引信MEMS延期解除保險機(jī)構(gòu)

鄭 燦,席占穩(wěn),聶偉榮,徐 娜,童 旭

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

0 引言

引信延期解除保險機(jī)構(gòu)(簡稱延解機(jī)構(gòu))在發(fā)射后安全距離內(nèi)應(yīng)保證引信中被保險零件處于被控制的保險狀態(tài),當(dāng)彈丸飛到安全距離以外后,釋放被保險零件,使其由保險狀態(tài)變?yōu)榇l(fā)狀態(tài)。延期保險機(jī)構(gòu)可保證引信炮口安全距離,避免意外發(fā)火傷及我方人員及裝備。

傳統(tǒng)引信有以下途徑實現(xiàn)延解功能:火藥延期、易熔合金、鐘表結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)流體延期解除保險、氣阻機(jī)構(gòu)、球轉(zhuǎn)子、保險帶、傳感器機(jī)電延解機(jī)構(gòu)等,存在結(jié)構(gòu)尺寸大、保險距離短和延時時間散布大等問題。

由于MEMS技術(shù)的加工特點,引信MEMS安全保險機(jī)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu),因此許多傳統(tǒng)引信延解機(jī)構(gòu)的形態(tài)不再適用于MEMS延解機(jī)構(gòu),如火藥延解機(jī)構(gòu)、球轉(zhuǎn)子延解機(jī)構(gòu)、保險帶延解機(jī)構(gòu)等,即使有些機(jī)構(gòu)的工作原理在MEMS機(jī)構(gòu)中可以繼續(xù)應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行改進(jìn),以滿足加工工藝的要求[1-3]。

例如鐘表延解機(jī)構(gòu)在引信安全系統(tǒng)中的應(yīng)用,如圖1所示。該鐘表機(jī)構(gòu)用于旋轉(zhuǎn)彈,利用離心力驅(qū)動鐘表機(jī)構(gòu)工作。同傳統(tǒng)引信用鐘表機(jī)構(gòu)相比,這種MEMS鐘表機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式摒棄了傳統(tǒng)鐘表機(jī)構(gòu)中原動機(jī)、中間輪、過渡輪,而采用三對卡擺和擒縱輪的互相約束來實現(xiàn)遠(yuǎn)解的目的,從而避免了雙層齒輪加工的問題,充分體現(xiàn)了MEMS結(jié)構(gòu)“平面化”的特點[4-5],但同樣存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且延時時間不易控制等問題。

圖1 MEMS鐘表延解機(jī)構(gòu)Fig.1 MEMS Clock delay mechanism

通常引信MEMS機(jī)構(gòu)體積小,發(fā)火機(jī)構(gòu)不適合采用靠機(jī)械動能發(fā)火的結(jié)構(gòu),而是采用依靠電能發(fā)火,即電火工品。因此,通常在采用MEMS機(jī)構(gòu)時,引信都帶有電源,這就為采用機(jī)電式MEMS延解機(jī)構(gòu)提供了有利條件。機(jī)電式引信MEMS延解機(jī)構(gòu)在產(chǎn)品的研制中已得到應(yīng)用,例如美國的理想單兵武器(OICW)系統(tǒng)20 mm高爆榴彈定距空炸引信,采用地磁傳感器檢測彈丸的轉(zhuǎn)數(shù),轉(zhuǎn)過預(yù)定的轉(zhuǎn)數(shù)后給出解除保險信號,使作動器工作,解除對滑塊的保險[6-8]。本文針對傳統(tǒng)引信延期解除保險機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸大、保險距離短和延時時間散布大等問題,提出了引信MEMS延期解除保險機(jī)構(gòu)。

1 MEMS安全系統(tǒng)工作原理

本文中提出的一種垂直于彈軸放置的MEMS安全系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2,該系統(tǒng)包括:安全保險機(jī)構(gòu)模塊、電路控制模塊、輸出藥板模塊,通過后坐保險、離心保險及指令鎖保險實現(xiàn)引信安全保險及解除保險功能。設(shè)計的MEMS安全系統(tǒng)主要應(yīng)用于中大口徑榴彈等彈種之上。

圖2 MEMS安全系統(tǒng)Fig.2 MEMS safety system

安全保險機(jī)構(gòu)模塊是MEMS安全系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分。如圖3所示,安全保險機(jī)構(gòu)主要由基板框架、懸臂卡鎖式后坐保險機(jī)構(gòu)、離心保險機(jī)構(gòu)、隔爆滑塊、指令鎖延解保險機(jī)構(gòu)等組成。

圖3 MEMS安全保險機(jī)構(gòu)Fig.3 MEMS safety mechanism

其工作原理為:正常狀態(tài)下,隔爆滑塊被后坐保險機(jī)構(gòu)和離心保險機(jī)構(gòu)卡住,該系統(tǒng)處于安全狀態(tài)；發(fā)射后,懸臂卡鎖式后坐保險機(jī)構(gòu)感受后坐環(huán)境力向下運(yùn)動脫離隔爆滑塊,解除對隔爆滑塊的第一道保險；隔爆滑塊在離心力的作用下向右運(yùn)動解除對離心保險機(jī)構(gòu)的鎖定,之后在離心力的作用下離心卡鎖帶動離心彈性梁向外側(cè)運(yùn)動,解除對隔爆滑塊的第二道保險。同時,指令鎖保險機(jī)構(gòu)的柔性鎖臂抵在基板上,使得隔爆滑塊無法在離心力作用下繼續(xù)向右運(yùn)動,傳爆序列處于未對正狀態(tài)；當(dāng)彈丸飛行至炮口安全距離之外,通過彈道實時信息控制電推銷器發(fā)火,推動指令鎖柔性鎖臂,解除對隔爆滑塊的延期保險,隔爆滑塊在離心力的作用下運(yùn)動到位并鎖定,此時該系統(tǒng)處于解除保險狀態(tài),傳爆序列對正,引信處于待發(fā)狀態(tài)[9-10]。

采用UV-LIGA技術(shù),并分立式加工,然后再裝配,可提高樣機(jī)成品率,同時也方便對各個保險機(jī)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行相應(yīng)實驗,為整個MEMS安全系統(tǒng)的性能指標(biāo)提供前期依據(jù)。

2 指令鎖保險機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 指令鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計

對指令鎖結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析:首先,在后坐保險機(jī)構(gòu)和離心保險機(jī)構(gòu)解除保險之后,滑塊在離心力作用下運(yùn)動至指令鎖臂與基板接觸,指令鎖臂需在運(yùn)動作用撞擊下,不能有明顯的變形,保證指令鎖結(jié)構(gòu)功能性完好；其次,指令鎖結(jié)構(gòu)配合電推銷器,指令鎖臂需在銷子作用下,保證被推入活動腔內(nèi),可靠解除保險,且不能影響滑塊后續(xù)運(yùn)動。

指令鎖保險機(jī)構(gòu)的動作過程如圖4所示。其中如圖4(e)所示,對指令鎖保險機(jī)構(gòu)局部各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要說明。從圖4(a)到圖4(b),在離心力作用下,隔爆滑塊運(yùn)動到指令鎖臂與梯形凸臺接觸而被限制,保險機(jī)構(gòu)處于保險狀態(tài),同時梯形凸臺又對電推銷器進(jìn)行限位。如圖4(c)所示,柔性指令鎖臂在電推銷器銷子的沖擊作用下進(jìn)入活動腔內(nèi),同時底座的結(jié)構(gòu)對電推銷器的銷子運(yùn)動行程進(jìn)行限位。如圖4(d)所示隔爆滑塊在離心作用下繼續(xù)運(yùn)動至可靠閉鎖,至此指令鎖延期保險機(jī)構(gòu)作用過程完成。

圖4 指令鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程Fig.4 Movement process of instruction locking mechanism

指令鎖保險機(jī)構(gòu)的柔性鎖臂是一種懸臂梁機(jī)構(gòu),該柔性鎖臂與隔爆滑塊的運(yùn)動方向存在一定的角度,既要保證柔性鎖臂與基板運(yùn)動撞擊時和抵住基板時在離心力的作用下不能發(fā)生大變形,又要在電推銷器作用下柔性鎖臂被完全推入柔性鎖臂活動腔,可靠解除鎖臂對隔爆滑塊的約束。初步設(shè)計時,柔性鎖臂的尺寸如表1所示。

表1 柔性鎖臂尺寸

2.2 電推銷器選型和推力模擬

為了MEMS安全系統(tǒng)的設(shè)計更小型化,在保證柔性鎖臂正常解除保險的前提下盡量選用規(guī)格較小的電推銷器,初步選用直徑為3 mm、長度為8 mm的圓形電推銷器,通過底座固定在底板上,推銷器的作用時間在ms級別,作用力與推銷器內(nèi)部裝藥量有關(guān),可以達(dá)到N級別。

在已給密閉容積V0和輸出峰值壓力Pm下,對于真實爆炸氣體,可用阿貝爾余容狀態(tài)方程表示為:

(1)

式(1)中,Δ為裝填密度,即Δ=W/V0；V0為密閉容積；W為藥量；α為余容；Pm為輸出壓力；M為氣體摩爾質(zhì)量；R0為普適氣體常數(shù)；T為爆溫。

令火藥力(或炸藥力)f為：

(2)

則諾貝爾-阿貝爾方程為：

(3)

在密閉容腔內(nèi),火藥燃燒或爆炸后的氣體密度ρ等于裝填密度Δ?；鹚帤怏w余容α為:

α=e-0.4ρ=e-0.4Δ

(4)

推銷器火藥采用斯蒂芬酸鉛,其火藥力f為0.43[11],但由于推銷器點火作用于銷子過程中,并不能完全保證密閉理想狀態(tài),且微型推銷器的裝藥量,爆轟體積等影響因素較多,導(dǎo)致實際與理論計算誤差較大,所以在一定裝藥量下,實際推力遠(yuǎn)小于理論值。

裝藥15%硝化棉含量的斯蒂芬酸鉛混合藥劑,平均裝藥量8.8 mg情況下實驗,并采用高速攝影的測試方法測試作用時間,進(jìn)而求出推銷的運(yùn)動速度。測量數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)v=s/t,推算出速度,瞬時速度-距離曲線如圖6所示[12]。

表2 銷子運(yùn)動瞬間速度

圖5 瞬時速度-距離曲線Fig.5 The curves of instant actuation speed vs distance

根據(jù)上述實驗結(jié)果,可知運(yùn)動距離在10 mm時,運(yùn)動時間為0.5 ms,瞬時速度為20 m·s-1,由于運(yùn)動時間較短,可視為此過程為恒加速度運(yùn)動,加速度為4×104m·s-2。

本文設(shè)計的指令鎖保險機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)中銷子運(yùn)動位移為0.65 mm,遠(yuǎn)小于10 mm,因此可視其受到的加速度為4×104m·s-2。同時,根據(jù)電推銷器初步設(shè)計,銷子質(zhì)量為1.62×10-4kg。以此推算銷子所受推力為6.48 N。

綜上所述,在8 mg裝藥量的情況下,通過實驗得電推銷器推力,并應(yīng)用于本文設(shè)計指令鎖機(jī)構(gòu)中,視其推力完全可達(dá)到N級,具體數(shù)值在6.5 N左右。

3 仿真分析

有限元仿真分析是處理動力學(xué)問題的有效方法,本文使用ABAQUS建立指令鎖保險機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行動力學(xué)功能仿真分析?？紤]到高韌性的要求,柔性鎖臂將利用微電鑄工藝用鎳材料制作,由于其機(jī)械性能與電鑄過程中的電流密度、電鑄時間、電鑄面積、加工高度等因素有密切關(guān)系,加工過程不同,材料參數(shù)會有一定的差異,其屈服強(qiáng)度處于0.5～1.1 GPa[13-14],為便于分析,電鑄鎳材料的參考參數(shù)如表3。

表3 電鑄鎳材料參數(shù)

3.1 安全保險狀態(tài)仿真

根據(jù)MEMS安全系統(tǒng)的工作原理,后坐保險機(jī)構(gòu)和離心保險機(jī)構(gòu)解鎖后,隔爆滑塊在離心力作用下繼續(xù)運(yùn)動,至指令鎖柔性鎖臂與基板碰撞,并最終抵在基板,保證指令鎖保險機(jī)構(gòu)的安全狀態(tài)可靠性。

因此,在電推銷器作用之前,柔性鎖臂要確保與基板碰撞和之后抵住基板兩個動作的可靠性。對柔性鎖臂進(jìn)行動力學(xué)仿真,簡化結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 簡化后結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Simulation structure model

首先,對該模型施加不同的離心轉(zhuǎn)速,使滑塊在離心加速度作用下加速運(yùn)動1 mm,至柔性鎖臂最右側(cè)與基板碰撞,仿真得到其變形量及應(yīng)力,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 柔性鎖臂4 000 r/min轉(zhuǎn)速下碰撞云圖Fig.7 Collision cloud map at 4 000 r/min speed of flexible lock arm

從圖7(a)可以看出柔性鎖臂在碰撞瞬間,部分節(jié)點達(dá)到電鑄鎳的屈服極限750 MPa,使柔性鎖臂發(fā)生塑性形變,但變形量為2.44×10-2mm,遠(yuǎn)小于指令鎖解鎖位移0.52 mm。同時圖7(b)表明,隔爆滑塊在幾次碰撞后會穩(wěn)定抵住右側(cè)基板,穩(wěn)定后結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為272 MPa,小于電鑄鎳的屈服極限,能保證其保險的作用。

由于裝藥量不同,到達(dá)出炮口的最大轉(zhuǎn)速也不盡相同,初步設(shè)計彈丸在出炮口轉(zhuǎn)速可達(dá)到7 000～8 000 r/min,為了驗證該指令鎖保險機(jī)構(gòu)使用范圍,選取不同的出炮口轉(zhuǎn)速(4 000 r/min，6 000 r/min，8 000 r/min，10 000 r/min)進(jìn)行仿真,得到其最大變形量和碰撞穩(wěn)定后應(yīng)力,10 000 r/min轉(zhuǎn)速下,柔性鎖臂碰撞穩(wěn)定后的應(yīng)力云圖如圖8所示,所有仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 柔性鎖臂最大變形量和穩(wěn)定應(yīng)力

隨著轉(zhuǎn)速增加,隔爆滑塊所受離心加速度增大,與基板碰撞過程中,柔性鎖臂所受應(yīng)力和右端最大變形量增加。如表4所示,轉(zhuǎn)速在10 000 r/min以內(nèi)時,柔性鎖臂均能夠保證在碰撞過程中不發(fā)生大的塑形變形；碰撞之后在離心力作用下抵住基板,柔性鎖臂此狀態(tài)下最大應(yīng)力均小于電鑄鎳的屈服極限；因此,在設(shè)計指標(biāo)7 000～8 000 r/min轉(zhuǎn)速下,該柔性鎖臂結(jié)構(gòu)能夠保證電推銷器作用之前的指令鎖保險功能。

圖8 10 000 r/min轉(zhuǎn)速下碰撞后應(yīng)力云圖Fig.8 Stress cloud after collision at 10 000 r/min speed

3.2 解除安全保險狀態(tài)仿真

為保證指令鎖設(shè)計結(jié)構(gòu)可在控制裝藥量的范圍內(nèi),可靠解除MEMS安全保險系統(tǒng)最后一道保險,通過有限元仿真模擬推銷器的作用過程,得出柔性鎖臂能夠被推入柔性鎖臂活動腔所需力的范圍,進(jìn)一步為推銷器的設(shè)計和裝藥量提供參考依據(jù)。對柔性鎖臂進(jìn)行動力學(xué)仿真,簡化模型如圖9所示。

圖9 簡化后結(jié)構(gòu)模型Fig.9 Simulation structure model

根據(jù)之前電推銷器的設(shè)計和推力推導(dǎo),推銷器的作用時間在ms級別,作用力可以達(dá)到N級別。柔性鎖臂能夠被推入活動腔,解除對隔爆滑塊最后一道約束的豎直位移為0.52 mm,對柔性鎖臂上端面最右邊施加大小為1 N、時間為1 ms的力載荷,進(jìn)行總時間為5 ms的瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析,該仿真過程采用國際單位,即kg-m-s-Pa,仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 柔性鎖臂在1 N,1 ms作用下仿真結(jié)果圖Fig.10 Simulation results of a flexible lock arm under the action of 1 N,1 ms

從圖10可以看出,在1 N,1 ms的載荷下,柔性鎖臂發(fā)生變形量為0.09 mm的塑形形變,未能被推入活動腔內(nèi),無法解除對隔爆滑塊最后一道安全保險。同時從圖10中可以看出,銷子作用下柔性鎖臂運(yùn)動時間在0.5 ms以內(nèi),與推銷力實驗中高速攝影下銷子運(yùn)動距離10 mm、運(yùn)動時間0.5 ms相符合。

為了分析柔性鎖臂完全被推入活動腔所需力的范圍,對柔性鎖臂施加不同載荷(2 N，3 N，4 N)進(jìn)行仿真分析,并匯總結(jié)果如圖11所示(圖11(c)中,3 N和4 N載荷狀態(tài)下,柔性鎖臂完全推入活動腔,位移響應(yīng)曲線重合)。

由圖11可知,當(dāng)作用時間相同時,作用載荷越大,柔性鎖臂的位移也越大。在模擬作用載荷大于2 N時,柔性鎖臂均在0.5 ms內(nèi)發(fā)生塑性變形,且位移均超過解除保險位移0.52 mm并進(jìn)入活動腔內(nèi),可靠解除對隔爆滑塊的最后一道約束。

圖11 柔性鎖臂在不同載荷下仿真圖Fig.11 Simulation diagram of flexible lock arm under different loads

4 樣機(jī)試驗

安全保險機(jī)構(gòu)采用多層UV-LIGA工藝、鎳材料加工制作,原理樣機(jī)實物圖如圖12所示。通過有限元仿真和試驗相結(jié)合的方法,對樣機(jī)進(jìn)行試驗分析,驗證該設(shè)計的可行性和功能性。指令鎖延解機(jī)構(gòu)的測試主要分為兩個方面:第一,在離心環(huán)境下,當(dāng)前兩道保險解除后,隔爆滑塊運(yùn)動一段位移使柔性鎖臂與基板發(fā)生碰撞,然后穩(wěn)定抵在基板上,測試柔性鎖臂在碰撞過程中以及后續(xù)離心轉(zhuǎn)速下的安全可靠性,并分析其適用范圍。第二,指令鎖延解機(jī)構(gòu)的整體測試,即電推銷器與柔性鎖臂及活動腔的配合試驗,測試柔性鎖臂在設(shè)計選定的電推銷器作用下是否可以可靠解除保險,完成解除保險功能。

圖12 MEMS安全保險機(jī)構(gòu)樣機(jī)圖Fig.12 Prototype of safety insurance mechanism for MEMS

4.1 離心環(huán)境試驗

離心試驗平臺以離心轉(zhuǎn)臺為主體搭建,如圖13所示。原理樣機(jī)固定夾具中,并通過螺釘安裝在離心轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤上,安裝時需將隔爆滑塊的運(yùn)動方向中心線與離心轉(zhuǎn)盤的半徑方向保持一致,4組樣機(jī)為同一批次加工制作。由于實際測試中,隔爆滑塊質(zhì)心與轉(zhuǎn)軸的距離和設(shè)計值不同,將設(shè)計轉(zhuǎn)速值7 000～8 000 r/min通過等效離心加速度進(jìn)行換算,用以離心平臺加載轉(zhuǎn)速。

圖13 離心試驗裝置圖Fig.13 Centrifugal test equipment

試驗結(jié)果表明:柔性鎖臂在測試環(huán)境3 500 r/min,等效于理論轉(zhuǎn)速10 500 r/min左右情況下,柔性鎖臂在碰撞中未發(fā)生塑性變形,而后穩(wěn)定抵住基板,可靠實現(xiàn)安全保險功能。

4.2 電推銷器配合試驗

選用微小型電推銷器,其推力通過測試結(jié)果推導(dǎo)可以達(dá)到8 N以上,在驗證了電推銷器的適用性后,與原理樣機(jī)進(jìn)行配合試驗,隔爆滑塊和電推銷器同時裝配在鋼材料底座結(jié)構(gòu)中,并且加上蓋板,試驗涉及火工品,由專門單位人員操作完成。試驗裝置及結(jié)果如圖14所示。

圖14 電推銷器配合試驗Fig.14 Electric actuator test

如圖14(b)所示,柔性鎖臂發(fā)生塑性形變進(jìn)入活動腔內(nèi)。試驗結(jié)果表明:電推銷器發(fā)火后,銷子在火藥力驅(qū)動下在μs級時間內(nèi)撞擊指令鎖柔性鎖臂,使其發(fā)生塑性形變進(jìn)入活動腔內(nèi),同時電推銷器的銷子會被底座擋住,不再繼續(xù)運(yùn)動與隔爆滑塊發(fā)生接觸,隔爆滑塊可以順利進(jìn)行后續(xù)運(yùn)動,驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計,該指令鎖延解機(jī)構(gòu)滿足可靠解除保險功能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了用于MEMS安全保險系統(tǒng)的機(jī)電式指令鎖保險機(jī)構(gòu),并根據(jù)MEMS安全保險系統(tǒng)的作用原理,從安全保險狀態(tài)和解除安全保險狀態(tài)兩方面,對指令鎖柔性鎖臂進(jìn)行了不同狀態(tài)下的瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析?；诙鄬覷V-LIGA工藝、鎳材料制作原理樣機(jī),并對指令鎖延解機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行了離心環(huán)境試驗和電推銷器配合試驗。仿真和試驗結(jié)果表明。在電推銷器作用之前,柔性鎖臂在轉(zhuǎn)速10 000 r/min以內(nèi)時,可靠保證MEMS安全系統(tǒng)處在未解除保險狀態(tài)。在電推銷器根據(jù)彈道實時信息正常工作情況下,推力大于2 N時,柔性鎖臂完全被推入活動腔,快速可靠解除MEMS安全系統(tǒng)的延期約束。因此,在此設(shè)計MEMS安全保險系統(tǒng)中,此指令鎖延解保險機(jī)構(gòu),可根據(jù)彈道實時信息通過電推銷器驅(qū)動柔性鎖臂的方法實現(xiàn)引信延期解除保險的功能,可以保證炮口安全距離,并且可以通過電路設(shè)計不同延時時間來點火電推銷器,實現(xiàn)在彈道軌跡的不同點解除保險的功能。