基于鈸式壓電陣列的引信發(fā)電裝置

陳永超，高　敏，俞衛(wèi)博，張　愷

(1.解放軍軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊　050001；2.中國人民解放軍92337部隊驗收部，遼寧 大連　116000)

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基于鈸式壓電陣列的引信發(fā)電裝置

陳永超1，高敏1，俞衛(wèi)博1，張愷2

(1.解放軍軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊050001；2.中國人民解放軍92337部隊驗收部，遼寧 大連116000)

針對現(xiàn)有引信壓電電源發(fā)電時間短的問題，設計制作了以彈簧-質量塊和壓電換能器為主要部件的引信發(fā)電裝置。該裝置能將彈藥發(fā)射瞬間的沖擊能量收集并轉換為持續(xù)的電能輸出。測試結果表明，沖擊加載、換能器結構、換能器層數(shù)、質量塊等對其發(fā)電性能有不同的影響規(guī)律，且鈸式疊堆結構發(fā)電性能優(yōu)于薄片壓電疊堆，所提出改進后的發(fā)電裝置發(fā)電時間能達到2.499 s，有效延長了引信壓電發(fā)電裝置的供電時間。

引信電源；壓電發(fā)電；壓電疊堆；鈸式換能器

0　引言

近年來，壓電發(fā)電技術由于其長儲性能好、環(huán)境適應能力強、結構簡單、易微小型化等優(yōu)點，在嵌入式MEMS、收集環(huán)境能、生物機械能等方面呈現(xiàn)出廣闊的應用潛力，在醫(yī)療、生物、軍事等領域也已開展了相關研究工作[1-4]。隨著材料技術的發(fā)展尤其是壓電材料壓電系數(shù)的大幅提升，以及微功耗電路在智能彈藥和現(xiàn)代引信中的廣泛應用，使得壓電發(fā)電技術在新型彈藥上的應用成為可能，現(xiàn)代引信用新型壓電發(fā)電裝置的設計與研制已成為研究熱點。

基于壓電發(fā)電的引信發(fā)電裝置可分為兩大類：一類是將彈丸飛行中的迎面氣流能量轉換為電能，如文獻[5]提出了在氣流諧振壓電發(fā)電機中，以壓電薄膜代替磁電發(fā)電機，研究結果表明該發(fā)電機輸出功率較大, 可滿足低功耗引信的使用，且結構簡單、體積小、成本低、重量輕，不會產生交變磁場；文獻[6]提出了一種MEMS壓電式射流發(fā)電機，以懸臂梁式壓電膜片代替普通壓電膜片，研究結果表明該發(fā)電機可滿足低功耗引信使用，且具有結構簡單、體積小、輸出電壓高等特點。這類壓電發(fā)電裝置皆依靠彈丸飛行中的迎面氣流驅動，由引信體上的進氣和出氣孔作為結構保證，故其密封性差，且會影響引信的長儲性能和彈藥彈道性能。另一類是將彈丸發(fā)射時的沖擊能直接轉換為電能。如：文獻[7]針對發(fā)射條件下沖擊能量的收集和轉換，提出了一種基于壓電材料疊堆的換能結構，試驗結果表明該發(fā)電機能夠用于小口徑高炮的炮口感應電子時間引信。這類發(fā)電裝置僅將彈藥發(fā)射時所產生的沖擊力直接作用在壓電元件上，使其產生一次性形變，產生電能少(6.79 mJ[7])，發(fā)電時間極短(幾十微秒)。本文針對上述問題設計了基于鈸式壓電陣列的引信壓電發(fā)電裝置。

1　發(fā)電裝置的設計與制作

如圖1所示，發(fā)電裝置由外殼、底蓋、質量塊與上下兩個彈簧及壓電換能器組成。外殼為圓柱體，其底部有外螺紋可與引信旋接固定；壓電換能器采用壓電堆疊置于裝置的上下兩端；質量塊外徑略小于外殼內徑，與兩個彈簧共同構成質量-彈簧組件；底蓋通過螺旋與外殼相連，封裝旋入后壓緊彈簧使其有一定預緊力，調節(jié)底蓋旋入深度可改變預緊力大??；底蓋中心留有小孔供導線引出。

圖1　發(fā)電裝置結構示意圖Fig.1　Sketch map of generator

工作原理如下：彈藥發(fā)射時質量塊在后坐力沖擊作用下向下移動壓迫彈簧，將一部分沖擊能轉化為彈性勢能儲存于彈簧中，底部壓電換能器受壓產生變形，因壓電效應第一次輸出電能，實現(xiàn)了發(fā)電裝置的快激活。后坐力消失后，質量-彈簧組件進入欠阻尼振動狀態(tài)，對上下兩端壓電換能器施加持續(xù)的作用力，從而持續(xù)輸出電壓。此外，彈藥飛行中產生的振動也能部分轉化為彈性勢能，進而轉換為質量塊的振動，并對壓電換能器施加作用力以延長發(fā)電時間。

加工制作時，外殼和質量塊采用鐵鑄件車削而成，且質量塊采用了兩種形式，其結構參數(shù)如表1所示；彈簧定制而成，其剛度為9×103N/m；端蓋材料與外殼相同，高度為5 mm；壓電換能器采用PZT-5A壓電陶瓷材料，采用壓電陶瓷堆疊和鈸式兩類構型，以便于對比研究，如圖2所示。按照壓電陶瓷堆疊層數(shù)及厚度，兩類構型各有3種結構形式，并分別予以編號，如表2所示。最后與不同質量塊搭配可形成12種不同組合方式的發(fā)電裝置。

表1　外殼和質量塊結構參數(shù)

圖2　壓電換能器構型Fig.2　Structure of piezoelectric transducer

壓電薄片鈸式編號層數(shù)單層厚度/mm編號層數(shù)單層厚度/mm113111222.5221332341.25

2　發(fā)電性能的測試與分析

為測試發(fā)電性能，搭建了主要由CL-200型沖擊試驗臺和TDS2024C型數(shù)字示波器組成的沖擊測試試驗裝置，如圖3所示。發(fā)電裝置置于保護殼內由夾具固定在沖擊臺面上，臺面接一個傳感器，用于測量施加在底蓋上的沖擊加速度。發(fā)電裝置外接負載，由示波器測量負載兩端的電壓信號。當沖擊臺收到控制指令后，臺面以液壓方式沿兩側立柱升至指定高度，隨后自由落體跌落至下面的緩沖墊上，對固定于沖擊臺面上的發(fā)電裝置施加向上的半正弦波沖擊，沖擊波形如圖4所示。

圖3　發(fā)電性能沖擊測試試驗裝置Fig.3　Impact test device of piezoelectric generator

圖4　半正弦沖擊波形Fig.4　Diagram of impact force

圖5—圖8為12種不同組合方式的發(fā)電裝置輸出電壓隨沖擊加速度的變化曲線。每種組合在不同沖擊下各測試3次，其測試順序編號按照沖擊加速度由小到大的順序分別在圖中連續(xù)標出。其中，圖7中3號鈸式堆疊在進行第3次測試時損壞，最高輸出電壓未記錄，在隨后圖8所示的測試中未出現(xiàn)。圖8中2號鈸式堆疊在進行第3次測試時損壞，最高輸出電壓未記錄。表3為不同組合按測試順序列出的電能輸出持續(xù)時間。

圖5　質量塊1與不同薄片壓電堆疊組合Fig.5　Combination of mass block 1 and different piezoelectric stack

圖6　質量塊2與不同薄片壓電堆疊組合Fig.6　Combination of mass block 2 and different piezoelectric stac

圖7　質量塊1與不同鈸式壓電堆疊組合Fig.7　Combination of mass block 1 and different cymbal piezoelectric stack

圖8　質量塊2與不同鈸式壓電堆疊組合Fig.8　Combination of mass block 2 and different cymbal piezoelectric stack

由圖5—圖8、表3可知：1)沖擊加載越大輸出電壓越高，電能輸出持續(xù)時間越長，電壓與電能輸出時間正相關，這是因為，沖擊加載越大換能器受到的作用力越大，且彈簧儲存的彈性勢能越大；2)在相同的沖擊加載下，輸出電壓隨壓電堆疊層數(shù)增加而顯著提高，但電能輸出時間增加并不顯著，這是因為,在相同的作用力下多層壓電堆疊發(fā)電性能優(yōu)于單層[8]，但對質量-彈簧組件的振動時間無影響；3)在相同的沖擊加載下，鈸式壓電換能器產生的電壓高于壓電堆疊式換能器，這是因為，鈸式換能器巧妙地利用了金屬端帽的特殊形狀，將施加于軸向的應力轉換并放大成切向的應力，故輸出電壓相對較高；4)在相同的沖擊加載下，質量塊質量越大，輸出的電壓越高，電能輸出時間越長，這是因為，質量塊越大作用于換能器上的力越大，同時彈簧收集的沖擊能越大；5)鈸式壓電換能器耐沖擊能力低于壓電陶瓷堆疊式，主要損壞方式有兩種：一是金屬帽與壓電陶瓷的粘結層開裂導致兩者分離；二是金屬帽被壓扁不能將軸向應力轉換并放大為切向應力。

表3　電壓輸出持續(xù)時間

3　發(fā)電裝置改進

3.1發(fā)電裝置的結構改進

根據(jù)上述分析結論，為延長發(fā)電時間，同時提高抗沖擊能力，對發(fā)電裝置的結構進行了改進(如圖9所示)：

圖9　發(fā)電裝置改進結構Fig.9　Sketch map of generator improved

1)將質量塊由圓柱形改為階梯狀，增加質量的同時也提高了發(fā)電裝置的空間利用率。

2)在原來上、下雙彈簧內各加一內彈簧，形成四彈簧結構。外彈簧剛度較大作用于外殼上，內彈簧剛度較小作用于換能器上。在保證質量-彈簧組件能收集到較大沖擊能量的前提下，內彈簧振動沖擊時間有效延長，作用在換能器上的沖擊力不至于過大。

3)換能器構型采用鈸式換能器陣列結構。因鈸式換能器發(fā)電能力強于壓電陶瓷塊，而且陣列狀分布減小了單個陶瓷塊所受沖擊力，能有效防止因受力過大而損壞。

制作時換能器采用4×4鈸式換能器陣列，即共堆積4列，每列4層，單層厚度為1.0 mm；質量塊質量為0.115 kg；外彈簧剛度為6.6×104N/m，內彈簧剛度為4×103N/m。

3.2改進裝置的性能測試

對改進裝置分別進行了135.04g、162.43g、209.05g三次沖擊加載測試，其輸出電壓分別為59.3 V、80.1 V、103.2 V，電能持續(xù)時間分別為2.0 s、2.2 s、2.5 s，提升效果比較顯著。

圖10為第3次沖擊測試時電壓輸出局部波形。其中最高輸出電壓為103.2 V，電壓輸出持續(xù)時間大于2.499 s。與改進前對比，在相同沖擊加載下，其電壓略低，持續(xù)時間顯著延長，但電壓值在開始階段衰減較快。由于內彈簧剛度較小，而整個質量-彈簧系統(tǒng)收集的沖擊能較大，導致內彈簧振動時間大大延長，但由于質量塊第一次向下到達負位移峰值處時輸出電壓最高，在恢復零位過程中上部彈簧與質量塊分離而未受力，下部壓電換能器受力迅速減小，導致電壓輸出在15～65 ms內衰減極快，隨后由于彈簧封裝后有預緊力，上下彈簧再未與質量塊分離，從而產生欠阻尼振動，電壓緩慢減小。

圖10　電壓輸出局部波形圖Fig.10　Output voltage partial diagram of test

4　結論

本文設計并制作了基于彈簧-質量塊和兩種壓電換能器的引信發(fā)電裝置。利用所搭建的測試試驗系統(tǒng)對不同結構組合進行了測試分析，總結了沖擊加載、換能器結構、換能器層數(shù)、質量塊等對其發(fā)電性能的影響規(guī)律，指出了鈸式疊堆結構發(fā)電性能優(yōu)于薄片壓電疊堆。并據(jù)此對鈸式壓電裝置結構進行了優(yōu)化，提出了基于鈸式壓電陣列的改進型發(fā)電裝置結構。改進后的測試結果表明，該發(fā)電裝置供電時間得到有效延長(大于2.499 s)，驗證了其應用于現(xiàn)代智能引信的可行性。但由于測試試驗中施加的沖擊過載量級較小(×100g)，且并未考慮彈藥勤務處理中墜落、振動等意外作用對引信安全性的影響，因此，為實現(xiàn)該裝置的工程化應用，下一步可從小型化、提高抗沖擊能力及安全性等方面采取措施。

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Fuze Piezoelectric Generator Based on Cymbal Array Structure

CHEN Yongchao1, GAO Min1, YU Weibo1, ZHANG Kai2

(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050001, China;2. Unit 92337 of PLA, Dalian 116000, China)

Aiming at the shortages that the power supply time of fuze piezoelectric mechanism is too short, a new fuze generator based on spring-mass structure was proposed and designed, which was of different stacks of slice piezoelectric and cymbal structure. Testing results showed the different influence rule of shock level, mass, layer number and structure to electric parameters of these generators，and mechanic-electric transfer characteristic based on cymbal stack was prior to that of slice stack. Based on these conclusions. The structure based on cymbal array was brought out, and test results showed that the power supply time could last for 2.499 s.

fuze power; piezoelectric energy generation; piezoelectric stack; cymbal transducer

2015-12-22

陳永超(1989—)，男，河南平頂山人，碩士研究生，研究方向：引信系統(tǒng)分析與設計。E-mail:794752631@qq.com。

TJ434

A

1008-1194(2016)04-0062-04