引信MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)剪斷式后坐卡銷*

程玄玄，聶偉榮，李艷橋，盧西山

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

0 引言

MEMS系統(tǒng)（micro electromechanical system）是在微電子和微機(jī)械技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一門多學(xué)科交叉技術(shù)，具有微型化、集成化、智能化等特點(diǎn)[1－3]。

MEMS在引信中的應(yīng)用，涉及到引信的安全系統(tǒng)、發(fā)火系統(tǒng)及點(diǎn)火控制系統(tǒng)[4]。引信 MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，使得常規(guī)引信有更多的空間容納多傳感器探測(cè)電路和主裝藥，提高了彈藥的精確度和殺傷力[5]。

利用后坐力解除保險(xiǎn)的引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置，其后坐卡銷多為非剪斷式，插頭形狀為立方體。在后坐滑塊解除保險(xiǎn)之前，卡銷在后坐力的作用下，提前發(fā)生位移，解除保險(xiǎn)的行程變小，系統(tǒng)的安全性降低。為此，提出一種剪斷式后坐卡銷，應(yīng)用于一種新型引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置上。

1 引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置特征

圖1所示為美國(guó)陸軍兵器研究發(fā)展與工程中心（ARDEC）研制的一種引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置以及放大的后坐卡銷示意圖。彈丸發(fā)射后，后坐滑塊（setback slider）在后坐力的作用下向下運(yùn)動(dòng)一段距離，與卡銷橫梁接觸，推動(dòng)卡銷運(yùn)動(dòng)，直到插頭離開卡槽，解除保險(xiǎn)。此類非剪斷式后坐卡銷存在一個(gè)缺點(diǎn)，由于插頭為規(guī)則立方體，不能限制后坐卡銷沿著后坐力方向上的運(yùn)動(dòng)。在后座滑塊接觸到卡銷橫梁之前，卡銷在后坐力的作用下提前發(fā)生一段位移，使得卡銷解除保險(xiǎn)的行程變小。

圖1所示為安全狀態(tài)，當(dāng)所有保險(xiǎn)解除完成后，保險(xiǎn)滑塊（arming slider）向右運(yùn)動(dòng)到位，傳爆孔對(duì)正，機(jī)構(gòu)進(jìn)入解除保險(xiǎn)狀態(tài)。

圖1 ARDEC安全與解除保險(xiǎn)裝置

針對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置尺寸大，不利于實(shí)現(xiàn)微小型化的缺點(diǎn)，利用ARDEC安全與解除保險(xiǎn)裝置直接利用后坐環(huán)境力解除保險(xiǎn)的原理，文中提出一種電熱驅(qū)動(dòng)引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置，如圖2所示。該裝置主要由中間滑塊、電熱驅(qū)動(dòng)器、后坐滑塊、后坐卡銷、鎖銷組成，電熱驅(qū)動(dòng)器上下對(duì)稱分布。主要應(yīng)用在迫擊彈、微旋彈等彈種之上。

該機(jī)構(gòu)的工作原理為：發(fā)射前，中間滑塊被電熱驅(qū)動(dòng)器卡住，彈簧處于壓縮狀態(tài)，傳爆孔被中間滑塊擋住，起到隔爆作用，機(jī)構(gòu)處于安全狀態(tài)。發(fā)射后，后坐滑塊在10000g的后坐加速度下向下運(yùn)動(dòng)一段距離，同時(shí)，后坐滑塊推動(dòng)后坐卡銷運(yùn)動(dòng)，直到卡銷被剪斷，解除第一道保險(xiǎn)。此過(guò)程為機(jī)械過(guò)程。

當(dāng)環(huán)境傳感器響應(yīng)不同的環(huán)境信號(hào)，發(fā)出解除保險(xiǎn)信號(hào)至上下電熱驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器通電發(fā)熱，在驅(qū)動(dòng)力的作用下運(yùn)動(dòng)，卡入上下對(duì)應(yīng)的卡槽中。

彈丸在出炮口到安全與解除保險(xiǎn)裝置最后一道保險(xiǎn)解除時(shí)的飛行距離為炮口安全距離，設(shè)計(jì)中要控制炮口安全距離大于戰(zhàn)斗部的殺傷半徑，實(shí)現(xiàn)安全距離保險(xiǎn)。當(dāng)最后一道保險(xiǎn)解除后，中間滑塊在彈簧力作用下向右運(yùn)動(dòng)，傳爆孔打開，傳爆藥與輸入藥、輸出藥對(duì)正。環(huán)境傳感器通過(guò)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別來(lái)控制延時(shí)時(shí)間和起爆時(shí)間，當(dāng)延時(shí)時(shí)間結(jié)束，傳感器發(fā)送信號(hào)至后續(xù)電路，電阻絲發(fā)熱，引爆戰(zhàn)斗部，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的摧毀。

圖2 電熱驅(qū)動(dòng)引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置

2 后坐卡銷結(jié)構(gòu)

參照ARDEC安全與解除保險(xiǎn)裝置后坐卡銷的結(jié)構(gòu)形式，圖3所示為非剪斷式后坐卡銷在10000g和20000g后坐加速度下的位移仿真。由圖3可知，非剪斷式后坐卡銷在高g加速度環(huán)境下會(huì)沿著后坐卡銷解除保險(xiǎn)的方向上產(chǎn)生一段位移，且發(fā)射加速度越大，位移越大，機(jī)構(gòu)安全性越低。

圖3 非剪斷式后坐卡銷位移仿真

圖4 剪斷式后坐卡銷

為了確保后坐卡銷有足夠的解除保險(xiǎn)行程，提高電熱驅(qū)動(dòng)引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置的安全性，文中提出一種剪斷式后坐卡銷見(jiàn)圖4。

剪斷式后坐卡銷橫梁上的插頭是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，插頭形狀特殊，與中間滑塊上卡槽相互配合。在卡槽的約束下，卡銷在剪斷之前不運(yùn)動(dòng)，這是剪斷式和非剪斷式后坐卡銷的區(qū)別。

剪斷式后坐卡銷一方面可以為機(jī)構(gòu)提供一道保險(xiǎn)，在電熱驅(qū)動(dòng)器意外解除保險(xiǎn)的情況下，還能卡住中間滑塊，起到“二級(jí)保險(xiǎn)”的作用。卡銷左端固定，橫梁在后坐滑塊的推動(dòng)下，沿順時(shí)針?lè)较虬l(fā)生彎曲。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在10000g的后坐加速度下，后坐卡銷不能直接解除保險(xiǎn)，必須通過(guò)后坐滑塊推動(dòng)卡銷橫梁運(yùn)動(dòng)來(lái)解除保險(xiǎn)。

后坐滑塊向下運(yùn)動(dòng)與卡銷表面接觸時(shí)，對(duì)卡銷的壓力為F1。后坐卡銷在力F1的作用下被剪斷。

3 后坐卡銷計(jì)算與仿真

建立后坐滑塊的實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench，可得后坐滑塊的質(zhì)量為m＝9.6×10－6kg，在10000g的后坐加速度條件下，后坐滑塊上產(chǎn)生的力為：

后坐滑塊運(yùn)動(dòng)到位時(shí)壓縮彈簧的反作用力為F2，后坐滑塊底部卡銷卡進(jìn)卡槽中產(chǎn)生的最大摩擦力為F3，則：

要確定F2的大小，需求出彈簧的彈性系數(shù)k。仿真可知，上端施加0.5N壓力時(shí)，彈簧壓縮量為0.00315m，即彈性系數(shù)k ＝ 0.5N／0.00315m ＝158.73N／m?；瑝K和彈簧的總位移x＝0.0015m，由胡克定律可知：

要確定F3的大小，需對(duì)鎖銷進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。由ANSYS LS－DYNA仿真可知，鎖銷沿X方向的最大應(yīng)力σ＝8.35×105Pa，總接觸面積A＝0.15×0.3×10－6×4＝1.8×10－7m2，由應(yīng)力公式可知，正壓力：

鎳與鎳之間的動(dòng)摩擦系數(shù)μ＝0.53，即：

考慮其它摩擦力的影響以及系統(tǒng)可靠性的要求，取F1＝0.5N對(duì)剪斷式后坐卡銷進(jìn)行仿真。圖5為剪斷式后坐卡銷在0.5N壓力下的斷裂仿真。

圖5 剪斷式后坐卡銷斷裂仿真

由圖5可知，剪斷式后坐卡銷橫梁上插頭在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被完全剪斷，橫梁向下運(yùn)動(dòng)一定距離后發(fā)生彎曲，后坐卡銷解除保險(xiǎn)。

為了保證足夠的解除保險(xiǎn)行程，后坐卡銷在10000g甚至更高的后坐加速度下不能直接解除保險(xiǎn)。圖6所示為剪斷式后坐卡銷在10000g和20000g后坐加速度下的位移仿真。

圖6 剪斷式后坐卡銷位移仿真

由圖6可以看出，剪斷式后坐卡銷在10000g和20000g加速度下最大位移分別為3.367×10－4mm，6.734×10－4mm，插頭處位移幾乎為0，后坐卡銷不能直接解除保險(xiǎn)，滿足安全性要求。在10000g后坐加速度下，后坐滑塊向下運(yùn)動(dòng)剪斷后坐卡銷，成功解除保險(xiǎn)，滿足可靠性要求。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的剪斷式后坐卡銷是基于電熱驅(qū)動(dòng)引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置的要求來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與非剪斷式后坐卡銷相比，剪斷式后坐卡銷插頭形狀特殊，受中間滑塊卡槽的約束，卡銷在剪斷之前不運(yùn)動(dòng)，避免了后坐力對(duì)后坐卡銷解除保險(xiǎn)行程的影響。仿真表明，剪斷式后坐卡銷在高g環(huán)境下沿后坐力方向上的位移幾乎為零，后坐卡銷解除保險(xiǎn)行程較大，系統(tǒng)安全性較高。后坐滑塊在10000g的正常發(fā)射加速度下推動(dòng)后坐卡銷運(yùn)動(dòng)，成功剪斷后坐卡銷，解除保險(xiǎn)，滿足可靠性要求。

由于目前國(guó)內(nèi)MEMS的工藝水平較低，引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置及其剪斷式后坐卡銷在加工工藝和精度上存在一定的局限性。并且此設(shè)計(jì)仿真沒(méi)有考慮實(shí)際發(fā)射環(huán)境中各種外界干擾的影響，這些都是今后努力的方向。

[1]李得勝，王東紅，孫金瑋，等.MEMS技術(shù)及其應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

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