔，在变径中心孔中紧密安装有模拟药5；所述的摩擦筒3未嵌入传力柱2的一端伸入套筒7中内径较大的孔中并与变径中心孔的端部紧密接触；变径中心孔靠近摩擦筒3的一端的内径与摩擦筒3的内径相同，且为变径中心孔的最大内径，变径中心孔远离摩擦筒3方向的内径逐渐减小；

所述的摩擦筒3中安装有样品4，在样品4一侧与传力柱2伸入摩擦筒3一端之间的摩擦筒3中和样品4另一侧的摩擦筒3中也设置有模拟药5，所述的模拟药5与样品4均紧密安装在摩擦筒3中；所述的应变片6对称设置在摩擦筒3的外壁上。

本实施例中，摩擦筒3采用钢制圆筒，在摩擦筒3靠近套筒7的一端设置有用于和套筒7连接的外螺纹；摩擦筒3的长度大于样品4所需经历的摩擦载荷行程。摩擦筒3的内腔壁的光洁度与真实弹体内壁的光洁度一致；摩擦筒3内安装有样品4，在样品4一侧与传力柱2伸入摩擦筒3一端之间的摩擦筒3中和样品4另一侧的摩擦筒3中也设置有模拟药5，样品4和模拟药5均紧密安装在摩擦筒3内。在摩擦筒3外壁的圆周上对称设置有用于检测摩擦筒3形变的应变片6；本实施例中，所述的应变片6设置两对，两对应变片6对称设置在摩擦筒3外壁的圆周上。

所述的套筒7为带有台阶孔的钢制圆筒，套筒7内两个不同内径的孔同轴；套筒7中内径较大的孔的内径一致，且加工有用于和摩擦筒3连接的内螺纹；套筒7内直径较小的孔为变径中心孔；该变径中心孔接触摩擦筒3的一端的孔径与摩擦筒3的内径相等且为变径中心孔的最大内径，变径中心孔远离摩擦筒3方向的内径逐渐减小，变径中心孔中有2°的夹角，即该变径中心孔内壁上任意两条关于变径中心孔轴线对称的两条直线的延长线的夹角为2°，如图2所示；变径中心孔的角度可以依据样品4所需周向压力大小而改变。

变径中心孔，其设计思想来源于金属成型中用到的冲压成型原理，当摩擦筒3内的模拟药5和样品4受到快速压缩，向下通过变径中心孔时，摩擦筒3内的模拟药5和样品4会受到一个向上的反作用力，在压缩力和反作用力的作用下，模拟药5及样品4产生周向的膨胀，从而对摩擦筒3内壁产生一个作用力，根据牛顿定律，此作用力与摩擦筒3对药柱产生的周向压力相等，由此模拟出弹体装药环境中，药柱所受到的周向压力。

数值仿真结果显示，某弹体装药在服役过程中所受的周向压力约为50MPa，根据所用模拟药及样品的体弹性模量，泊松比等，计算得到变径中心孔的角度约为2°。当然，根据所需周向压力大小，及所用样品的性质，可以选择不同的变径角度。

变径中心孔中靠近摩擦筒3的一端的孔径与摩擦筒3的内径相等，当摩擦筒3安装在套筒7中时，摩擦筒3的端部与该变径中心孔的端部紧密接触；在变径中心孔内紧密安装有模拟药5。

所述的底座8为带有台阶孔的圆筒，所述的套筒7未被嵌入摩擦筒3的一端固定在底座8内径较大的孔中；底座8中内径较小的孔的径向长度大于样品4所需经历摩擦载荷的行程。

所述的传力柱2为钢制实心圆柱体，传力柱2的直径与所述的摩擦筒3的内径相同；所述的端盖1为圆饼状盖体，在端盖1上开设有圆形凹台，所述的传力柱2的端部嵌入圆形凹台中。

本发明的使用方法及工作原理如下：快速运动的物体撞击端盖1，通过传力柱2对模拟药5和样品4施加轴向压缩应力，并利用传力柱2的最大运行距离控制摩擦载荷的行程，样品4与传力柱2间的模拟药5避免传力柱2金属端面与样品4的直接接触，而样品4另一侧的模拟药5在轴向压应力作用下，先于样品4与摩擦筒3内壁发生摩擦，使摩擦筒3尚未与样品4发生摩擦的内壁温度上升；由于套筒7内径较小的一端为变径中心孔，快速冲压作用使得摩擦筒3内的模拟药5和样品4产生周向膨胀，由粘贴于摩擦筒3侧壁外圆周上的应变片6测量其周向应变，依据厚壁筒理论，即可得到样品4摩擦过程中所受周向压力。

通过调整传力柱2、摩擦筒3、模拟药5及底座8的长度，改变样品4所受摩擦载荷的行程，以及调整套筒7变径中心孔的角度，改变样品4摩擦过程中所受周向压力大小，最终实现弹体装药摩擦环境的实验室模拟。

本实施例中，利用对称粘贴于摩擦筒3外壁的应变片6测量摩擦筒3表面的环向应变，依据厚壁筒理论，摩擦筒3内壁压力，即样品4的周向压力为：

${\mathrm{\σ}}_{r|r=a}=p_1=\frac{E_{\mathrm{\φ}}(b^2-a^2)}{2a^2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\φ}}$

式中：σ_r|r＝a表示在直径r=a时，样品4的周向压力值；a为摩擦筒3内径，b为摩擦筒3的外径；E_φ为摩擦筒3弹性模量；ε_φ为摩擦筒3外表面环向应变。

为提高测试结果的可靠性，摩擦筒3外壁不同位置粘贴两组应变片6，最终样品4摩擦过程中的周向压力取其平均值。

Claims (6)

1.一种弹体装药摩擦环境模拟装置，包括摩擦筒(3)、套筒(7)、样品(4)、应变片(6)和传力柱(2)，其特征在于，该装置还包括端盖(1)、模拟药(5)和底座(8)，其中，传力柱(2)、摩擦筒(3)、套筒(7)和底座(8)同轴设置：

所述端盖(1)安装在传力柱(2)的一端，传力柱(2)的另一端嵌入摩擦筒(3)的内腔中；

所述的套筒(7)的外端安装在底座(8)中，套筒(7)为带有台阶孔的圆筒，套筒(7)中内径较大的孔的内径一致，套筒(7)中内径较小的孔为变径中心孔，在变径中心孔中紧密安装有模拟药(5)；所述的摩擦筒(3)未被嵌入传力柱(2)的一端伸入套筒(7)中内径较大的孔中并与变径中心孔的端部紧密接触；变径中心孔靠近摩擦筒(3)的一端的内径与摩擦筒(3)的内径相同，且为变径中心孔的最大内径，变径中心孔远离摩擦筒(3)方向的内径逐渐减小；

所述的摩擦筒(3)中安装有样品(4)，在样品(4)一侧与传力柱(2)伸入摩擦筒(3)一端之间的摩擦筒(3)中和样品(4)另一侧的摩擦筒(3)中也设置有模拟药(5)，所述的模拟药(5)与样品(4)均紧密安装在摩擦筒(3)中；所述的应变片(6)对称设置在摩擦筒(3)的外壁上。

2.如权利要求1所述的弹体装药摩擦环境模拟装置，其特征在于，所述的套筒(7)为钢制圆筒，套筒(7)中内径较大的孔中加工有用于和摩擦筒(3)连接的内螺纹；所述的变径中心孔内壁上任意两条关于变径中心孔轴线对称的两条直线的延长线的夹角为2°。

3.如权利要求1所述的弹体装药摩擦环境模拟装置，其特征在于，所述的摩擦筒(3)为钢制圆筒，摩擦筒(3)的长度大于样品(4)所需经历的摩擦载荷行程，在摩擦筒(3)伸入套筒(7)的一端设置有用于和套筒(7)连接的外螺纹，摩擦筒(3)的内径均一，且摩擦筒(3)内腔壁的光洁度与真实弹体内壁的光洁度一致。

4.如权利要求1所述的弹体装药摩擦环境模拟装置，其特征在于，所述的底座(8)为带有台阶孔的圆筒，所述的套筒(7)未被伸入摩擦筒(3)的一端固定在底座(8)内径较大的孔中，底座(8)中内径较小的孔的径向长度大于样品(4)所需经历的摩擦载荷行程。

5.如权利要求1所述的弹体装药摩擦环境模拟装置，其特征在于，所述的传力柱(2)为钢制实心圆柱体，传力柱(2)的直径与所述的摩擦筒(3)的内径相同；所述的端盖(1)为圆饼状盖体，在端盖(1)上开设有圆形凹台，所述的传力柱(2)的端部嵌入圆形凹台中。

6.如权利要求1所述的弹体装药摩擦环境模拟装置，其特征在于，所述的应变片(6)设置两对，两对应变片(6)对称设置在摩擦筒(3)外壁的圆周上。