典型引信環境力對壓電驅動器的影響研究

唐玉娟，王 炅

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

引信是利用環境信息、目標信息或平臺信息，確保彈藥勤務和彈道上的安全，按預定策略對彈藥實施起爆控制的裝置［1］。引信安全系統是引信中為確保平時及使用中安全而設計的，主要包括對爆炸序列的隔爆、對隔爆機構的保險和對發火控制系統的保險等，安全系統在引信中占有重要地位［2］。隨著引信技術的發展，對安全系統的要求逐漸提高，如冗余保險、遠距離解除保險等。傳統的機械式安全系統利用發射過程中的慣性力解除保險［3］，如利用曲折槽后坐保險機構獲得一定的延期解除保險距離，利用被保險零件在爬行力作用下運動到位需要一定時間來實現遠距離解除保險;火藥延期機構、無返回力鐘表機構延期和電子定時延期也是傳統延期實現遠距離解除保險的重要選擇。其中機械式解除保險的過程難以精確控制，長期貯存延期藥劑的理化性能和鐘表機構的機械性能有可能發生變化，直接影響延時的準確性［4］，從而導致引信解除保險距離不精確，影響炮口保險性能。文中提出一種壓電精密驅動器作為機電式安全系統解除保險的作功元件，其解除保險的動作過程速度可調，可根據不同的炮口保險距離指標設定驅動器動作速度，控制解除保險時間，從而實現炮口保險距離的可控。引信全壽命周期內作用的環境因素很多，驅動器能否承受這些因素的危害是其能否正常工作的前提，文中對勤務處理和發射過程中典型的環境力對壓電驅動器的影響進行了分析，并給出了計算結果。

1 壓電驅動器運動機理

壓電驅動器的基本工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應，激發定子彈性體在超聲頻段內的微幅振動，并通過定、動子之間的摩擦作用將振動轉換成動子的旋轉或直線運動，輸出功率，驅動負載［5］。文中提出的壓電驅動器利用定子彈性體的一階縱振和二階彎振作為工作模態，一階縱振振型函數為:

二階彎振振型函數為

其中:G2、β2均為常量，l為定子長度，x為定子上任意點到原點的x方向的距離。

一階縱振使定子兩驅動足產生x方向上的往復位移，二階彎振使定子兩驅動足產生y方向上的往復位移，其工作模態的振型圖如圖1所示，圖中實線部分為定子相應振型，虛線為未變形前的定子輪廓。由運動學可知:若一個質點以同一個頻率在互相垂直的兩個方向振動時，則質點的運動軌跡是一個橢圓。這樣驅動足上的質點做循環往復的橢圓運動，通過摩擦力帶動動子，使動子產生宏觀的運動。

圖1 定子工作模態振型Fig.1 Stator woking modes

圖2 壓電驅動器結構Fig.2 Piezoelectric actuator configuration

壓電驅動器結構如圖2所示，由動子和定子組成，定子和動子通過預壓力緊密接觸。定子下端面貼有兩片壓電陶瓷片，上端面凸出部分為兩驅動足;動子下端面的中間凸起部分，起運動限位作用。動子和定子中各有一通孔，用作傳火通道:通孔錯開時，引信處于隔火狀態;通孔對正時，為隔爆機構對正狀態。

2 壓電驅動器作用方式

2.1 炮口保險距離定義

引信的炮口保險性能，實際上是指引信的解除保險性能。狹義上講是指炮口保險距離，即引信在此距離范圍內不解除保險。而廣義上還應包括可靠解除保險距離，即引信在可靠解除保險距離以外引信完全解除保險。在從炮口保險距離到可靠解除保險距離的范圍內引信只是部分解除保險，但隨著離炮口距離的增加引信的解除保險比率逐漸增大［6］。炮口保險距離和可靠解除保險距離這兩項指標是衡量引信安全性和可靠性的重要指標［7］，炮口保險距離通過引信遠距離解除保險機構保證和實現，在平時和發射后安全距離內應保證引信中被保險零件處于被控制的保險狀態，當彈丸飛到安全距離以外時，釋放被保險零件，使其由保險狀態迅速變為待發狀態。遠解機構可保證引信在炮口附近安全，避免意外發火傷及我方人員及裝備［8］。

2.2 壓電驅動器延期解除保險作用方式

《引信安全性設計準則》要求引信應有一個保險件提供延期解除保險，以保證在規定的所有使用條件下均能達到安全距離要求。文中提出的驅動器用來驅動安全系統中的隔爆機構實現延期解除保險，動子既為隔爆件同時也是驅動器的一部分，使得保險機構更加簡單。當探測電路識別到相應的環境信息且符合時序邏輯，控制電路延時一段時間后壓電驅動器上電，該時刻為安全和解除保險裝置離開安全狀態的起點。壓電驅動器動子動作過程為引信由安全狀態向待發狀態過渡的動態過程。動子運動到位為安全和解除保險裝置達到待發狀態的時刻。控制電路延時和隔爆機構運動過程共同實現引信延期解除保險，具體結構如圖3所示。由于驅動器的運動速度可通過調節驅動信號電壓、頻率或兩相相位差來改變，可滿足不同的炮口保險性能指標。

圖3 壓電驅動器驅動的引信隔爆機構Fig.3 Isolating explosion mechanism with piezoelectric actuator

3 引信環境力對壓電驅動器的影響

作為彈藥“探測與控制”系統的引信，與一般的機械裝置和電子設備相比所經歷的環境不僅復雜，而且十分惡劣。引信環境是指引信在全壽命周期內可能經受的特定物理條件的總和。驅動器能否承受這些環境因素的危害是其能否正常工作的前提，文中對勤務處理和發射過程中典型的環境力對壓電驅動器的影響進行了分析和計算。

3.1 勤務處理中壓電驅動器的受力分析

在勤務處理中，引信會受到振動、沖擊和撞擊。引信零件除受到直接的撞擊力外還會受到因振動和沖擊所產生的相對于引信體的沖擊慣性力。當力的方向與引信零件解除保險運動方向一致時，這些力的危害最大。

圖4 壓電驅動器跌落受力分析Fig.4 Force analysis of piezoelectric actuator dropping

考慮到壓電驅動器的結構，定子和動子通過預壓力緊密接觸，不通電時定、動子間的靜摩擦力充當自鎖力。在勤務處理過程中，最不利的一種情況如圖4所示，慣性力F與電機自鎖力Fl在一條直線上，且作用方向相反。假設勤務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，持續時間為100 μs，關系曲線如圖5所示。仿真計算過程中，定、動子間預壓力為 10 N，摩擦系數取 0.5［9］，計算結果如圖6所示，圖6(a)為動子位移隨時間變化的曲線，動子在加速度脈沖信號結束時發生的最大位移為0.3 mm;圖6(b)為慣性加速度消失后動子所處位置(黑色輪廓線為動子發生位移前的位置)，可見隔爆機構仍處于安全狀態;圖6(c)為慣性加速度對壓電陶瓷片的影響，陶瓷片最大應力值出現在51.55 μs處，稍滯后于加速度峰值出現時間，為62.1 MPa，壓電陶瓷的彎曲強度為 80.91 MPa［10］，證明該機構能夠抵抗勤務處理中15.25m高度落向鋼板的沖擊慣性力。

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

圖6 慣性加速度作用結果Fig.6 Inertia acceleration influence results

3.2 彈丸發射高速動態條件下壓電驅動器抗過載特性

在彈丸發射過程中，引信內部零件可能受到多種作用力，歸納起來主要包括后坐力、離心力、切線慣性力、哥氏慣性力等。考慮上述作用力引信內部零件在膛內的運動方程為［2］:

式中:m為引信零件的質量;dv'/dt為引信零件軸向運動加速度;s為后坐力c為離心力t為切線慣性力co為哥氏慣性力。

發射時，引信零件所經受三個力 Fs、Fc、Fr的方向見圖7。

圖7 發射時引信零件受到的力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的環境力，對引信內部零件影響較大，著重考慮這兩種力對壓電驅動器的構件影響。

3.3 離心力對壓電驅動器的影響

彈丸做旋轉運動時，質心偏離彈丸轉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，忽略動子上開孔的影響，假設動子質心在未開孔時結構的對稱位置點C處，點O為彈軸位置，l為動子質心與載體轉軸的距離，如圖8所示。

圖8 壓電驅動器動子所受離心力示意圖Fig.8 Centrifugal force on the slider

解除保險過程，動子向左運動，受到與運動方向相反的離心力Fp作用，初始位置時動子受到的離心力F最大，動子不斷向左運動，l逐漸減小，所受離心力逐漸減小，在點C與點O重合處F為0，此后動子繼續運動過程中，所受離心力反向，成為動子運動的動力。動子運動到位后由于繼續受到離心力的作用，會保持在所在位置而不會滑開。設動子所受的最大離心力Fmax，動子的質量 m=3.024 ×10－4kg，初始位置時 l=2.5 ×10－3m，彈丸轉速n為15 000 r/min時

驅動器機械性能測試得到它的最大輸出力為2.3 N，滿足使用條件。

3.4 后坐力對壓電驅動器的影響

3.4.1 理論分析

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

圖9 后坐力Fs、膛壓P與時間t的關系曲線Fig.9 Blowback force Fs，chamber pressure Pversus time t

表1 典型的沖擊、旋轉環境Tab.1 Typical impact and revolve environment

壓電驅動器依靠壓電陶瓷的激勵工作，壓電陶瓷是壓電驅動器的核心部件，其在引信發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，其能否耐受高過載沖擊成為問題的關鍵。根據引信后坐力Fs與時間t的關系擬合出如圖10(a)的后坐加速度與時間關系曲線，峰值取為1.5×105m/s2，即最大后座過載系數 K1=1.5 ×104。

對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中計算模型上施加圖示后坐加速度時，定子彈性體和壓電陶瓷片的受力情況。計算過程中，壓電陶瓷與定子彈性體的約束關系為綁定，引信基體的凸臺部分跟定子接觸為摩擦接觸，摩擦系數為0.2［11］。定子彈性體的材料為磷青銅，壓電陶瓷采用PZT8，材料參數如表2所示。

表2 材料參數Tab.2 Materials Parameters

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

計算得到壓電陶瓷整體的應力分布如圖11所示。可以看到壓電陶瓷片在靠近引信基體凸臺邊緣的應力最大，因此定子的安裝位置對承受加速度載荷時陶瓷片的承受能力有很大的影響，應避免陶瓷片與引信基體凸臺邊緣硬接觸。壓電陶瓷片的應力峰值出現在加速度峰值處，為10.21 MPa，低于壓電陶瓷的彎曲強度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驗證

采用AVEX公司沖擊試驗臺，調整沖擊臺的高度和壓強得到不同的沖擊加速度，如圖12所示，對引信保險機構裝配體共做了7次沖擊試驗，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。每次沖擊試驗后，對壓電驅動器施加工作電壓信號，均能正常工作，證明設計的壓電驅動器能夠抵抗15 000 g后坐沖擊加速度。

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

圖12 沖擊試驗Fig.12 Impact test

4 結論

文中提出一種壓電精密驅動器作為機電式安全系統解除保險的作功元件，對壓電精密驅動器的運動機理進行了分析，給出了壓電精密驅動器在引信安全系統中的作用方式。分析了引信在勤務處理和發射過程中的典型環境力對壓電驅動器構件的影響，計算得到，壓電驅動器在勤務處理中15.25 m高度落向鋼板的沖擊慣性力的作用下，定動子間的自鎖力使得定動子仍保持緊密接觸，動子發生位移僅為0.3 mm，引信安全系統仍處于安全狀態;在發射動態過程中，壓電驅動器輸出力為1.87N時可抵抗彈丸轉速為15 000 r/min下的離心力而使動子運動到位，實測電機輸出力為2.3 N;在1.5×104g的后坐加速度下，壓電陶瓷片保持完好無破碎斷裂。結果表明，壓電驅動器能夠承受典型引信環境力的危害，可正常工作，為壓電精密驅動器在引信安全系統中的使用提供了理論基礎。該方案為炮口保險距離的可控性提供了新思路。

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