Nghiên cứu sử dụng cơ cấu bảo hiểm kiểu đòn bẩy cho ngòi thủy tĩnh

tính toán được kiểm chứng bằng thực nghiệm cơ cấu khi thử rơi, thử bắn trên đạn lựu phóng chống người nhái. Từ khóa: Ngòi nổ; Cơ cấu bảo hiểm; Đòn bẩy. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngòi nổ thủy tĩnh (ngòi được kích nổ bằng áp suất thủy tĩnh) lắp cho đạn lựu phóng chống người nhái dùng để sát thương sinh lực ở độ sâu nhất định (được cài đặt trước khi bắn [5]. Đạn lựu phóng chống người nhái có gia tốc chuyển động trong nòng nhỏ (K1=2135), trong khi ngòi nổ không có mẫu, do vậy, việc lựa chọn, tính toán thiết kế cơ cấu bảo hiểm để đảm bảo an toàn trong bảo quản vận chuyển, tin cậy mở bảo hiểm khi bắn là vấn đề được đặt ra. Các cơ cấu bảo hiểm sử dụng cho ngòi đạn có K1 nhỏ được biết đến là cơ cấu bảo hiểm quán tính dích dắc (ngòi M6, C-1M, M12), tuy nhiên, không gian để lắp cơ cấu quán tính dích dắc trên phụ thuộc nhiều vào các cơ cấu khác của ngòi (cơ cấu nhận áp, cơ cấu phát hỏa,), mặt khác, độ an toàn trong bảo quản vận chuyển của cơ cấu dích dắc trên chưa cao. Trong [4], đã nghiên cứu về cơ cấu phát hỏa kiểu đòn bẩy, khuyến nghị có thể áp dụng cơ cấu cho các loại ngòi đạn có hệ số quán tính trục K1=90010000. Khi thiết kế ngòi trên, các tác giả đã cải tiến cơ cấu phát hỏa thành cơ cấu bảo hiểm kiểu đòn bẩy cho phù hợp. Do vậy, cần tính toán đánh giá hoạt động của cơ cấu để thỏa mãn các yêu cầu đặt ra (an toàn trong bảo quản vận chuyển, tin cậy mở bảo hiểm khi bắn). Trong phạm vi bài báo các tác giả trình bày kết quả tính toán các đặc trưng làm việc của cơ cấu, kết quả thực nghiệm hoạt động của cơ cấu, phân tích đánh giá khả năng sử dụng cơ cấu cho ngòi thủy tĩnh. 2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG NGÒI THỦY TĨNH 2.1. Đặc điểm cấu tạo Hình 1. Ngòi nổ thủy tĩnh: 1- Cụm nắp và điều chỉnh; 2- Thân trên; 3- Cụm áp suất thủy tĩnh; 4- Trục; 5- Kim hỏa; 6- Thân dưới; 7- Bệ; 8- Cụm bệ trượt; 9- Cụm bảo hiểm bệ trượt; 10- Cụm trạm nổ. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 199 Ngòi nổ thủy tĩnh có cấu tạo như hình 1, bệ 7 lắp trục 4, cụm áp suất thủy tĩnh 3, kim hỏa 5, cụm bệ trượt 8, cụm bảo hiểm bệ trượt 9. Thân trên 2 lắp cụm nắp và điều chỉnh 1. Bệ 7, thân trên 2, cụm trạm nổ 10 được lắp với thân dưới 6 thành ngòi hoàn chỉnh. Cụm bảo hiểm bệ trượt có cấu tạo như hình 2, gồm cơ cấu bảo hiểm kiểu đòn bẩy (được điều chỉnh thiết kế so với nguyên bản [4]), ống 15 luôn giữ bi 16, bi 16 giữ ống 17, ống 17 giữ bi 19, bi 19 giữ bệ trượt 20, hình thành nên cụm bảo hiểm 2 pha. Hình 2. Cụm bảo hiểm bệ trượt: 11- Thân; 12, 16, 19- Bi; 13- Đòn bẩy; 14, 18- Lò xo; 15, 17- Ống; 20- Bệ trượt. 2.2. Nguyên lý hoạt động Trong bảo quản vận chuyển, các cơ cấu của ngòi có vị trí lắp ghép như hình 1, hình 2, cụm bệ trượt mang ống nổ được ngăn cách với cụm trạm nổ và đặt lệch với kim hỏa. Bệ trượt được giữ bởi nhóm các chi tiết bi 19, ống 17, bi 16 giữ, ống 15. Ống 15 luôn bị lò xo nén tác dụng lực đi xuống và bị giữ bởi đầu ngắn đòn bẩy. Khi bắn, dưới tác dụng của lực quán tính trục, bi 12 chuyển động đi xuống làm quay đòn bẩy 13 (ngược chiều kim đồng hồ), đầu ngắn đòn bầy làm cho ống 15 chuyển động đi lên, đến vị trí mở bảo hiểm, đầu ngắn đòn bẩy giải phóng ống 15, dưới tác dụng của lực lò xo, đẩy ống 15 đi xuống, giải phóng bi 16, ống 17 do lực quán tính trục nên vẫn giữ bi 19, giữ bệ trượt 20 ở vị trí ngăn cách. Khi bay, lò xo đẩy ống 17 lên, giải phóng bi 19, giải phóng bệ trượt, bệ trượt chuyển động đưa ống nổ về vị trí đợi nổ. Khi đạn chìm trong nước, áp suất nước sẽ kích hoạt cụm áp suất thủy tĩnh 3 đã được cài đặt độ sâu nổ, trục sẽ giải phóng bi, giải phóng kim hỏa, kích nổ ống nổ, kích nổ trạm nổ, kích nổ đạn. Bảng 1. Thông số cơ cấu bảo hiểm kiểu đòn bẩy [5]. Đại lượng Ký hiệu Giá trị Đại lượng Ký hiệu Giá trị Khối lượng bi 1m (g) 0,432 Mô men quán tính 0 J (kG.m 2 ) 1,78.10 -9 Khối lượng đòn bẩy 2 m (g) 0,082 Góc nghiêng 0 1 2, ,   (độ) 71, 40, 60 Khối lượng ống - lò xo 3 m (g) 0,178 Thông số ống ,khH r (mm) 5,1; 1,75 Độ cứng lò xo lxK (N/m) 470÷610 Hệ số ma sát msf 0,15 Quãng đường mở bảo hiểm của bi mbhx (mm) 7,4 Độ nén ban đầu của lò xo n l (mm) 8,8 Khoảng cách các cánh tay đòn OA,OB, OC (mm) 6,8;1,5; 3,5 Quãng đường chuyển động của bi ( 1 5)i il   (mm) 0,87; 1,26; 3,7; 4,1; 7,4 Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực C. V. Tùng, , N. H. Hoàn, “Nghiên cứu sử dụng cơ cấu bảo hiểm cho ngòi thủy tĩnh.” 200 3. TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG LÀM VIỆC CỦA CƠ CẤU 3.1. Hệ phương trình tổng quát chuyển động của cơ hệ a. Một số giả thiết - Coi bi là chất điểm có quỹ đạo chuyển động như hình 3, các thông số quỹ đạo chuyển động được xác định từ thông số hình học của cơ cấu; - Trong quá trình chuyển động bi luôn tiếp xúc với đòn bẩy và bỏ qua khoảng thời gian va chạm giữa bi với thân và mấu; - Bỏ qua ảnh hưởng do sự thay đổi vị trí tác dụng lực giữa ống và đòn bẩy khi đòn bẩy quay và độ nghiêng của ống nằm trong mặt phẳng x0y. b. Hệ phương trình tổng quát chuyển động của cơ hệ Trường hợp tổng quát, cơ hệ có mô hình đặt lực như sau [2, 4]: Hình 3. Quỹ đạo chuyển động của bi. Hình 4. Mô hình đặt lực lên cơ hệ. Trong đó: + G1, G2, G3: Trọng lượng lần lượt của bi, đòn bẩy và cụm ống; + F1, F2, F3: Lực quán tính lần lượt của bi, đòn bẩy và hệ ống-lò xo nhận được khi đạn rơi hoặc khi bắn; + Flx, ln, Klx: Lực lò xo, độ nén ban đầu của lò xo, độ cứng lò xo; + R1, R’1, R3, R’3: Là lực và phản lực giữa đòn bẩy với bi và ống; + N1, N2, N3: Phản lực từ bi và thân tác dụng lên ống; + m1, m2, m3: Khối lượng lần lượt của bi, đòn bẩy, hệ ống-lò xo; + Mms : Mô men ma sát tại trục quay đòn bẩy; + φ, φ0 : Góc quay của đòn bẩy và góc quay ban đầu của đòn bẩy; + x1, x3 : Quãng đường chuyển động của bi và ống. Mô hình đặt lực khi bi chuyển động theo các đoạn 1-2 ; 3-4 như sau [4]: Hình 5. Lực tác dụng lên bi đoạn 1-2. Hình 6. Lực tác dụng lên bi đoạn 3-4. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 201 Từ mô hình đặt lực, giả thiết hệ số ma sát các vị trí là như nhau (f), qua biến đổi nhận được hệ phương trình tổng quát chuyển động của đòn bẩy như sau: 22 2 3 31 2 2 2 2 1 0 0 . ..( ) ( ) ( ) o m OB hsm OA hs d J hs sin sin dt              22 2 1 2 0 3 3 0 4 4 1 0 0 ( ) sin(2 2 ) sin(2 2 ) . ( ) ( ) m OA hs m hs OB d dths sin sin                         1 1 2 2 2 0( ).( ) ( ). . os( ) 2 F G OA hs F G OC c          3 3 3 3 3 3 2. . . . .( . ) ( ). . . .kh LX ms kh N f OB hs H h f r F G OB hs F OB hs M H        (1) Với: 1 1 1 1 2 2 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 3 1 2 2 3 1 4 1 2 2 2 2 1 3 2 4 1 1 2 1 1 1 1 0 0; 0; 0; 0; 0 1; 0; . . os ; ( ) / ( ); 1; ; . . os ; ( ) / ( ); 1; 0; . t x x l hs hs l x l hs sin f sin c hs x l tg l x l hs hs l x l hs sin f sin c hs x l tg l x hs hs x l v v                                                    2 1 2 1 3 1 1 2 0 3 sin ; .sin ; ; x l v v h h x                  (2) Và       1 2 0 0 3 0 0 3 ( ). ( / 2 ) ( / 2 ) . ( / 2 ) ( / 2 ) 1/ 1 2. . / kh x OA hs tg tg x OB tg tg hs r f H                           (3) 3.2. Điều kiện an toàn khi rơi của cơ cấu Trước khi bắn, lực gây nguy hiểm nhất cho ngòi là lực va chạm khi đạn rơi. Theo [1], giả thiết rằng, lực tác động giữa đầu đạn và chướng ngại F thay đổi theo quy luật hình sin, với tổng thời gian va chạm là vct và vận tốc va chạm vcV (hình 7). ax .mF F sin t  (4) Hình 7. Mô hình lực tác động của đầu đạn và nền gang. Khi va chạm với nền gang có hệ số khôi phục tốc độ  =0,55 ; vc vcV t =20.10 3 ; tần số lực va chạm / vct  . Lực quán tính các chi tiết của cơ hệ nhận được khi đạn rơi là [1]: 1 1 2 2 3 3 .(1 ). . . 2 .(1 ). . . 2 .(1 ). . . 2 vc vc vc vc vc vc m V F sin t t m V F sin t t m V F sin t t                    (5) (6) (7) Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực C. V. Tùng, , N. H. Hoàn, “Nghiên cứu sử dụng cơ cấu bảo hiểm cho ngòi thủy tĩnh.” 202 Giải phương trình (1), kết quả nhận được khi đạn rơi ở độ cao 5 m, bi chuyển động được 3,1 mm (hình 8, 9), nhỏ hơn quãng đường mở bảo hiểm của bi là 7,4 mm, cơ cấu đảm bảo an toàn khi rơi. Tiếp tục giải phương trình (1) khi tăng độ cao rơi, nhận được kết quả độ cao rơi cơ cấu mở bảo hiểm là 14 m. Hình 8. Đồ thị quãng đường chuyển động của bi theo thời gian: 1, 2 - Vị trí chuyển động của bi. Hình 9. Đồ thị vận tốc chuyển động của bi theo thời gian: 1, 2 - Vị trí chuyển động của bi. 3.3. Điều kiện mở bảo hiểm của cơ cấu Khi bắn, các chi tiết của cơ cấu chịu tác dụng của lực quán tính trục, lực này được xác định thông qua bài toán thuật phóng trong [1, 3] được mô tả bởi phương trình (8). Khi bắn, giả thiết trọng lực các chi tiết không tham gia vào quá trình mở bảo hiểm nên bỏ qua (G1, G2, G3). 1 1 2 2 3 3 . . . / ( ' ) . . . / ( ' ) . . . / ( ' ) F m S P g q F m S P g q F m S P g q         (8) Trong đó: S - Diện tích tiết diện nòng súng; P - Áp suất khí thuốc trong lòng nòng; g - Gia tốc trọng trường; ' - Hệ số tăng nặng; q - Trọng lượng đạn. Giải phương trình (1), sử dụng các thông số kết cấu ở bảng 1, nhận được quãng đường, vận tốc và thời điểm bi mở bảo hiểm cho cơ cấu khi bắn bằng đồ thị trên hình 10. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 203 Hình 10. Vận tốc và quãng đường chuyển động của bi ứng với áp suất trong lòng nòng. Nhận thấy, cơ cấu mở bảo hiểm khi đạn đang chuyển động ở trong nòng, thời điểm mở bảo hiểm là 2,2ms, thời điểm này, áp suất khí thuốc trong nòng ax2. / 3mP P . Kiểm tra điều kiện tin cậy tại thời điểm 2,2 ms, với hệ số  = 0,7, vế phải của phương trình 1 đảm bảo dương, vận tốc chuyển động của bi vẫn đang tăng, đảm bảo được độ tin cậy mở bảo hiểm [1]. 3.4. Kết quả thử nghiệm, kiểm tra Ngòi thủy tĩnh được chế thử, lắp cơ cấu bảo hiểm đòn bẩy như hình 1, các thông số cơ cấu đòn bẩy như bảng 1. Do việc đo lường các thông số chuyển động của cơ cấu khi hoạt động khó có thể thực hiện được, vì vậy, phương pháp thử nghiệm sẽ là đánh giá khả năng mở bảo hiểm của cơ cấu khi thử rơi và thử bắn. Với yêu cầu khi thử rơi, cơ cấu không bị mở bảo hiểm, khi thử bắn cơ cấu mở bảo hiểm tin cậy. Tiến hành thử rơi ngòi (được lắp trong đạn giả) trên nền gang với độ cao rơi 5m kết quả nhận được 10/10 ngòi không bị mở bảo hiểm. Tiến hành thực nghiệm thử bắn thu hồi ngòi thủy tĩnh, sau khi thử bắn kiểm tra trên máy soi X-ray. Kết quả 10/10 ngòi được mở bảo hiểm tin cậy, bệ trượt chuyển động về vị trí đợi nổ. Như vậy, kết quả thực nghiệm nhận được cơ cấu đảm bảo an toàn trong bảo quản vận chuyển, tin cậy mở bảo hiểm khi bắn. 4. KẾT LUẬN Cơ cấu bảo hiểm (hoặc cơ cấu phát hỏa) kiểu đòn bẩy với chi tiết chủ động (bi) có quỹ đạo chuyển động dạng dích dắc thể hiện rõ ưu điểm trong hệ các cơ cấu chuyển động dích dắc nói chung (an toàn trong bảo quản vận chuyển, tin cậy mở bảo hiểm khi bắn), trong khi cơ cấu có kích thước tương đối nhỏ gọn (6x16x16) mm, phù hợp cho các loại ngòi thế hệ mới có kích thước bao hạn chế. Kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả tính toán trong bài báo và khuyến nghị sử dụng cơ cấu cho đạn có hệ số quán tính trục nhỏ (K1=90010000) [4]. Cơ cấu bảo hiểm kiểu đòn bẩy đảm bảo an toàn trong bảo quản vận chuyển, tin cậy mở bảo hiểm khi bắn ngòi thủy tĩnh lắp cho đạn lựu phóng chống người nhái, đáp ứng được yêu cầu đề ra. Mở rộng phương pháp tính toán và thực nghiệm trong bài báo có thể áp dụng để tính toán, thiết kế, lựa chọn các thông số của cơ cấu (lực lò xo, kích thước các cánh tay đòn của đòn bẩy, khối lượng bi và ống) phù hợp cho các loại ngòi đạn có hệ số quán tính trục nhỏ. Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực C. V. Tùng, , N. H. Hoàn, “Nghiên cứu sử dụng cơ cấu bảo hiểm cho ngòi thủy tĩnh.” 204 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vũ Văn Lâm. “Nguyên lý kết cấu tính toán và thiết kế ngòi đạn”. Học viện KTQS (2008). [2]. Đỗ Sanh, Nguyễn Văn Đình, Nguyễn Văn Khang. “Cơ học lý thuyết”, Nxb Giáo dục (2005). [3]. Nghiêm Xuân Trình, Nguyên Quang Lượng, Nguyễn Trung Hiếu, Ngô Văn Quảng. “Thuật phóng trong”, Học Viện KTQS (2015). [4]. Phạm Đức Hùng, Nguyễn Phúc Linh, Chu Văn Tùng, Phan Văn Vũ. “Tính toán cơ cấu phát hỏa kiểu đòn bẩy trong ngòi đạn”. Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, tập 3, quyển 1 (2017). [5]. Trần Đức Việt, “Hồ sơ đề tài súng và đạn lựu phóng chống người nhái”, Viện Vũ khí (2020). ABSTRACT RESEARCH ON USING SAFETY ARMING DEVICE LEVERAGE TYPE FOR HYDROSTATIC FUZE This article presents calculation results activate of safety arming device leverage type, which is assembled for hydrostatic fuze, satisfy requirements: safe in storage and transportation, open arming when be fired. The results are proved experimentally drop test and firing test on anti-frogmen grenades. Keywords: Fuzes; Safety arming device; Leverage. Nhận bài ngày 07 tháng 9 năm 2020 Hoàn thiện ngày 13 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Vũ khí/Tổng cục CNQP; 2Viện Tên lửa/Viện KHCNQS. *Email: hanhhoanvtl@gmail.com.