應(yīng)用步進電機實現(xiàn)機構(gòu)可逆檢測

牟洪剛,黃惠東,劉青冬,劉 勇

(西安機電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

導(dǎo)彈研制和生產(chǎn)過程中成本高昂,屬于高價值彈藥。高價值彈藥對引信的可靠度要求較高,通常提出的可靠度指標為0.995以上,置信度為0.8或更高[1]。為了保證導(dǎo)彈引信在裝彈前及長期貯存后再使用時的工作可靠性,要求對引信進行測試,以確保引信的工作可靠性。

以前,無論國內(nèi)還是國外導(dǎo)彈引信的隔爆機構(gòu)動作均為單方向、一次性的。一旦完成解除保險和隔爆過程就不可恢復(fù)為安全狀態(tài)[2]。因而在引信測試時,隔爆機構(gòu)的動作可靠性無法檢測;特別是在引信長期貯存后,隔爆機構(gòu)的動作可靠性檢測尤為重要。

近幾年來,引信隔爆機構(gòu)可逆動作被提上議事日程。2009年中國兵工學會第十六屆引信學術(shù)年會的論文集中相繼出現(xiàn)了多篇論文,涉及引信隔爆機構(gòu)可逆動作,如:《運動可逆式引信安全系統(tǒng)控制分析》[2]、《運動可逆式引信安全系統(tǒng)控制電路設(shè)計》[3]、《引信安保機構(gòu)復(fù)位功能設(shè)計探討》[4]和《我國魚雷爆發(fā)器的發(fā)展趨勢》[5]。在這些論文中提出的引信隔爆機構(gòu)可逆動作均為完全解除保險后再返回初始狀態(tài)[6],隔爆機構(gòu)的動作可靠性檢測時存在一定的安全隱患,引信隔爆機構(gòu)在完全解除保險時初始發(fā)火元件一旦意外作用,則整個傳爆序列作用。

國內(nèi)于多年前完成引信機構(gòu)可逆動作方面的研究,提出采用步進電機驅(qū)動隔爆件,轉(zhuǎn)動一定角度(仍處于隔爆狀態(tài))后再返回初始狀態(tài)。

1 步進電機

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,即給電機加一個脈沖信號,電機則轉(zhuǎn)過一個步距角[7]。步進電機必須由雙環(huán)脈沖信號、功率控制電路等系統(tǒng)控制方可使用。

步進電機具有以下特點:

1)步距值不受各種干擾因素的影響;

2)誤差不長期累積;

3)控制性能好,可雙向驅(qū)動。

本文所選用的步進電機主要采用一個驅(qū)動模塊即步進電機驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機,其驅(qū)動運行方式為單極驅(qū)動的四相八拍運行方式;外形尺寸為35 mm×35 mm×40 mm。

2 應(yīng)用步進電機實現(xiàn)機構(gòu)可逆檢測

2.1 動作可逆機構(gòu)

動作可逆機構(gòu)主要由帶電磁拔銷器的后坐保險裝置、火藥拔銷器、步進電機(具有鎖定力矩)、隔爆轉(zhuǎn)子、開關(guān)盤和機械觸點(幾組)等組成。

帶電磁拔銷器的后坐保險裝置、火藥拔銷器和步進電機(具有鎖定力矩)為安全和解除保險機構(gòu)三個獨立的保險件,機械地鎖定隔爆轉(zhuǎn)子。

帶電磁拔銷器的后坐保險裝置是安全和解除保險機構(gòu)的第一道保險。發(fā)射后,當產(chǎn)生的軸向過載達到后坐保險裝置所需的過載閾值時,后坐保險銷在后坐力的作用下,開始解除對隔爆轉(zhuǎn)子的第一道保險。

電磁拔銷器的作用是在通電后,通過電磁力拔出后坐保險銷,使得安全和解除保險機構(gòu)在測試狀態(tài)無軸向過載時,也能正常解除后坐保險。在引信正常工作時,電磁拔銷器不工作。

火藥拔銷器是安全和解除保險機構(gòu)的第二道保險?；鹚幇武N器選用的是A類鈍感火工品,可以保證平時不會意外作用。在引信測試時,起爆電路沒有上電,并且火藥拔銷器通過測試儀強制短路,可以保證火藥拔銷器不會意外作用。

步進電機通過一組齒輪來驅(qū)動隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。步進電機軸上套有一個小齒輪,隔爆轉(zhuǎn)子的上表面鉚接一個大齒輪,大齒輪和小齒輪相互嚙合,這樣步進電機轉(zhuǎn)動驅(qū)動隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

步進電機具有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的特性,因此,它可作為隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原動機;步進電機具有一定的鎖定力矩,因此,它可作為安全和解除保險機構(gòu)的第三道保險。

開關(guān)盤和機械觸點(幾組)相互配合可向控制電路輸出隔爆轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動信息。開關(guān)盤上有不同弧度的導(dǎo)電帶(圖1陰影部分)和不同阻值電阻(圖1黑色部分)。隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,通過幾組機械觸點與開關(guān)盤上導(dǎo)電帶和不同阻值電阻的不同組合來反映隔爆轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動信息。開關(guān)盤鉚接在隔爆轉(zhuǎn)子的下表面,而機械觸點則安裝在底螺中。圖1為開關(guān)盤圖。

圖1 開關(guān)盤圖Fig.1 Figure of switch plate

2.2 機構(gòu)的可逆檢測

安全和解除保險機構(gòu)的可逆檢測:首先通過專用測試儀給引信控制電路上電;與此同時,控制電路給電磁拔銷器通電,電磁拔銷器利用電磁力拔出后坐保險銷,使得安全和解除保險機構(gòu)在測試狀態(tài)無軸向過載時,也能正常解除后坐保險,待步進電機帶動隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定角度后,電磁拔銷器斷電,后坐保險銷在彈簧的作用下恢復(fù),但此時后坐保險銷已經(jīng)無法鎖住隔爆轉(zhuǎn)子;隨后,控制電路判別程序轉(zhuǎn)向開關(guān)的狀態(tài)后運行檢測程序,控制步進電機在預(yù)定時間后帶動隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動預(yù)定角度,隔爆轉(zhuǎn)子上的開關(guān)盤結(jié)合機械觸點向控制電路返回隔爆轉(zhuǎn)子的狀態(tài)信息;此時,安全和解除保險機構(gòu)仍處于隔爆狀態(tài);當控制電路接收到專用測試儀器發(fā)出的模擬遠距離解除保險信號,并經(jīng)判別正確時,控制電路并不執(zhí)行隨后的解除保險動作,而是給電磁拔銷器通電再次拔起后坐保險銷,然后控制步進電機帶動隔爆轉(zhuǎn)子返回到初始狀態(tài),電磁拔銷器斷電,后坐保險銷在彈簧的作用下恢復(fù),鎖住隔爆轉(zhuǎn)子;最后隔爆轉(zhuǎn)子上的開關(guān)盤結(jié)合機械觸點向控制電路返回隔爆轉(zhuǎn)子的狀態(tài)信息。通過對步進電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的有效控制以及開關(guān)盤和機械觸點的有效結(jié)合,實現(xiàn)了在測試時不破壞安全和解除保險機構(gòu),又能盡量全面考核安全和解除保險機構(gòu)的目的。

現(xiàn)在這種檢測并不是整個解除保險過程檢測,只是在一定角度范圍內(nèi)的檢測,因為火藥拔銷器是一種一次性的火工品,一旦作用無法恢復(fù)。

2.3 可逆檢測的安全性

引信測試時,火藥拔銷器起爆電路沒有上電,并且火藥拔銷器通過測試儀強制短路,可以保證火藥拔銷器不會意外作用,從而保證了引信不會完全解保。

引信測試時,引信控制電路只能運行檢測程序。即使火藥拔銷器意外作用,解除對隔爆轉(zhuǎn)子的鎖定,引信控制電路同樣會控制步進電機回到初始隔爆位置,從而保證引信檢測時的安全性。

3 驗證試驗

根據(jù)前文所述,設(shè)計出了安全和解除保險機構(gòu)并進行了試驗測試。試驗條件:高溫+70℃、低溫-40℃、振動功率譜密度0.12 g2/Hz、沖擊過載100 g、持續(xù)時間6～8 ms、溫度沖擊-40～+70℃等。在各種環(huán)境試驗中用專用測試儀配合機構(gòu)的控制電路對機構(gòu)的動作進行測試,測試波形圖如圖2所示。

圖2 “檢測”程序時信號波形Fig.2 Signal wave of"detection"procedure

第一個高臺階表示步進電機驅(qū)動隔爆轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)了預(yù)定的角度,此時安全和解除保險機構(gòu)處于第一道保險解除,第二道保險未解除狀態(tài);第二個高臺階表示步進電機驅(qū)動隔爆轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)了預(yù)定的角度,返回初始位置,此時安全和解除保險機構(gòu)處于完全保險狀態(tài)。

安全與解除保險機構(gòu)完成環(huán)境試驗后進行完全解保試驗,測試波形如圖3所示。

圖3 “工作”程序時信號波形Fig.3 Signal wave of"action"procedure

第一個高臺階表示步進電機驅(qū)動隔爆轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)了預(yù)定的角度,此時安全和解除保險機構(gòu)處于第一道保險解除,第二道保險未解除狀態(tài);第二個高臺階表示第二道保險解除后,步進電機驅(qū)動隔爆轉(zhuǎn)子繼續(xù)正轉(zhuǎn)了預(yù)定的角度,此時安全和解除保險機構(gòu)處于完全解保狀態(tài)。

機構(gòu)從研制之初到設(shè)計定型進行了不少于1 000次的可逆檢測,均沒有出現(xiàn)問題,一致性非常好。

通過試驗表明:應(yīng)用步進電機的安全和解除保險機構(gòu)設(shè)計合理,利用了彈上供電和步進電機的轉(zhuǎn)動特性;步進電機作為隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原動機為隔爆轉(zhuǎn)子提供驅(qū)動力,實現(xiàn)部分解除保險功能;開關(guān)盤和機械觸點的相互配合,可以向控制電路反饋隔爆轉(zhuǎn)子在解除保險過程中的位置信息,使引信可以在裝彈前對其第二道保險之前的解除保險過程進行模擬測試;環(huán)境適應(yīng)性好,機構(gòu)工作安全、可靠。

4 結(jié)論

安全和解除保險機構(gòu)利用步進電機為隔爆轉(zhuǎn)子運動提供驅(qū)動力,同時利用步進電機具有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的特性實現(xiàn)機構(gòu)動作的可逆性,結(jié)合機械觸點和開關(guān)盤實現(xiàn)了安全和解除保險機構(gòu)的部分可逆檢測,這種檢測并不完全解除保險,安全和解除保險機構(gòu)仍然處于隔爆狀態(tài),從而保證了檢測的安全性。試驗結(jié)果表明:安全和解除保險機構(gòu)受外界環(huán)境影響低、可靠性高,實現(xiàn)了安全和解除保險機構(gòu)的部分可逆檢測。由于步進電機尺寸相對較大,只能應(yīng)用于低發(fā)射過載、外形尺寸較大的導(dǎo)彈引信。

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