典型引信環(huán)境力對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的影響研究

唐玉娟，王 炅

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

引信是利用環(huán)境信息、目標(biāo)信息或平臺(tái)信息，確保彈藥勤務(wù)和彈道上的安全，按預(yù)定策略對(duì)彈藥實(shí)施起爆控制的裝置［1］。引信安全系統(tǒng)是引信中為確保平時(shí)及使用中安全而設(shè)計(jì)的，主要包括對(duì)爆炸序列的隔爆、對(duì)隔爆機(jī)構(gòu)的保險(xiǎn)和對(duì)發(fā)火控制系統(tǒng)的保險(xiǎn)等，安全系統(tǒng)在引信中占有重要地位［2］。隨著引信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)安全系統(tǒng)的要求逐漸提高，如冗余保險(xiǎn)、遠(yuǎn)距離解除保險(xiǎn)等。傳統(tǒng)的機(jī)械式安全系統(tǒng)利用發(fā)射過程中的慣性力解除保險(xiǎn)［3］，如利用曲折槽后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)獲得一定的延期解除保險(xiǎn)距離，利用被保險(xiǎn)零件在爬行力作用下運(yùn)動(dòng)到位需要一定時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離解除保險(xiǎn);火藥延期機(jī)構(gòu)、無(wú)返回力鐘表機(jī)構(gòu)延期和電子定時(shí)延期也是傳統(tǒng)延期實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離解除保險(xiǎn)的重要選擇。其中機(jī)械式解除保險(xiǎn)的過程難以精確控制，長(zhǎng)期貯存延期藥劑的理化性能和鐘表機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能有可能發(fā)生變化，直接影響延時(shí)的準(zhǔn)確性［4］，從而導(dǎo)致引信解除保險(xiǎn)距離不精確，影響炮口保險(xiǎn)性能。文中提出一種壓電精密驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)電式安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)的作功元件，其解除保險(xiǎn)的動(dòng)作過程速度可調(diào)，可根據(jù)不同的炮口保險(xiǎn)距離指標(biāo)設(shè)定驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作速度，控制解除保險(xiǎn)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)炮口保險(xiǎn)距離的可控。引信全壽命周期內(nèi)作用的環(huán)境因素很多，驅(qū)動(dòng)器能否承受這些因素的危害是其能否正常工作的前提，文中對(duì)勤務(wù)處理和發(fā)射過程中典型的環(huán)境力對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的影響進(jìn)行了分析，并給出了計(jì)算結(jié)果。

1 壓電驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)機(jī)理

壓電驅(qū)動(dòng)器的基本工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)定子彈性體在超聲頻段內(nèi)的微幅振動(dòng)，并通過定、動(dòng)子之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，輸出功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載［5］。文中提出的壓電驅(qū)動(dòng)器利用定子彈性體的一階縱振和二階彎振作為工作模態(tài)，一階縱振振型函數(shù)為:

二階彎振振型函數(shù)為

其中:G2、β2均為常量，l為定子長(zhǎng)度，x為定子上任意點(diǎn)到原點(diǎn)的x方向的距離。

一階縱振使定子兩驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生x方向上的往復(fù)位移，二階彎振使定子兩驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生y方向上的往復(fù)位移，其工作模態(tài)的振型圖如圖1所示，圖中實(shí)線部分為定子相應(yīng)振型，虛線為未變形前的定子輪廓。由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知:若一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以同一個(gè)頻率在互相垂直的兩個(gè)方向振動(dòng)時(shí)，則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓。這樣驅(qū)動(dòng)足上的質(zhì)點(diǎn)做循環(huán)往復(fù)的橢圓運(yùn)動(dòng)，通過摩擦力帶動(dòng)動(dòng)子，使動(dòng)子產(chǎn)生宏觀的運(yùn)動(dòng)。

圖1 定子工作模態(tài)振型Fig.1 Stator woking modes

圖2 壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.2 Piezoelectric actuator configuration

壓電驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，由動(dòng)子和定子組成，定子和動(dòng)子通過預(yù)壓力緊密接觸。定子下端面貼有兩片壓電陶瓷片，上端面凸出部分為兩驅(qū)動(dòng)足;動(dòng)子下端面的中間凸起部分，起運(yùn)動(dòng)限位作用。動(dòng)子和定子中各有一通孔，用作傳火通道:通孔錯(cuò)開時(shí)，引信處于隔火狀態(tài);通孔對(duì)正時(shí)，為隔爆機(jī)構(gòu)對(duì)正狀態(tài)。

2 壓電驅(qū)動(dòng)器作用方式

2.1 炮口保險(xiǎn)距離定義

引信的炮口保險(xiǎn)性能，實(shí)際上是指引信的解除保險(xiǎn)性能。狹義上講是指炮口保險(xiǎn)距離，即引信在此距離范圍內(nèi)不解除保險(xiǎn)。而廣義上還應(yīng)包括可靠解除保險(xiǎn)距離，即引信在可靠解除保險(xiǎn)距離以外引信完全解除保險(xiǎn)。在從炮口保險(xiǎn)距離到可靠解除保險(xiǎn)距離的范圍內(nèi)引信只是部分解除保險(xiǎn)，但隨著離炮口距離的增加引信的解除保險(xiǎn)比率逐漸增大［6］。炮口保險(xiǎn)距離和可靠解除保險(xiǎn)距離這兩項(xiàng)指標(biāo)是衡量引信安全性和可靠性的重要指標(biāo)［7］，炮口保險(xiǎn)距離通過引信遠(yuǎn)距離解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)保證和實(shí)現(xiàn)，在平時(shí)和發(fā)射后安全距離內(nèi)應(yīng)保證引信中被保險(xiǎn)零件處于被控制的保險(xiǎn)狀態(tài)，當(dāng)彈丸飛到安全距離以外時(shí)，釋放被保險(xiǎn)零件，使其由保險(xiǎn)狀態(tài)迅速變?yōu)榇l(fā)狀態(tài)。遠(yuǎn)解機(jī)構(gòu)可保證引信在炮口附近安全，避免意外發(fā)火傷及我方人員及裝備［8］。

2.2 壓電驅(qū)動(dòng)器延期解除保險(xiǎn)作用方式

《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》要求引信應(yīng)有一個(gè)保險(xiǎn)件提供延期解除保險(xiǎn)，以保證在規(guī)定的所有使用條件下均能達(dá)到安全距離要求。文中提出的驅(qū)動(dòng)器用來(lái)驅(qū)動(dòng)安全系統(tǒng)中的隔爆機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)延期解除保險(xiǎn)，動(dòng)子既為隔爆件同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)器的一部分，使得保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。當(dāng)探測(cè)電路識(shí)別到相應(yīng)的環(huán)境信息且符合時(shí)序邏輯，控制電路延時(shí)一段時(shí)間后壓電驅(qū)動(dòng)器上電，該時(shí)刻為安全和解除保險(xiǎn)裝置離開安全狀態(tài)的起點(diǎn)。壓電驅(qū)動(dòng)器動(dòng)子動(dòng)作過程為引信由安全狀態(tài)向待發(fā)狀態(tài)過渡的動(dòng)態(tài)過程。動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到位為安全和解除保險(xiǎn)裝置達(dá)到待發(fā)狀態(tài)的時(shí)刻?？刂齐娐费訒r(shí)和隔爆機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程共同實(shí)現(xiàn)引信延期解除保險(xiǎn)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓、頻率或兩相相位差來(lái)改變，可滿足不同的炮口保險(xiǎn)性能指標(biāo)。

圖3 壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的引信隔爆機(jī)構(gòu)Fig.3 Isolating explosion mechanism with piezoelectric actuator

3 引信環(huán)境力對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的影響

作為彈藥“探測(cè)與控制”系統(tǒng)的引信，與一般的機(jī)械裝置和電子設(shè)備相比所經(jīng)歷的環(huán)境不僅復(fù)雜，而且十分惡劣。引信環(huán)境是指引信在全壽命周期內(nèi)可能經(jīng)受的特定物理?xiàng)l件的總和。驅(qū)動(dòng)器能否承受這些環(huán)境因素的危害是其能否正常工作的前提，文中對(duì)勤務(wù)處理和發(fā)射過程中典型的環(huán)境力對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的影響進(jìn)行了分析和計(jì)算。

3.1 勤務(wù)處理中壓電驅(qū)動(dòng)器的受力分析

在勤務(wù)處理中，引信會(huì)受到振動(dòng)、沖擊和撞擊。引信零件除受到直接的撞擊力外還會(huì)受到因振動(dòng)和沖擊所產(chǎn)生的相對(duì)于引信體的沖擊慣性力。當(dāng)力的方向與引信零件解除保險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí)，這些力的危害最大。

圖4 壓電驅(qū)動(dòng)器跌落受力分析Fig.4 Force analysis of piezoelectric actuator dropping

考慮到壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)，定子和動(dòng)子通過預(yù)壓力緊密接觸，不通電時(shí)定、動(dòng)子間的靜摩擦力充當(dāng)自鎖力。在勤務(wù)處理過程中，最不利的一種情況如圖4所示，慣性力F與電機(jī)自鎖力Fl在一條直線上，且作用方向相反。假設(shè)勤務(wù)處理情況下引信零件由15.25 m高度落向鋼板，取其沖擊慣性加速度a峰值為12 000 g，持續(xù)時(shí)間為100 μs，關(guān)系曲線如圖5所示。仿真計(jì)算過程中，定、動(dòng)子間預(yù)壓力為 10 N，摩擦系數(shù)取 0.5［9］，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，圖6(a)為動(dòng)子位移隨時(shí)間變化的曲線，動(dòng)子在加速度脈沖信號(hào)結(jié)束時(shí)發(fā)生的最大位移為0.3 mm;圖6(b)為慣性加速度消失后動(dòng)子所處位置(黑色輪廓線為動(dòng)子發(fā)生位移前的位置)，可見隔爆機(jī)構(gòu)仍處于安全狀態(tài);圖6(c)為慣性加速度對(duì)壓電陶瓷片的影響，陶瓷片最大應(yīng)力值出現(xiàn)在51.55 μs處，稍滯后于加速度峰值出現(xiàn)時(shí)間，為62.1 MPa，壓電陶瓷的彎曲強(qiáng)度為 80.91 MPa［10］，證明該機(jī)構(gòu)能夠抵抗勤務(wù)處理中15.25m高度落向鋼板的沖擊慣性力。

圖5 勤務(wù)處理情況下慣性加速度曲線Fig.5 Inertia acceleration curve of dropping during service process

圖6 慣性加速度作用結(jié)果Fig.6 Inertia acceleration influence results

3.2 彈丸發(fā)射高速動(dòng)態(tài)條件下壓電驅(qū)動(dòng)器抗過載特性

在彈丸發(fā)射過程中，引信內(nèi)部零件可能受到多種作用力，歸納起來(lái)主要包括后坐力、離心力、切線慣性力、哥氏慣性力等?？紤]上述作用力引信內(nèi)部零件在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程為［2］:

式中:m為引信零件的質(zhì)量;dv'/dt為引信零件軸向運(yùn)動(dòng)加速度;s為后坐力c為離心力t為切線慣性力co為哥氏慣性力。

發(fā)射時(shí)，引信零件所經(jīng)受三個(gè)力 Fs、Fc、Fr的方向見圖7。

圖7 發(fā)射時(shí)引信零件受到的力Fig.7 Loads on the fuze part during launch process

其中離心力和后坐力常用做解除保險(xiǎn)的環(huán)境力，對(duì)引信內(nèi)部零件影響較大，著重考慮這兩種力對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的構(gòu)件影響。

3.3 離心力對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的影響

彈丸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)心偏離彈丸轉(zhuǎn)軸的引信零件受到與向心加速度方向相反的慣性力，即為離心力Fc，忽略動(dòng)子上開孔的影響，假設(shè)動(dòng)子質(zhì)心在未開孔時(shí)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱位置點(diǎn)C處，點(diǎn)O為彈軸位置，l為動(dòng)子質(zhì)心與載體轉(zhuǎn)軸的距離，如圖8所示。

圖8 壓電驅(qū)動(dòng)器動(dòng)子所受離心力示意圖Fig.8 Centrifugal force on the slider

解除保險(xiǎn)過程，動(dòng)子向左運(yùn)動(dòng)，受到與運(yùn)動(dòng)方向相反的離心力Fp作用，初始位置時(shí)動(dòng)子受到的離心力F最大，動(dòng)子不斷向左運(yùn)動(dòng)，l逐漸減小，所受離心力逐漸減小，在點(diǎn)C與點(diǎn)O重合處F為0，此后動(dòng)子繼續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中，所受離心力反向，成為動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到位后由于繼續(xù)受到離心力的作用，會(huì)保持在所在位置而不會(huì)滑開。設(shè)動(dòng)子所受的最大離心力Fmax，動(dòng)子的質(zhì)量 m=3.024 ×10－4kg，初始位置時(shí) l=2.5 ×10－3m，彈丸轉(zhuǎn)速n為15 000 r/min時(shí)

驅(qū)動(dòng)器機(jī)械性能測(cè)試得到它的最大輸出力為2.3 N，滿足使用條件。

3.4 后坐力對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的影響

3.4.1 理論分析

后坐力是引信解除保險(xiǎn)的重要環(huán)境力之一，同時(shí)也是可能造成引信爆炸元件自炸及零件破壞的主要環(huán)境激勵(lì)。對(duì)于一定的火炮、彈丸和發(fā)射裝藥，零件受到的后坐力與膛壓成正比，因此零件的運(yùn)動(dòng)加速度亦與膛壓成正比。引信后坐力Fs、膛壓P與時(shí)間t的關(guān)系曲線如圖9所示。一般用最大后座過載系數(shù)K1表示零件所受后坐力的猛烈程度。K1為發(fā)射時(shí)引信零件受到的最大后坐力與該零件重力的比值，表達(dá)式為

圖9 后坐力Fs、膛壓P與時(shí)間t的關(guān)系曲線Fig.9 Blowback force Fs，chamber pressure Pversus time t

表1 典型的沖擊、旋轉(zhuǎn)環(huán)境Tab.1 Typical impact and revolve environment

壓電驅(qū)動(dòng)器依靠壓電陶瓷的激勵(lì)工作，壓電陶瓷是壓電驅(qū)動(dòng)器的核心部件，其在引信發(fā)射過程中抗過載性能十分重要。由于壓電陶瓷材料脆性大，韌性低等固有弱點(diǎn)，其能否耐受高過載沖擊成為問題的關(guān)鍵。根據(jù)引信后坐力Fs與時(shí)間t的關(guān)系擬合出如圖10(a)的后坐加速度與時(shí)間關(guān)系曲線，峰值取為1.5×105m/s2，即最大后座過載系數(shù) K1=1.5 ×104。

對(duì)粘貼有陶瓷片的定子彈性體在Z方向施加圖10(a)所示的加速度，Z方向即彈軸方向。在Ansys中計(jì)算模型上施加圖示后坐加速度時(shí)，定子彈性體和壓電陶瓷片的受力情況。計(jì)算過程中，壓電陶瓷與定子彈性體的約束關(guān)系為綁定，引信基體的凸臺(tái)部分跟定子接觸為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2［11］。定子彈性體的材料為磷青銅，壓電陶瓷采用PZT8，材料參數(shù)如表2所示。

表2 材料參數(shù)Tab.2 Materials Parameters

圖10 仿真分析中的后坐加速度Fig.10 Simulation analysis of blowback acceleration

計(jì)算得到壓電陶瓷整體的應(yīng)力分布如圖11所示?？梢钥吹綁弘娞沾善诳拷呕w凸臺(tái)邊緣的應(yīng)力最大，因此定子的安裝位置對(duì)承受加速度載荷時(shí)陶瓷片的承受能力有很大的影響，應(yīng)避免陶瓷片與引信基體凸臺(tái)邊緣硬接觸。壓電陶瓷片的應(yīng)力峰值出現(xiàn)在加速度峰值處，為10.21 MPa，低于壓電陶瓷的彎曲強(qiáng)度80.91 MPa［10］，所以壓電陶瓷能夠承受15 000 g 的后坐加速度沖擊。

3.4.2 后坐加速度沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證

采用AVEX公司沖擊試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)整沖擊臺(tái)的高度和壓強(qiáng)得到不同的沖擊加速度，如圖12所示，對(duì)引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)裝配體共做了7次沖擊試驗(yàn)，加速度分別為5 031.94 g，6 414.04 g，8 410.89 g，10 688.04 g，12 872.96 g，14 649.19 g，15 911.49 g，沖擊加載的步距約為2 000 g。每次沖擊試驗(yàn)后，對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器施加工作電壓信號(hào)，均能正常工作，證明設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器能夠抵抗15 000 g后坐沖擊加速度。

圖11 壓電陶瓷整體的應(yīng)力分布Fig.11 Total stress distribution of the piezoelectric ceramic

圖12 沖擊試驗(yàn)Fig.12 Impact test

4 結(jié)論

文中提出一種壓電精密驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)電式安全系統(tǒng)解除保險(xiǎn)的作功元件，對(duì)壓電精密驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了分析，給出了壓電精密驅(qū)動(dòng)器在引信安全系統(tǒng)中的作用方式。分析了引信在勤務(wù)處理和發(fā)射過程中的典型環(huán)境力對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器構(gòu)件的影響，計(jì)算得到，壓電驅(qū)動(dòng)器在勤務(wù)處理中15.25 m高度落向鋼板的沖擊慣性力的作用下，定動(dòng)子間的自鎖力使得定動(dòng)子仍保持緊密接觸，動(dòng)子發(fā)生位移僅為0.3 mm，引信安全系統(tǒng)仍處于安全狀態(tài);在發(fā)射動(dòng)態(tài)過程中，壓電驅(qū)動(dòng)器輸出力為1.87N時(shí)可抵抗彈丸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min下的離心力而使動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到位，實(shí)測(cè)電機(jī)輸出力為2.3 N;在1.5×104g的后坐加速度下，壓電陶瓷片保持完好無(wú)破碎斷裂。結(jié)果表明，壓電驅(qū)動(dòng)器能夠承受典型引信環(huán)境力的危害，可正常工作，為壓電精密驅(qū)動(dòng)器在引信安全系統(tǒng)中的使用提供了理論基礎(chǔ)。該方案為炮口保險(xiǎn)距離的可控性提供了新思路。

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