氣動-機械微安保結構設計與性能測試

王儒文，鄒振游，黃中雨，葉迎華

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氣動-機械微安保結構設計與性能測試

王儒文，鄒振游，黃中雨，葉迎華

（南京理工大學，江蘇南京，210094）

針對新型火工品的微型化、可靠性要求，設計了一種氣體驅動的機械微安保結構，對其核心的機械安保層進行了靜力學仿真，確定微彈簧最佳加工材料為65Mn彈簧鋼，線寬為0.2mm時微彈簧解除保險所需的理論壓強為4.3MPa。通過微加工技術，制作了原理樣機，并測試其性能。結果表明樣機可以成功解除保險，并實現(xiàn)安保功能。

安保結構；氣動；微機械；靜力學仿真；性能測試

為了適應未來復雜使用環(huán)境的要求，基于微機電加工技術[1]，將微電子、微機械和微爆炸序列等集成，可將安保芯片內(nèi)嵌集成到火工品中，不僅實現(xiàn)傳統(tǒng)的能量轉換與起爆，而且將賦予新一代火工品更多的功能[2]。本文主要研究一種可以內(nèi)嵌集成到火工品中的安保芯片，以微彈簧卡銷為核心，設計了一種氣動機械微安保結構，對其解除保險的過程進行了靜力學仿真，以確定微彈簧材料、尺寸以及對應壓強，并且對制作的樣機進行了功能測試和可行性實驗，從而確定點火藥種類和劑量，為火工品安保一體化結構設計提供技術支持。

1 微安保結構設計

1.1 總體結構設計

根據(jù)火工品安保一體化結構的設計原理[3]，所設計的結構包括點火層、機械安保層、輸出裝藥層3個部分。點火層包括兩個平面點火器，一個用來加熱點燃產(chǎn)氣藥以解除機械保險，一個用來點燃一級點火藥，并在該層中裝填解除機械保險所需的產(chǎn)氣裝藥和較為敏感的一級點火藥。機械安保層用于實現(xiàn)微型傳爆序列的隔斷和對正狀態(tài)，即在安全狀態(tài)下隔斷微型傳爆序列，使其不連續(xù)；在需要發(fā)火時，使原本隔斷的火工序列對正，實現(xiàn)安保結構解除保險的功能。輸出裝藥層實現(xiàn)對下一級裝藥的能量輸出功能。

1.2 點火序列設計

通過控制整個點火序列的隔斷/對正來實現(xiàn)其安保功能，在結構處于安全狀態(tài)時需要隔斷敏感的一級裝藥與鈍感的輸出裝藥的傳爆通道，即斷開傳爆序列，而當收到解除保險命令后要求火工序列對正且連續(xù)，使其處于待發(fā)火狀態(tài)。本文結合火工品安保一體化的總體結構，設計了一種錯位式隔斷結構[4]，圖1為安保層從安全狀態(tài)到解除保險后的錯位式隔斷工作原理示意圖。

圖1 安保層的工作原理示意圖

1.3 機械安保層設計

機械安保層采用可移動的滑塊來實現(xiàn)火工序列從隔斷到對正的功能：當處于安全狀態(tài)時，移動滑塊通過卡銷鎖死，防止其意外解除保險；當解除保險后要求可移動滑塊固定到使微型傳爆序列對正的位置，保證傳爆序列對正連續(xù)從而確保其作用的可靠性。

綜合上述要求，本文采用微彈簧為致動機構，并結合氣體微驅動的聯(lián)動方式實現(xiàn)機械安全保險的功能。其作用過程為：未解除保險前帶有預壓縮微彈簧的滑塊通過卡銷鎖死，使其處于安全狀態(tài)；接收到解除保險指令后，點火裝藥層中的平面點火器點燃產(chǎn)氣藥劑使其快速反應產(chǎn)生氣體，推動卡銷從而解除保險，滑塊在微彈簧彈力的作用下運動到位，火工序列對正，成功解除保險，處于待發(fā)火狀態(tài)。機械安保層的作用原理示意圖如圖2所示。

1.4 微彈簧及卡銷結構設計

微彈簧是機械安保層的機械驅動源，帶微彈簧的滑塊結構決定了機械解除保險的難易程度，所設計的微彈簧彈力太大，則用來推動卡銷解除保險的產(chǎn)氣藥劑裝藥量將增大，從而所需要的裝藥空間將增大，影響安保結構的小型化；若所設計的彈簧彈力太小，卡銷不足以將其鎖死，將增大其意外發(fā)火的可能性，影響其安全可靠性。

考慮到結構的小型化問題，在達到相同的作用效果情況下，平面微彈簧相比于立體結構的螺旋形微彈簧更節(jié)省空間，更易于裝配。因此采用平面微彈簧結構設計作為機械驅動源。初步設計了兩種用于機械安保層的微彈簧結構，線寬分別為0.2mm和0.4mm，其結構示意圖如圖3所示。

（a）安全狀態(tài) （b）解除保險狀態(tài)

圖2 機械安保層結構示意圖

Fig.2 Schematic diagram of the mechanical security layer

（a）0.2mm線寬 （b）0.4mm線寬

圖3 兩種微彈簧結構示意圖

Fig.3 Schematic diagram of two kinds of micro spring

平面微彈簧結構包括微彈簧單元、裝配時用于固定的T型頭，以及安全狀態(tài)時與卡銷鎖死的卡頭、傳爆裝藥藥室。機械安保層采用微型氣動/機械聯(lián)合驅動的方式來實現(xiàn)解除保險功能，卡銷采用轉動結構設計，利用氣體推動卡銷旋轉從而解除卡銷對微彈簧的鎖定，卡銷與微彈簧卡頭裝配處為圓弧狀設計，卡銷結構如圖4所示。

圖4 卡銷結構示意圖

框架層用來裝配機械安保層中微彈簧和卡銷，框架層設計有T型槽、卡銷柱、產(chǎn)氣通道、外接電源通道、圓形通孔、卡口。T型槽與微彈簧T型頭匹配用于固定微彈簧一端；卡銷柱與卡銷匹配形成一個轉動機構；產(chǎn)氣通道為產(chǎn)氣藥產(chǎn)生氣體后的流動通道，氣體推動卡銷解除保險?？蚣軐拥慕Y構示意圖如圖5所示。

圖5 框架層結構示意圖

2 微機械結構力學仿真

該安保結構采用電點火橋加熱并點燃產(chǎn)氣藥劑產(chǎn)生氣體來推動卡銷解除保險，為了確定臨界裝藥量，需要對機械安保層的解保過程進行仿真分析，得到解除保險所需要的推力臨界值，從而選擇合適的產(chǎn)氣藥量。本文采用ANSYS Workbench 15.0軟件對機械安保層的解保情況進行靜力學仿真分析[5]。

2.1 機械安保層模型簡化與建立

對機械安保層的模型進行受力分析可知：彈簧主要受到框架對它向上的支持力、卡銷對它向下的支持力以及裝藥層的摩擦力；卡銷主要受到產(chǎn)氣藥產(chǎn)生的推力、彈簧對它的彈力、隔板對它的支持力和摩擦力以及與裝藥層的摩擦力。

對模型進行以下簡化：忽略裝藥層對卡銷和彈簧產(chǎn)生的摩擦力，并假設產(chǎn)氣藥產(chǎn)生的推力是快速均勻不變的；卡銷在轉動過程中框架對它的摩擦力是均勻的。已知彈簧壓縮位移為彈簧裝配到機械安保中時壓縮量，將框架層簡化成一個固定的滑塊；卡銷受到框架對它的摩擦力以及轉動約束、彈簧對它的彈力，通過求解模型可得到解除卡銷保險所需的理論推力臨界值，模型的受力分析如圖6所示。

2.2 機械安保層建模求解與結果分析

通過對彈簧和卡銷的受力模型進行建模求解，其中帶滑塊微彈簧的待選材料有結構鋼、65Mn彈簧鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金，而卡銷和框架層則采用結構鋼為材料。由于Ansys軟件的材料庫中缺少65Mn彈簧鋼材料參數(shù)，因此需要對其進行自定義。65Mn彈簧鋼材料的參數(shù)如表1所示。

圖6 模型的受力分析圖

表1 65Mn彈簧鋼材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of 65 manganese spring steel

分別以結構鋼、65Mn彈簧鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金為微彈簧材料，對圖3中所示的兩種不同的微彈簧結構的微機械安保進行仿真分析，得到相應的云圖并生成仿真報告，具體結果如表2所示。

表2 機械安保層仿真分析結果

Tab.2 Simulation analysis results of mechanical security layer

圖7中是當微彈簧材料為65Mn彈簧鋼時，彈簧/滑塊框架和卡銷仿真得到的位移云圖、力云圖以及微彈簧對卡銷作用力大小隨時間的變化曲線圖。由仿真結果可知：（1）對于線寬相同的微彈簧而言，材料不同解除保險所需力不同。采用鋁合金時所需推力最小，65Mn彈簧鋼和結構鋼相當，綜合考慮到材料的抗屈服強度等性能，微彈簧結構選用65Mn彈簧鋼為材料。（2）在彈簧材料相同時，線寬越小，解除保險所需的力越小，越容易解除保險。（3）選擇65Mn彈簧鋼為微彈簧材料時，解除機械保險的動力臨界值為4.3MPa。

圖7 仿真結果示意圖

3 微安保樣機制作和功能驗證

3.1 材料選擇

根據(jù)仿真結果，選用經(jīng)過綠油處理的環(huán)氧板作為點火層材料，石英玻璃為輸出裝藥層材料，機械安保層中的卡銷和外圍框架則選用結構鋼。帶滑塊微彈簧是微機械安保層的核心部件，安全狀態(tài)時預壓縮裝配于框架層中，卡銷解除保險時在彈性作用下恢復原狀。這就要求帶滑塊微彈簧所選用的材料不僅要有彈性還要求抗屈服強度大，靜力學仿真結果表明65Mn彈簧鋼最適合用作微彈簧材料。

3.2 樣機部件裝配

采用精密機械加工的方法制作安保芯片的各個部件，為了便于實驗，采用螺絲將各個部件層裝配到一起，實物圖如圖8所示。

圖8 樣機實物圖

3.3 樣機性能測試

輸入裝藥層中有兩個藥室，一個用于微傳爆序列中點燃微彈簧滑塊中的傳爆裝藥，一個用于產(chǎn)生氣體解除卡銷保險。在常用產(chǎn)氣藥中，黑火藥對火焰敏感，在一個大氣壓下能很好地按平行層燃燒，且燃燒時生成大量氣體[6]，因此本文中選擇黑火藥用作卡銷解鎖藥劑。用瑪瑙研缽將黑火藥研磨成細粉，在70℃下烘干2h，稱取5mg黑火藥裝于輸入裝藥層的產(chǎn)氣藥室內(nèi)，將點火裝藥層、機械安保層和輸出裝藥層封裝好。用直徑為0.1mm的鎳鉻熱絲點火，電阻為8.2Ω，在15V直流電壓作用下，點燃黑火藥，黑火藥燃燒產(chǎn)生的氣體推動卡銷轉動，解除對預壓縮微彈簧的鎖定，滑塊運動到位，火工序列由錯位隔斷轉換成對正連續(xù)，實現(xiàn)解除保險功能。重復試驗5次，均成功解除保險，根據(jù)測試結果可知，該氣動微安保結構的設計在原理上是可行的。

4 結論

（1）本文以微彈簧卡銷為核心，設計了一種氣動機械微安保結構，整個結構分為點火層、機械安保層和輸出裝藥層，驗證了功能。（2）通過ANSYS仿真軟件對機械安保層進行靜力學仿真模擬，得出微彈簧最佳加工材料為65Mn彈簧鋼，且在線寬為0.2mm時微彈簧解除保險所需的理論壓強為4.3MPa，仿真模擬有助于選擇器件材料和產(chǎn)氣藥藥量。（3）用精密微加工技術制作了樣機，選擇黑火藥作為產(chǎn)氣藥，點火解保實驗結果表明，采用5mg黑火藥可以成功解除保險。驗證了該氣動微安保結構的設計原理可行。研究結果為火工品安保一體化設計奠定了基礎。

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The Design and Performance Testing of A Pneumatic Mechanical S&A Structure

WANG Ru-wen, ZOU Zhen-you, HUANG Zhong-yu, YE Ying-hua

(Nanjing University of Science &Technology, Nanjing, 210094)

According to the requirements of miniaturization and reliability for the new pyrotechnic initiator，a micro mechanical S&A structure driven by gas was designed in this paper. It was proceeded that the static structure simulation of the mechanic S&A layer by the ANSYS Workbench software, the results of the static structural simulation showed that 65 spring manganese steel was the best material of the micro spring, and the critical pressure of mechanic arming was 4.3MPa for the spring with 0.2mm width. The principle prototype was prepared by micro-fabrication technology, and its performance was tested. The results show that the prototype can be successfully removed and achieve security functions.

S&A structure；Pneumatic；Micro mechanic；Static structural simulation；Performance test

1003-1480（2016）05-0010-04

TJ430.3

A

2016-05-18

王儒文（1992-），男，在讀碩士研究生，主要從事火工品微安保芯片技術研究。

總裝預研基金項目（9140A0508413BQ02074）。