MEMS離心隔爆滑塊閉鎖機(jī)構(gòu)

徐 娜，聶偉榮，席占穩(wěn)，鄭 燦，李雯迪

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

0 引言

隨著彈藥技術(shù)的發(fā)展，引信被賦予更多的功能，對(duì)引信各部分的體積分配與充分利用提出了更高的要求。因此，開(kāi)展引信安全系統(tǒng)的微小型化研究已成趨勢(shì)[1]。微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro-mechanical System，MEMS)因其微型化、集成化、生產(chǎn)規(guī)?；⒓庸こ杀镜偷葍?yōu)點(diǎn)在軍事領(lǐng)域得以迅速發(fā)展，成為實(shí)現(xiàn)引信小型化和功能拓展的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

MEMS技術(shù)在引信中的一個(gè)重要應(yīng)用方向就是MEMS安全系統(tǒng)。早期MEMS引信安全系統(tǒng)由Charles H.Robinson團(tuán)隊(duì)在1998年提出，并歷經(jīng)幾代優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到了較為成熟的技術(shù)[3-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)Dakui Wang等人[6-7]在早期研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種適用于小口徑彈丸的高可靠性微型安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電動(dòng)推力器工作使鎖臂變形釋放隔爆滑塊，滑塊在離心力的作用下克服微彈簧的張力而實(shí)現(xiàn)閉鎖。田中旺，范晨陽(yáng)等人[8-9]針對(duì)小口徑榴彈試驗(yàn)中后坐滑塊未能成功閉鎖問(wèn)題進(jìn)行閉鎖機(jī)構(gòu)的改善設(shè)計(jì)，將原有懸臂梁由直鉤改成彎鉤的同時(shí)加大卡頭雙翼的厚度和張開(kāi)角度，并通過(guò)仿真分析證明了改善后的閉鎖機(jī)構(gòu)在提高強(qiáng)度的同時(shí)降低塑性變形。X.Y.Zhang等人[10]提出了一種具有柔性觸點(diǎn)和倒鉤鎖定機(jī)構(gòu)的加速度開(kāi)關(guān)，當(dāng)鎖頭被鎖定時(shí)，柔性觸點(diǎn)和倒鉤鎖定機(jī)構(gòu)可以防止由于質(zhì)量塊的反彈或振動(dòng)引起的沖擊而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)打開(kāi)。但該開(kāi)關(guān)需在幅值為1 700g、響應(yīng)時(shí)間小于0.3 ms的加速度信號(hào)下工作。

但上述MEMS安全系統(tǒng)都是應(yīng)用于小口徑榴彈且平行于彈軸放置，微小型傳爆序列處在不同平面必然使得爆轟能量傳遞時(shí)改變方向造成能量損失，甚至導(dǎo)致微起爆器無(wú)法引爆導(dǎo)爆藥和戰(zhàn)斗部而造成“啞彈”的現(xiàn)象。對(duì)于閉鎖機(jī)構(gòu)的研究大多基于高沖擊低響應(yīng)時(shí)間的內(nèi)彈道后坐過(guò)載環(huán)境，且閉鎖機(jī)構(gòu)在閉鎖時(shí)易發(fā)生塑性變形。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種垂直于彈軸放置的MEMS安全系統(tǒng)的離心隔爆滑塊閉鎖機(jī)構(gòu)。

1 MEMS安全系統(tǒng)工作原理

圖1為本文針對(duì)中大口徑榴彈設(shè)計(jì)的垂直于彈軸放置的MEMS安全系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。主要由后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、指令鎖保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、隔爆滑塊、基板框架等組成。在正常發(fā)射時(shí)，彈丸經(jīng)過(guò)膛內(nèi)火藥氣體推動(dòng)作用，產(chǎn)生較大的后坐過(guò)載，懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)識(shí)別后坐過(guò)載環(huán)境向下運(yùn)動(dòng)解除對(duì)隔爆滑塊的第一道保險(xiǎn)。同時(shí)由于膛線的作用，彈丸會(huì)在同樣時(shí)間內(nèi)獲得較大轉(zhuǎn)速，使安全系統(tǒng)產(chǎn)生離心力。隔爆滑塊在離心力的作用下向右運(yùn)動(dòng)解除對(duì)離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的約束，離心卡鎖在離心力的作用下帶動(dòng)離心彈性梁向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，解除對(duì)隔爆滑塊的第二道保險(xiǎn)。由于離心力的持續(xù)作用，指令鎖保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的柔性鎖臂緊密抵在基板上，阻擋隔爆滑塊繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈丸飛行至炮口安全距離之外，通過(guò)彈道實(shí)時(shí)信息控制電推銷器發(fā)火，推動(dòng)指令鎖柔性鎖臂進(jìn)入活動(dòng)腔，解除對(duì)隔爆滑塊的延期保險(xiǎn)。在離心力作用下，隔爆滑塊繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)而運(yùn)動(dòng)到位并鎖定，傳爆序列上下對(duì)正，引信處于待發(fā)狀態(tài)。閉鎖機(jī)構(gòu)的可靠閉鎖和準(zhǔn)確定位是保證傳爆序列對(duì)正的前提，對(duì)整個(gè)系列動(dòng)作的完成至關(guān)重要。

圖1 MEMS安全系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of MEMS safety system

2 閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮隔爆安全性因素，隔爆滑塊從初始位置運(yùn)動(dòng)至閉鎖位置距離為3 mm。閉鎖機(jī)構(gòu)由L型閉鎖梁、鎖頭、剛性定位塊組成，如圖2所示。鎖頭設(shè)置在隔爆滑塊空槽中，槽壁能夠防止閉鎖時(shí)L型閉鎖梁出現(xiàn)變形過(guò)大無(wú)法恢復(fù)問(wèn)題，剛性定位塊起到限制鎖頭位移作用。該閉鎖機(jī)構(gòu)兼具閉鎖和定位的功能，可以在外彈道離心力作用下閉鎖時(shí)不發(fā)生塑性變形，準(zhǔn)確定位，保證傳爆序列有效對(duì)正。

當(dāng)外界激勵(lì)大于臨界值時(shí)，隔爆滑塊上的鎖頭可以撐開(kāi)L型閉鎖梁實(shí)現(xiàn)快速可靠閉鎖，使得隔爆滑塊上傳爆空腔與起爆器和傳爆藥處在對(duì)正位置，同時(shí)L型閉鎖梁在閉鎖時(shí)不發(fā)生塑性變形，提高了MEMS安全系統(tǒng)的安全性與可靠性。

圖2 閉鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Blocking mechanism structure

3 閉鎖機(jī)構(gòu)的基本分析

3.1 理論分析

鎖頭能夠完全進(jìn)入鎖座是閉鎖機(jī)構(gòu)可靠閉鎖的前提。假設(shè)鎖頭撐開(kāi)閉鎖梁過(guò)程中微彈簧拉力和鎖座阻力不變，其值等于鎖頭剛好進(jìn)入鎖座臨界狀態(tài)時(shí)的最大值，則此過(guò)程中隔爆滑塊的軸向加速度表達(dá)式[11]為：

(1)

式(1)中,m為隔爆滑塊和微彈簧的總質(zhì)量；K為微彈簧的彈性系數(shù)；Δy為鎖頭由靜止至完全進(jìn)入鎖座的軸向位移；FNmax為鎖頭完全進(jìn)入卡座臨界時(shí)刻對(duì)閉鎖梁的擠壓力；fNmax為鎖頭完全進(jìn)入卡座臨界時(shí)刻對(duì)閉鎖梁的摩擦力，fNmax=μFNmax；θ為鎖頭側(cè)邊與其中軸所成的角度。

假設(shè)鎖頭能夠完全進(jìn)入鎖座，則臨界時(shí)刻閉鎖梁受力如圖3所示。鎖座閉鎖梁在鎖頭的擠壓作用下產(chǎn)生的x軸向位移最大，鎖頭對(duì)閉鎖梁的作用力最大，表達(dá)式為：

(2)

式(2)中，E為材料彈性模量；b為閉鎖梁等截面梁的線寬；h為閉鎖梁等截面梁的高度；L為鎖頭底端至末端的距離。

圖3 鎖頭完全進(jìn)入鎖座臨界時(shí)刻閉鎖梁受力分析Fig.3 Stress analysis of the locking beam when the lock head completely enters the lock seat

將相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(1)、式(2)中，推算出此過(guò)程中離心隔爆滑塊的實(shí)際運(yùn)動(dòng)加速度aJ>0,由此可判斷此過(guò)程中隔爆滑塊鎖頭能夠完全進(jìn)入鎖座。

3.2 仿真分析

為了更清楚地了解隔爆滑塊的閉鎖運(yùn)動(dòng)過(guò)程，利用ABAQUS有限元分析軟件建立閉鎖機(jī)構(gòu)有限元模型，分析其閉鎖可靠性。安全系統(tǒng)整體是基于電鑄鎳材料設(shè)計(jì)的MEMS結(jié)構(gòu)，由于電鑄鎳材料的機(jī)械性能與電鑄過(guò)程中的電流密度、電鑄時(shí)間、電鑄面積、加工厚度等因素有密切關(guān)系，材料參數(shù)會(huì)有一定的差異，為便于分析，電鑄鎳材料的參考參數(shù)[12]如表1所示。

表1 電鑄鎳材料參數(shù)

中大口徑榴彈彈丸在發(fā)射過(guò)程中一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在出炮口時(shí)轉(zhuǎn)速最大，達(dá)到8 000 r/min。出炮口之后進(jìn)入飛行環(huán)境階段，受到空氣阻力等因素影響，轉(zhuǎn)速逐漸降低，在達(dá)到炮口安全距離之外后，轉(zhuǎn)速降低至7 000 r/min左右。結(jié)合設(shè)計(jì)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)施加離心加速度，分析其仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果得出離心加速度在268.1g時(shí)(對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速約為7 000 r/min)閉鎖機(jī)構(gòu)鎖頭進(jìn)入L型閉鎖梁鎖座。在該環(huán)境下得到閉鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖和鎖頭位移曲線圖，如圖4所示。

圖4 268.1g離心加速度下閉鎖機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果Figure 4 Simulation results of the locking mechanism under 268.1g centrifugal acceleration

從圖4(a)中可知隔爆滑塊閉鎖狀態(tài)，最大應(yīng)力為530 MPa出現(xiàn)在彈簧拉伸彎曲處，小于電鑄鎳材料的屈服極限750 MPa，整體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形，符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。從圖4(b)可知，鎖頭在t=1.5 ms時(shí)位移達(dá)到2.978 mm完成第一次閉鎖，由于閉鎖機(jī)構(gòu)中剛性定位塊的存在，鎖頭與剛性定位塊產(chǎn)生碰撞作用出現(xiàn)短暫反彈現(xiàn)象。此時(shí)離心力持續(xù)作用，鎖頭在反彈一段距離后繼續(xù)向鎖座運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離和碰撞速度減小，鎖頭在t=3.05 ms時(shí)位移達(dá)到2.981 mm完成第二次閉鎖。鎖頭第二次閉鎖碰撞反彈之后在離心力作用下繼續(xù)向鎖座運(yùn)動(dòng)，在t=4.1 ms時(shí)第三次閉鎖成功，此時(shí)位移達(dá)到3.001 mm。在t=4.1 ms之后，鎖頭進(jìn)入鎖座后與剛性定位塊繼續(xù)發(fā)生多次碰撞反彈，但在反彈過(guò)程中，鎖頭始終沒(méi)有脫離L型閉鎖梁的約束，最后穩(wěn)定在鎖頭與鎖座緊密接觸狀態(tài)。L型閉鎖梁緊緊卡住鎖頭，閉鎖機(jī)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉鎖。

圖5為閉鎖機(jī)構(gòu)鎖頭在進(jìn)入含L型閉鎖梁鎖座的最終閉鎖狀態(tài)。L型閉鎖梁被鎖頭撐開(kāi)后在彈力的作用下恢復(fù)卡住鎖頭從而完成閉鎖。L型閉鎖梁在整個(gè)閉鎖過(guò)程中的應(yīng)力變化如圖6所示。L型閉鎖梁在t=3.35 ms時(shí)達(dá)到最大應(yīng)力396 MPa，小于電鑄鎳材料的屈服極限750 MPa，說(shuō)明閉鎖梁不會(huì)發(fā)生塑性變形，最終會(huì)在彈力的作用下恢復(fù)從而卡住鎖頭實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉鎖。

圖5 閉鎖機(jī)構(gòu)最終狀態(tài)Fig.5 Final state of the locking mechanism

圖6 L型閉鎖梁應(yīng)力變化Fig.6 L-shaped locking beam stress change

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 離心實(shí)驗(yàn)

采用UV-LIGA技術(shù)加工出的MEMS安全系統(tǒng)樣機(jī)如圖7所示。基于仿真結(jié)果，通過(guò)離心實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展閉鎖過(guò)程加載試驗(yàn)，驗(yàn)證閉鎖機(jī)構(gòu)的可靠性。實(shí)驗(yàn)前分別將后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)去除，將指令鎖保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)柔性鎖臂推入活動(dòng)腔。

離心實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖8所示。離心轉(zhuǎn)盤的電機(jī)采用直流無(wú)刷電機(jī)控制器(WS55-180)控制，通過(guò)Arduino開(kāi)發(fā)板控制電機(jī)電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)盤上裝有磁鐵，霍爾傳感器每接近磁鐵一次即產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)發(fā)送到Arduino開(kāi)發(fā)板，根據(jù)兩次低電平信號(hào)的時(shí)間差值可以計(jì)算出離心轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)受到的離心加速度可以表示為：

(3)

式(3)中，n為離心轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，r為MEMS安全系統(tǒng)樣機(jī)與離心轉(zhuǎn)盤圓心的距離。

圖7 MEMS安全系統(tǒng)樣機(jī)Fig.7 MEMS safety system prototype

圖8 離心實(shí)驗(yàn)Fig.8 Centrifugation experiment

為了使離心實(shí)驗(yàn)更加精確，對(duì)同一批次加工的四組樣機(jī)進(jìn)行編號(hào)，沿順時(shí)針?lè)较蛞来伟惭b在轉(zhuǎn)盤半徑方向，如圖9所示。四組樣機(jī)距離轉(zhuǎn)盤中心均為5 cm，在相同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖9 四組樣機(jī)實(shí)驗(yàn)圖Fig.9 Four sets of prototype experiment diagram

為了確定閉鎖機(jī)構(gòu)從未能閉鎖狀態(tài)到閉鎖成功狀態(tài)的臨界離心加速度，實(shí)驗(yàn)初始對(duì)轉(zhuǎn)盤施加轉(zhuǎn)速為2 100 r/min(對(duì)應(yīng)離心加速度241.6g)，觀察到閉鎖機(jī)構(gòu)未能閉鎖。之后對(duì)轉(zhuǎn)盤依次增加10 r/min的轉(zhuǎn)速，觀察閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為2 220 r/min即離心加速度為269.5g時(shí)，1、2、3號(hào)樣機(jī)均實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉鎖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，閉鎖機(jī)構(gòu)離心實(shí)驗(yàn)后如圖10所示。

表2 閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 離心實(shí)驗(yàn)后閉鎖機(jī)構(gòu)狀態(tài)Fig.10 Locking mechanism status after centrifugation

對(duì)于4號(hào)樣機(jī)在在離心加速度為269.5g時(shí)未能閉鎖的現(xiàn)象，考慮到4號(hào)樣機(jī)閉鎖的臨界離心加速度可能高于269.5g，對(duì)轉(zhuǎn)盤繼續(xù)施加更高轉(zhuǎn)速單獨(dú)觀察4號(hào)樣機(jī)的閉鎖狀況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)4號(hào)樣機(jī)在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速達(dá)到3 500 r/min時(shí)(對(duì)應(yīng)離心加速度670.4g)仍然不能閉鎖，說(shuō)明4號(hào)樣機(jī)可能由于加工誤差或裝配誤差較大等因素始終無(wú)法閉鎖。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1，2，3號(hào)樣機(jī)在離心加速度為269.5g時(shí)，均能閉鎖成功，與離心加速度為268.1g時(shí)實(shí)現(xiàn)閉鎖的仿真結(jié)果基本吻合。針對(duì)4號(hào)樣機(jī)未能閉鎖的結(jié)果，采用SEM掃描電鏡對(duì)其進(jìn)行特征尺寸測(cè)量，結(jié)果如圖11。

圖11 4號(hào)樣機(jī)特征尺寸測(cè)量Fig.11 Sample size measurement of sample 4

從圖11中可知，鎖頭與閉鎖梁的重合尺寸為98.59 μm，閉鎖梁在撐開(kāi)方向的有限位移空間為65.73 μm，閉鎖梁在隔爆滑塊槽壁的阻擋下無(wú)法被鎖頭完全撐開(kāi)使得閉鎖失敗。誤差原因主要來(lái)自：1)加工誤差。采用UV-LIGA技術(shù)加工時(shí)，考慮到SU-8膠溶脹誤差和腐蝕誤差造成結(jié)構(gòu)尺寸偏小的現(xiàn)象，采用了掩膜版線寬補(bǔ)償方法，但由于掩膜版的補(bǔ)償量未能精確把握，加工出的樣機(jī)出現(xiàn)尺寸偏大的現(xiàn)象。2)裝配誤差?？紤]加工成品率等因素，采用多層UV-LIGA技術(shù)分別加工出彈簧、后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、隔爆滑塊及基板框架五個(gè)部件，在微操作臺(tái)上完成MEMS安全系統(tǒng)各部件的拾取、定位、組裝。由于各部件尺寸微小，在組裝過(guò)程中產(chǎn)生了裝配誤差。最終導(dǎo)致閉鎖梁在撐開(kāi)方向的有限位移空間小于鎖頭與閉鎖梁的重合尺寸，使得4號(hào)樣機(jī)未能實(shí)現(xiàn)可靠閉鎖。

5 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于中大口徑榴彈且垂直于彈軸放置的MEMS安全系統(tǒng)的離心隔爆滑塊閉鎖機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在外彈道離心力作用下可靠閉鎖和準(zhǔn)確定位的功能，且閉鎖時(shí)不發(fā)生塑性變形。通過(guò)理論分析了閉鎖機(jī)構(gòu)鎖頭進(jìn)入鎖座的可行性，采用仿真分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了閉鎖機(jī)構(gòu)的功能。仿真分析閉鎖機(jī)構(gòu)在268.1g的離心加速度下實(shí)現(xiàn)可靠閉鎖,L型閉鎖梁最大應(yīng)力為396 MPa，小于電鑄鎳材料的屈服極限，不會(huì)發(fā)生塑性變形。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得出閉鎖機(jī)構(gòu)在離心加速度為269.5g時(shí)能夠閉鎖成功。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此閉鎖機(jī)構(gòu)在達(dá)到臨界離心加速度時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠閉鎖，且L型閉鎖梁在閉鎖時(shí)不發(fā)生塑性變形。由于閉鎖機(jī)構(gòu)兼具定位的功能，通過(guò)有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)鎖頭運(yùn)動(dòng)至最大位移與剛性定位塊碰撞后出現(xiàn)數(shù)次反彈現(xiàn)象，后期可以考慮將定位作用分離出來(lái)，并從柔性碰撞方面對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)作進(jìn)一步研究。