C型固体电枢与导轨接触压力的保持

刘晓辉 张建革 赵彦森

（1.第七一三研究所，郑州 450015；2.海军驻郑州地区军事代表室，郑州 450015）

1 引言

电枢是电磁炮的关键部件之一，它将电磁能转换为弹丸的动能。C型结构固体电枢有许多优越的特性，是目前固体电枢电磁轨道炮研究中常用的电枢类型。该型电枢在发射过程中需要考虑的一个重要因素是电枢与导轨的接触压力保持问题，合适范围内的接触压力能保证电流的顺利传递，在一定程度上避免转捩的发生。

2 接触压力计算

经典文献[1]中关于电枢和导轨接触压力的表述为：通过电流1A接触压力为1g，即1A/1g。从中可以看出所需接触压力和电流之间的关系

另，由“轨道炮作用力定律”知

其中L′是电感梯度，常用值0.40μH。所以，理论接触压力平衡点处的电流值，可通过（1）、（2）式算出，即

不难求出，此时I=50kA。结合下图1所示脉冲电流放电波形，如以横线代表。

图1 脉冲电流放电波形及接触压力平衡点

I=50kA，可见横线以上电磁力足以保证电枢臂和导轨接触，不需要外施力；相反，横线以下，必须施加外力才能保证所需接触力。此时，横线与脉冲电流放电波形相交的点就是理论接触压力平衡点，该平衡点即是接触压力的最小值。

从接触安全考虑，接触压力可取1200N。

3 电枢过盈量确定

固体电枢与导轨的起始接触压力主要有二者配合的过盈量提供。C型结构电枢材料选用铝材7A09，结构如图2所示。电磁轨道炮口径定为30mm方口径，单侧接触面积可按 600mm2计算。仿真分析结果如下图3所示。图中，在 F=1200N 压力下，电枢的最大变形为0.1mm。

图2 C型电枢结构

图3 电枢过盈量仿真分析

该电枢的最大变形值在实际试验中得到了验证，采取的方法是通过材料性能试验机测出压力和形变（位移）之间的关系，见图 4～5。试验机使用的压力分别为3000N和5000N。电枢在2m导轨上发射，电流脉冲最大为800kA时，单边磨损量约为0.2～0.7mm 之间[2]。试验电枢通过的电流最大为500kA，其过盈量单边可确定为0.5mm。

图4 电枢变形和压力的对应关系

图5 电枢变形和压力的对应关系

4 结论

通过以上分析，电枢和导轨间要保持1200N的压力，电枢相对于电磁轨道炮的口径需单边过盈量为0.1mm，考虑到电枢在发射过程中产生的磨损量，确定电枢单边过盈量为0.5mm，但从图4～5的曲线趋势来看，电枢变形量为0.5mm所受到的压力高达数万牛顿，此时电磁炮产生的电磁推力无法克服该压力所产生的阻力，电枢无法移动，导致发射失败。解决这一问题的途径是把电磁炮的口径做成“喇叭”口径，假设电枢在整个发射过程中磨损量是线性的（电枢磨损的具体情况可通过相应试验获取），此时炮尾的口径可定为 30.8mm，炮口的口径做成30mm，即要求电枢通过炮尾和炮口始终相对于轨道炮口径0.1mm的单边过盈量。

[1]Richard A.Marshall, Wang Ying. RAILGUNS∶ their SCIENCE and TECHNOLOGY[M]. Beijing∶ China Machine Press ,2004.

[2]Trevor Watt and Francis Stefani, “The Effect of Current and Speed on Perimeter Erosion in Recovered Armatures,”12thElectromagnetic Launch Symposium,May 25-28,2004.