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機(jī)電一體化引信安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要: 介紹了機(jī)電一體化引信安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作原理，分析了隔離機(jī)構(gòu)受力及運(yùn)動(dòng)情況，論述了安全系統(tǒng)諧振設(shè)計(jì)的原理，給出了安全系統(tǒng)性能的主要參數(shù)。采用這種設(shè)計(jì)在導(dǎo)彈的實(shí)際使用中，取得了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞: 機(jī)電一體化; 引信安全; 設(shè)計(jì)
引言導(dǎo)彈引信安全系統(tǒng)的主要作用是為導(dǎo)彈(戰(zhàn)斗部) 的保險(xiǎn)、解除保險(xiǎn)和向戰(zhàn)斗部輸出引爆能量，它是導(dǎo)彈安全系統(tǒng)和引爆系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。
目前國(guó)內(nèi)比較流行的安全系統(tǒng)均為全機(jī)械錯(cuò)位式慣性隔離機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)大部分型號(hào)中使用的安全系統(tǒng)均屬于這一類。雖然這類產(chǎn)品工藝比較成熟，但在滿足新型號(hào)導(dǎo)彈使用要求時(shí)，其適應(yīng)性受到很大的限制，如:鐘延時(shí)機(jī)構(gòu)和火藥延時(shí)無法滿足新型號(hào)導(dǎo)彈靈活多樣的特性，在體積、質(zhì)量和精度上更是無法滿足要求。所以，采用機(jī)電一體化安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以滿足新型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的要求。
機(jī)電一體化安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化安全系統(tǒng)的工作原理:
() 利用導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的過載，使電路工作，同時(shí)也使系統(tǒng)處于工作狀態(tài);(2) 當(dāng)導(dǎo)彈二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，第一級(jí)機(jī)械保險(xiǎn)解除，并在電路作用下解除第二道保險(xiǎn)(遠(yuǎn)距離解除保險(xiǎn)) ，系統(tǒng)隔離機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)換;(3) 當(dāng)光電檢測(cè)單元檢測(cè)到正常信號(hào)，則第三道保險(xiǎn)解除并使系統(tǒng)處于待爆狀態(tài);(4) 若光電檢測(cè)單元檢測(cè)到不正常信號(hào)，則電路產(chǎn)生信號(hào)使機(jī)構(gòu)反向轉(zhuǎn)換，傳爆序列處于隔離狀態(tài)，系統(tǒng)仍處于保險(xiǎn)狀態(tài)。 在新型導(dǎo)彈安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師們繼承了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，并采用一些新技術(shù)。該機(jī)構(gòu)采用機(jī)、電、光一體化設(shè)計(jì)，使保險(xiǎn)零件、保險(xiǎn)器、被保險(xiǎn)零件均在隔離機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)。由于該隔離機(jī)構(gòu)件集環(huán)境能源檢測(cè)、非環(huán)境能源檢測(cè)、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、隔離、光電檢測(cè)單元、傳爆序列等功能于一身，因此該組件在結(jié)構(gòu)和功能上十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)精度要求也相當(dāng)高。但隨著加工技術(shù)和能力的不斷提高，對(duì)批量生產(chǎn)這樣一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，已不存在任何困難。
. 保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要求不得少于兩道相互獨(dú)立的保險(xiǎn)。為了既滿足設(shè)計(jì)要求，又不增加體積和質(zhì)量，所以設(shè)計(jì)了三道完全不同功能的保險(xiǎn)，且不降低產(chǎn)品的可靠性。
a. 慣性機(jī)械保險(xiǎn)按實(shí)際彈上能源發(fā)射后保持的過載，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械保險(xiǎn)，解除保險(xiǎn)過載定在不超過導(dǎo)彈過載的一半，其組成部分主要為慣性件和彈簧。
在慣性件和其受力確定后，按照解除保險(xiǎn)要求的行程，即根據(jù)彈簧的剛度，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的彈簧參數(shù)K 為K =Gd48 ND3 ()式中， d 為彈簧鋼絲直徑，mm; D 為彈簧中徑，mm; N 為彈簧有效圈數(shù); G 為材料剪切彈性模量，MPa 。
從式() 可以看出:在材料選定后，其他參數(shù)僅受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制。由于慣性件受力小于5g ，選用的鋼絲直徑不大于0. 5mm ，而剛度與鋼絲直徑成4 次方比例關(guān)系，故對(duì)尺寸精度的要求很高。
為了防止彈簧在后處理(如面處理等) 中發(fā)生變化，現(xiàn)采用不銹鋼絲。經(jīng)幾批產(chǎn)品使用比較，情況遠(yuǎn)比碳素鋼絲好。
b. 電作動(dòng)器保險(xiǎn)慣性機(jī)械保險(xiǎn)在一定程度上受到使用條件的限制，特別是其容易在導(dǎo)彈勤務(wù)處理過程中造成誤解保。
電作動(dòng)器保險(xiǎn)則不存在這種問題，其原理主要是依靠電路作用完成火藥燃燒，產(chǎn)生的氣體壓迫活塞銷運(yùn)動(dòng)完成結(jié)構(gòu)動(dòng)作，從而達(dá)到保險(xiǎn)和解除保險(xiǎn)的功能。電作動(dòng)器的體積為<6. 5mm ×4mm ，并采用密封結(jié)構(gòu)，故用相當(dāng)少的藥量燃燒即能完成要求，且不影響系統(tǒng)其他組成部分的工作和性能。
由于電作動(dòng)器完全由電路驅(qū)動(dòng)，且不受任何彈上環(huán)境力影響，故不會(huì)因勤務(wù)處理中受到的各種環(huán)境力而解除保險(xiǎn)，從而保證導(dǎo)彈武器的安全。
而當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射后，在電路的作用下就能解除電作動(dòng)器的保險(xiǎn)。
c. 光電檢測(cè)單元在設(shè)計(jì)了上述兩個(gè)功能完全獨(dú)立的保險(xiǎn)后，另外還使用了光電檢測(cè)，作為安全系統(tǒng)的最后一道屏障。當(dāng)安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)的隔離機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即前二道保險(xiǎn)解除后，轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)依靠發(fā)動(dòng)過載工作。
若過載正常，則光電檢測(cè)正常，可使第三道保險(xiǎn)解除，傳爆序列處于待爆狀態(tài);若過載反常，則通過光電組件檢測(cè)控制，可使隔離機(jī)構(gòu)無法繼續(xù)進(jìn)行，系統(tǒng)處于安全(瞎火) 狀態(tài)。所以，光電檢測(cè)單元有兩個(gè)作用:
一是完成最終解除保險(xiǎn)動(dòng)作;二是在導(dǎo)彈系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，將安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)強(qiáng)制鎖在保險(xiǎn)狀態(tài)。
. 2 傳爆序列及隔爆在本系統(tǒng)中，傳爆序列主要是指電鐳管起爆，并引爆傳爆管，經(jīng)傳爆管能量放大后，再向戰(zhàn)斗部輸出能量。在結(jié)構(gòu)形式上，仍采用端面2端面的引爆方式。
當(dāng)處于安全狀態(tài)時(shí)，依靠安全系統(tǒng)中的隔離機(jī)構(gòu)將電鐳管能量輸出端面，與傳爆管能量輸入端面隔開，同時(shí)傳爆管的能量輸出端面也同戰(zhàn)斗部輸入端面隔離，形成安全隔爆;當(dāng)解除保險(xiǎn)時(shí)，各部分傳爆面完全處于端面對(duì)端面狀態(tài)，一旦電鐳管起爆，即能在很短時(shí)間內(nèi)引爆戰(zhàn)斗部。
另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，電鐳管與傳爆管之間采用2. 5mm 厚的銅板加以隔離，在傳爆管與戰(zhàn)斗部之間用6mm 銅板進(jìn)行隔離。
經(jīng)鐳管與傳爆管可靠啟爆、安全隔爆試驗(yàn)，和引信產(chǎn)品的各種地面試驗(yàn)，證明該設(shè)計(jì)完全能滿足導(dǎo)彈使用要求。
. 3 總體結(jié)構(gòu)布局該系統(tǒng)是面向便攜式導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的，所以基本采用隔離機(jī)構(gòu)在中央，其他輔助機(jī)構(gòu)、部件、電路在其周圍的布局。這種方式能充分利用<7mm×37mm 體積，并將各種非關(guān)鍵配套部件與不規(guī)則圓弧面按配合方式設(shè)計(jì)，使有效空間發(fā)揮最大作用。
2 隔離機(jī)構(gòu)受力及運(yùn)動(dòng)情況分析
研制安全系統(tǒng)，均離不開對(duì)結(jié)構(gòu)件的受力分析。在新安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)隔離機(jī)構(gòu)力的分析尤其重要。在受力分析的基礎(chǔ)上，更好地為設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)，隔離機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型如圖2 所示。
由于安全系統(tǒng)在綜合環(huán)境能源方面，仍采用導(dǎo)彈發(fā)射和二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行過載及彈組件等，雖然組件的受力情況比較復(fù)雜，但力基本上可歸納到恒定力和線性力，所以分析理論依據(jù)時(shí)仍保持原設(shè)計(jì)框架，只是綜合性和計(jì)算復(fù)雜程度提高了許多，故不會(huì)給設(shè)計(jì)工作帶來太大的困難。
在該保險(xiǎn)系統(tǒng)中，其功能集中體現(xiàn)在隔離機(jī)構(gòu)上，當(dāng)然受力情況也集中體現(xiàn)在組件上， 隨Δ< 變化的線性力F4 = KΔ<，但在某一已知點(diǎn)上可將F4 看做恒定力，得F = F4bsinβ+ csinβ - μbcosβμ( a - b - c)(3)F3 = F2 - F4 ·( a + b + c) sinβ - μ( a + b - c) cosβμ( a - b - c)(4)F5 = F4asinβ - μbcosβμ( a - b - c)(5)式中， F2 為已知的恒定力; Fx 、Fy 、Fz 為空間力在坐標(biāo)軸方向上的分力; Mx 、My 、Mz 為空間力對(duì)坐標(biāo)軸的力矩;μ為摩擦系數(shù);α為F2 與X軸的夾角。
以上計(jì)算僅在某些特殊情況下適用， 對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況該力系計(jì)算仍有不足。為了更好地計(jì)算系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況， 在給定條件下和省略某些因素后，可推導(dǎo)出m r < ¨=F4r2r (μα + b + c) sinβu ( a - b - c) -μb ( r - μ) cosβμ( a - b - c)- F2cosα (6)式中， m 為機(jī)構(gòu)的質(zhì)量; r 為質(zhì)心相對(duì)于Y 軸的半徑; < 為機(jī)構(gòu)質(zhì)心(在平面坐標(biāo)系中的角度) 的轉(zhuǎn)角。
將式(6) 對(duì)時(shí)間t 二次積分，可得出機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角與時(shí)間的關(guān)系。二次積分后產(chǎn)生兩個(gè)積分常數(shù)，并利用系統(tǒng)的起始和終止點(diǎn)確定常數(shù)。但該方程是在各種假定因素下得出的， 還需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行修正。不過，從式中可以看出:在F2 、F4 確定后， 復(fù)雜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)集中在對(duì)機(jī)構(gòu)質(zhì)量、重心及結(jié)構(gòu)尺寸的確定，從而使設(shè)計(jì)工作得以簡(jiǎn)化。
通過對(duì)機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算分析， 為該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整、最終狀態(tài)確定提供了依據(jù)，避免了設(shè)計(jì)中的盲目性。然而，這只是給設(shè)計(jì)工作提供了參考，不是設(shè)計(jì)的全部，特別是若不在各種假定條件下，該理論公式將更加復(fù)雜。
3 安全系統(tǒng)諧振設(shè)計(jì)
在新安全系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境考核時(shí)， 可發(fā)現(xiàn)許多情況與原實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相關(guān)懸殊， 而且絕大部分情況發(fā)生在隨機(jī)振動(dòng)以后。
這主要是由于對(duì)隨機(jī)振動(dòng)危害性的估計(jì)不足而造成的，經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的分析，可發(fā)現(xiàn)在對(duì)新安全系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)過程中， 會(huì)產(chǎn)生許多理論上的點(diǎn)接觸和線接觸。
盡管在受迫振動(dòng)中受力不大， 但經(jīng)諧振放大后，由此帶來的后果卻是意想不到的:零件面粗糙度的降低，甚至?xí)a(chǎn)生永久的變形，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。
嚴(yán)格地說，振動(dòng)系統(tǒng)與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)成非線性的復(fù)雜關(guān)系2�？紤]到隨機(jī)振動(dòng)一般可認(rèn)為是微小振動(dòng)， 所以在設(shè)計(jì)過程中， 仍作線性化處理。其中的誤差， 基本在可接受范圍內(nèi)。絕大部分振動(dòng)均可歸為單自由度振動(dòng)問題， 且可不考慮阻尼，所以最終基本都能按下式計(jì)算頻率f (以下公式不再細(xì)化) 為f =Km(7)而對(duì)個(gè)別多自由度復(fù)雜振動(dòng)的問題， 本文僅對(duì)諧振頻率感興趣，故用能量法計(jì)算。
Ek + Ep = 常數(shù)式中， Ek 為系統(tǒng)動(dòng)能; Ep 為系統(tǒng)勢(shì)能。
在設(shè)計(jì)中，盡可能使系統(tǒng)諧振頻率降到20Hz以內(nèi)，或遠(yuǎn)大于2000Hz3;另外，在零件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免點(diǎn)接觸和線接觸，提高個(gè)別零件的面硬度。
經(jīng)過一系列的改進(jìn)后， 該安全系統(tǒng)在以后的試驗(yàn)中，不再因振動(dòng)造成故障。
4 安全系統(tǒng)性能該安全系統(tǒng)可在某新型便攜式導(dǎo)彈引信中使用， 經(jīng)實(shí)驗(yàn)取得了預(yù)期的效果， 其主要性能(新舊型號(hào)與國(guó)外同類產(chǎn)品進(jìn)行比較) 如所示。
由中可看出:在使用新安全系統(tǒng)后，引信綜合性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過老型號(hào)產(chǎn)品， 且同國(guó)外同類先進(jìn)產(chǎn)品相比，也并不遜色。
5 結(jié)束語
按照上述設(shè)計(jì)思想和方法，設(shè)計(jì)的新型安全系統(tǒng)在導(dǎo)彈中運(yùn)用，現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。在參加某型號(hào)的靶試中，全部幾十發(fā)引信取得發(fā)發(fā)成功的好成績(jī)，引信安全系統(tǒng)工作非�？煽坑行�，未出現(xiàn)任何問題，這主要得益于設(shè)計(jì)研究工作的系統(tǒng)和完善。
參考文獻(xiàn)
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