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 усло-
виях служебного обращения и при выстреле в соответствии с про-
граммой функционирования. Они должны отвечать следующим
требованиям:
— надежному удержанию деталей, от перемещения которых
зависит взведение взрывателя, до заданного момента времени;
— надежному освобождению удерживаемых деталей в задан-
ный момент времени;
— технологичности конструкции механизма;
— работоспособности после длительного хранения.
По характеру взводящей силы или другого воздействия, ис-
пользуемого для взведения, предохранительные механизмы можно
подразделить на следующие основные группы:
— инерционные, взведение которых происходит при воздей-
ствии осевой силы инерции при выстреле;
— центробежные, взводящиеся под действием радиальной силы
инерции;

3

— газодинамические, взводящиеся за счет давления газов ра-
кетного 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 предохранитель-
ного механизма, является собственно предохранитель.

1.2. Предохранители, используемые во взрывателях

Предохранителем называется элемент предохранительного ме-
ханизма, который удерживает подвижные детали от перемещения
до взведения, а при взведении или действии механизмов взрыва-
теля деформируется или разрушается, сгорает или растворяется.
Предохранители, удерживающие подвижные детали механиз-
мов во взведенном взрывателе от перемещения под действием сил
инерции, возникающих на траектории, называют контрпредохра-
нителями.
Деформируемые предохранители могут быть жесткого типа
(работают в области пластических деформаций) и упругого ти-
па (работают в области упругих деформаций). Они освобождают
удерживаемую деталь после воздействия определенной силы.
Сгорающие и расплавляющиеся предохранители удаляются со-
ответственно путем их выжигания или расплавления. На практике
их выполняют в виде пиротехнических предохранителей или де-
талей из легкоплавких сплавов.
Любые предохранители должны надежно ограничивать пере-
мещение удерживаемой детали до их удаления или соответствую-
щего 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 восстанавли-
вают.
Главное достоинство указанных предохранителей — очень ма-
лые 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 множе-
ства факторов на значение наибольшего сопротивления (основного
параметра закона сопротивления) создают в условиях производства
трудности обеспечения небольшого разброса, что вынуждает на-
значать допуск на сопротивление жестких предохранителей в пре-
делах ±(15 . . . 50) % от среднего сопротивления. При этом даже
при допуске ±15 % неизбежны значительное усложнение произ-
водства и большой объем брака.
Обозначив Rв max верхний предел наибольшего сопротивления,
а нижний предел наибольшего сопротивления жесткого предохра-
нителя Rв min, получим

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

Контроль предохранителей жесткого типа проводится выбороч-
но 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 сопротивле-
ние при малых размерах и жесткую фиксацию положения деталей
в механизме. В остальных случаях предпочтительнее упругие пре-
дохранители.
Упругие предохранители. Упругими называют предохранители,
восстанавливающие первоначальные размеры и сопротивление по-
сле снятия нагрузки.

6

Чаше всего упругие предохранители конструктивно выполняют
в виде цилиндрических или конических пружин. Этим и обусло-
влено второе название данного типа предохранителей — пружин-
ные.
Во взрывателях используют два вида пружинных предохрани-
телей:
— цилиндрические;
— конические.
Для цилиндрических пружинных предохранителей теоретиче-
ская 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 сжа-
тии 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 резьбо-
вой втулкой либо навивкой пружины в направлении, противопо-
ложном направлению резьбы втулки. Для обеспечения опорной
плоскости, перпендикулярной оси, торцевые витки пружин из про-
волоки диаметром более 0,35 мм шлифуют с торца.
Для увеличения предела упругости материала проволоки пру-
жины, для снятия внутренних напряжений, полученных при навив-
ке, улучшения стабильности при длительном хранении пружины
подвергают низкотемпературному отпуску. На пружины, как пра-
вило, наносят антикоррозийное покрытие.

8

Пружинные предохранители характеризуются рядом параме-
тров, под которыми понимают соответствующие значения сопро-
тивления R, осадки λ и высоты h, принимаемые пружиной в со-
бранном механизме и при перемещении подпружиненной (взводя-
щей) детали. Кроме того, к параметрам пружины следует отнести
величины, характеризующие ее геометрические размеры и количе-
ство витков (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Параметры пружинного предохранителя

На практике при расчете механизмов и собственно пружин ис-
пользуют 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 из-
вестное сопротивление Rсж обеспечивают некоторую жесткость
механизма, исключающую перемещение деталей при воздействии

9

незначительных усилий, возможных в служебном обращении, на-
дежный 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 соприкоснове-
ния 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 пру-
жин сжатия-растяжения положено
допущение
о
том,
что
нагруз-
ка
направлена
по
оси
пружины
(рис. 1.5). При этом силы, действу-
ющие на виток пружины в лю-
бом его сечении, приводятся к по-
перечной силе R, изгибающей ви-

ток, и моменту Mкр = RD
2 , скручи-
вающему виток. Изгибом пренебре-

гают и проводят расчет по крутяще-
му моменту.
Для пружин с витками кругло-
го сечения напряжение сдвига имеет
максимальное значение по окружности сечения витка и определя-
ется по формуле для прямого бруса круглого сечения:

τ = kMкр
Wкр
,
(1..2)

10