單向軸承電機驅動的可逆式引信隔爆機構

范宏輝,彭志凌，魯旭濤，謝 非，班 偉

(1.中北大學機電工程學院，山西 太原 030051；2.中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

引信安全系統是引信中不可或缺的子系統，它的作用是確保彈藥安全儲藏以及彈藥發射過程中能精準、可靠地控制彈藥引爆，是對隔爆機構由安全狀態向待發狀態轉換的運動控制[1]。隔爆機構是控制爆炸序列對正與否的結構，爆炸序列的作用是把引信接收到目標的起始信號或能量轉換成爆轟波并有效逐級地放大，進而起爆戰斗部主裝藥。國內外彈藥引信的隔爆機構動作多為單方向、一次性的，完成解除保險和隔爆過程后不可恢復為安全狀態[2]，不僅為引信檢測過程中對隔爆機構動作可靠性進行檢測帶來困難，還為攻擊出現異常或處理啞彈等行動帶來安全隱患，因此，設計一種運動可逆式引信隔爆機構尤為重要。

文獻[3]提出了一種運動可逆式引信安全系統，利用步進電機實現了引信隔爆機構的逆向運動，能夠使引信在待發狀態與安全狀態之間轉換，但是其引信安全系統結構復雜、功耗大。文獻[4]提出了一種基于滑塊繼續運動的安全狀態可恢復隔爆機構，利用滑塊繼續運動可將引信由待發狀態改變為安全狀態，但是其運動不可逆，引信第二次進入安全狀態后無法再次恢復為待發狀態。文獻[5]提出了基于轉子繼續轉動的安全狀態可恢復隔爆機構，但是結構復雜，應用范圍有限。文獻[6]提出了逆壓電驅動的可逆式引信隔爆機構，借助逆壓電效應使定子在交變信號下蠕動，從而控制爆炸序列對正與否，但是隔爆步驟單一，應用場合受限。為提升引信檢測過程中對隔爆機構動作可靠性的測試性，本文提出一種基于單向軸承的電機驅動可逆式引信隔爆機構。

1 單向軸承與步進電機的特點及應用

1.1 單向軸承

1.1.1單向軸承的特點

單向軸承是在一個方向上可以自由轉動，而在另一個方向上鎖死的一種軸承。單向軸承的金屬外殼里，包含很多個滾軸、滾針或者滾珠，其滾動座(穴)的形狀使它只能向一個方向滾動，而在另一個方向上會產生很大的阻力。

圖1所示為楔塊式單向軸承，軸承外圈逆時針轉動時，楔塊壓縮彈簧運動一段距離，軸承內圈在楔塊上滑過內圈不會轉動。軸承外圈順時針轉動時，楔塊被保持架限制不會產生運動，楔塊將內圈卡死帶動內圈一起轉動。

圖1 楔塊式單向軸承Fig.1 Wedge type unidirectional bearing

單向軸承為標準零件，工藝成熟、運用廣泛，具有良好的機械性能。本文提出的一種基于單向軸承的電機驅動可逆式引信隔爆機構，就是依靠單向軸承的運動特性進行設計的。

1.1.2單向軸承的應用

根據單向軸承的工作原理，設計一種可以單向傳動的錐形齒輪，此單向傳動錐形齒輪是本次隔爆機構內的重要傳動部件。通過步進電機正、反兩個方向的旋轉，可分別驅動一個單向傳動齒輪，將一部步進電機同時作為隔爆機構直線運動與旋轉運動的動力源，且兩個運動獨立進行。

圖2所示，將單向軸承與錐形齒輪配合安裝在一起，就組成了本次隔爆機構所需的單向傳動齒輪。錐形齒輪按圖中箭頭所示方向旋轉時，因為楔形塊的作用，會帶動軸承內圈一起轉動，可將齒輪的動力傳到與軸承內圈配合的軸上。錐形齒輪旋轉方向與箭頭所示方向相反時，軸承內圈不會轉動，此時錐形齒輪空轉而不會將動力傳到與軸承配合的軸上。

圖2 錐形單向傳動齒輪Fig.2 Conical unidirectional transmission gear

1.2 步進電機

1.2.1步進電機的特點

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比[7]。

步進電機相對于其他控制用途電機的最大區別是，它接收數字控制信號(電脈沖信號)并轉化成與之相對應的角位移或直線位移，其本身就是一個完成數字模式轉化的執行元件；而且它可開環位置控制，輸入一個脈沖信號就得到一個規定的位置增量，這樣的增量位置控制系統與傳統的直流控制系統相比,其成本明顯減低，幾乎不必進行系統調整。步進電機的角位移量與輸入的脈沖個數嚴格成正比，而且在時間上與脈沖同步。因而只要控制脈沖的數量、頻率和電機繞組的相序,即可獲得所需的轉角、速度和方向[8]。

采用芯片作為總控時，步進電機較之普通電機運動角度更加精確，且更易編程操控。為確保彈藥安全，隔爆機構的運動必須精確可靠，故本設計采用步進電機作為驅動電機。

1.2.2步進電機的應用

圖3所示為步進電機雙向驅動結構。步進電機左旋時，帶動單向齒輪轉動。單向齒輪1的轉動方向與工作方向相同，帶動傳動軸一起轉動；單向齒輪2的轉動方向與工作方向相反，其傳動軸不會轉動。步進電機右旋時，運動狀態與上述相反。利用此結構，可實現步進電機分別驅動導爆筒的上下運動與旋轉運動，且兩個運動相互獨立。此結構令本文所提出的運動可逆隔爆機構擁有兩個解保運動。兩種運動由一部步進電機驅動，節省了能源消耗，使得機構更加簡潔。

圖3 步進電機雙驅結構Fig.3 Stepper motor dual drive structure

圖4所示為隔爆機構中直線運動機構。步進電機左旋時，單向齒輪1驅動圓柱齒輪1運動，通過齒輪嚙合驅動圓柱齒輪2運動，帶動凸輪作圓周運動。導爆藥筒通過滾珠與凸輪接觸，凸輪短邊在正下方時，由彈簧將導爆藥筒所在部件彈起。凸輪長邊向下轉動時，凸輪通過滾珠壓縮彈簧，帶動導爆藥筒向下作直線運動。

凸輪轉動360°，則導爆藥筒完成一次直線往復運動；凸輪轉動180°停止時，導爆藥筒則處于豎直高度對正狀態。此機構可將步進電機的左旋運動，轉化為導爆藥筒的直線往復運動。

圖4 直線運動機構Fig.4 Linear motion mechanism

圖5所示為隔爆機構中旋轉運動機構。步進電機右旋時，單向齒輪2驅動錐形齒輪1運動，通過齒輪嚙合驅動錐形齒輪2運動，帶動圓柱齒輪3運動，通過齒輪嚙合驅動導爆藥筒作旋轉運動。

圖5 旋轉運動機構Fig.5 Rotating motion mechanism

齒輪傳動比為1∶1，步進電機右旋90°則導爆藥筒旋轉90°，由此可完成導爆藥筒角度的對正與錯位。此機構可將步進電機右向旋轉，轉換為導爆藥筒的旋轉運動。

2 可逆式引信隔爆機構

引信內空間有限，為節省空間，本文提出的可逆引信隔爆機構采取對稱布置。隔爆機構布局如圖6所示。左側為直線運動機構，右側為旋轉運動機構。總體布局為自上而下，對引信內部縱向空間提出一定的要求，也可根據實際情況調整空間布局。

圖6所示為隔爆機構初始狀態，此時導爆藥筒因彈簧作用被提升一定高度，導爆藥筒口與火藥口成90°。建立步進電機與引信總控的通信，當引信總控發布第一道解保命令時，步進電機接收信息開始進行隔爆機構對齊動作。第一步將解保動作設置成直線位置對齊，當步進電機完成第一步動作后繼續等待第二步指令。

圖7所示為一級解保狀態，步進電機收到指令后開始轉動設定的角度，凸輪在齒輪的帶動下壓縮彈簧，導爆藥筒向下運動。此時導爆藥筒與火藥到達同一高度，因為導爆藥筒口與火藥口90°錯開，因此爆炸序列仍未對正。

第二步解保信息到達后，步進電機驅動旋轉機構運動，此時導爆藥筒旋轉90°，導爆藥筒口與火藥口對正，完成爆炸序列的對正。如圖8所示，此時爆炸序列已經對正，引信處于待發狀態。若要隔爆機構再次恢復到隔爆狀態，只需給步進電機發送恢復指令，步進電機繼續運轉即可。由此可完成隔爆機構在安全狀態與待發狀態之間的轉換。

圖6 防爆機構初始狀態Fig.6 Initial state of interrupter mechanism

圖7 防爆機構一級解保狀態Fig.7 Initial release status of interrupter mechanism

圖8 防爆機構待發狀態Fig.8 Ready state of interrupter mechanism

3 仿真驗證

3.1 理論計算

計算電機功率以及齒輪和軸的數據，定量分析所提出隔爆機構的性能。

將與導爆藥筒連接的桿及桿上的齒輪、滾珠等看做一個整體，稱之為執行機構，將執行機構等效為一個直徑等于桿上圓柱齒輪直徑的實體圓柱。選定機構材料為45#鋼(調質)，密度、直徑、高度分別為ρ=7.85 g/cm3，d=15 mm，h=60 mm。

計算其重量：

m=ρv=85 g，

(1)

G執=mg=0.85 N。

(2)

凸輪短邊在下時，執行機構依靠彈簧的彈力保持為提升狀態，彈簧受力為0.85 N，彈簧被壓縮長度為x1。當凸輪開始轉動時，壓縮彈簧使執行機構向下運動一段距離，導爆藥筒與火藥在豎直位置上對齊，壓縮長度為x2=2x1。此時凸輪施加給彈簧的力為

f=kx2=1.7 N，

(3)

式(3)中，f為彈簧受力，k為彈簧勁度系數。

導爆藥筒在豎直方向的行程為10 mm，凸輪所做的功為

w=fx2=17×10-3J。

(4)

隔爆機構由安全狀態轉換為待發狀態要求用時為10 s，機構傳動比為1∶1，凸輪完成一次動作需旋轉180°，即直線運動時電機需旋轉180°，而旋轉運動時電機只需旋轉90°。故而時間分配為直線運動時長6 s，旋轉運動時長3 s，兩次運動之間等待指令信息1 s，電機轉速應為5 r/min。

凸輪壓縮彈簧功率為

P執=w/t=2.9×10-6kW。

(5)

因旋轉運動過程中，導爆筒所在桿受到扭矩很小，僅克服摩擦力做功，其值遠小于直線運動所需功率，因此執行機構正常運轉的功率應不小于2.9×10-6kW。

所用圓柱齒輪為8級精度，效率為0.97；錐形齒輪為8級精度，效率為0.94；軸承選用滾子軸承，效率為0.98。

電機所需功率為

(6)

步進電機的功率與其轉速相關，通常步進電機以轉矩作為標識，將步進電機的功率轉換成轉矩：

(7)

所需步進電機轉矩很小，相應的步進電機的能耗更少。在步進電機選型時，只需確保步進電機轉矩不小于6.88 N·cm即可，參照現有步進電機型號，可供選擇的種類很多，可選擇所需尺寸。

根據功率，計算轉軸的最小直徑。在傳動系統中，與步進電機相連接的軸上功率最大，其扭矩也最大。

計算與步進電機相連接軸的轉矩為

(8)

計算軸的最小直徑為

(9)

式(9)中，A0為由軸的材料和承載情況確定的常數[9]。

與電機相連接的軸的直徑不應小于0.99 mm，其余軸的功率皆小于此軸，故可按此軸計算直徑進行選軸。此傳動系統功率較小，在軸與齒輪進行配合時采用過盈配合，不采用鍵槽配合，以降低軸的直徑減小隔爆機構的尺寸。

直接通過軸與電機進行傳動的齒輪所受的扭矩是最大的，計算此齒輪的直徑、齒數以及模數，其余齒輪可按照此參數進行選擇。

齒輪分度圓直徑為

(10)

式(10)中，k為載荷系數，u為齒數比，Φd為齒寬系數，σ為材料強度極限。

齒輪的模數為

(11)

m=(0.007～0.02)a，

(12)

式中，取m=0.5。

確定齒輪齒數為

(13)

式(13)中，取Z=10。

確定齒輪直徑為10×0.5=5 mm。

對以上隔爆機構零件進行了尺寸計算，以及隔爆機構的功率計算。此隔爆機構消耗功率較小，傳動能量損失少；零件選型面廣、易于制造，根據不同場合可選擇不同尺寸類型的零件進行組裝。

3.2 運動學仿真

在理論計算的基礎上，利用SolidWorks軟件對隔爆機構進行三維建模，做運動學仿真，觀察機構運動的特性。圖9所示為隔爆機構的三維模型。

圖9 隔爆機構三維模型Fig.9 3D model of interrupter mechanism

添加旋轉馬達，給定馬達轉速為5 r/min，分析執行桿件機構的線性位移。

桿件機構單次運動時長為6 s，圖10所示為24 s內桿件在豎直方向的線性位移與時間的關系圖。由圖10可知，桿件隨凸輪的轉動而作周期為12 s的上下往復運動，運動狀態符合本文設計。

圖10 線性位移Fig.10 Linear displacement

圖11所示為執行桿件在豎直方向的線性速度隨時間的變化，桿件在豎直方向的線性速度與凸輪的形狀有關，可根據具體要求設計不同的凸輪，以得到符合要求的線性速度。

圖11 線性速度Fig.11 Linear velocity

隔爆藥筒的旋轉運動由齒輪驅動，齒輪傳動比為1∶1，電機右旋的角度為隔爆藥筒的旋轉角度。圖12所示為6 s時間內隔爆藥筒的旋轉運動軌跡，藥筒隨電機作勻速圓周運動，每3 s旋轉90°，符合本文設計要求。

圖12 旋轉運動軌跡Fig.12 Trajectory of rotation

方案中所涉及的零件均為標準零件，運用技術成熟，降低了隔爆機構的制造成本；步進電機制造技術成熟、轉動角度精確，確保了隔爆機構的運動精確性。隔爆機構采用兩步解保運動，提高了機構運行的安全性；齒輪傳動具有高度的穩定性，方案中使用零件數目少，電子產品僅用了一部步進電機，保證了隔爆機構的可靠性。

4 結論

本文提出一種基于單向軸承的電機驅動可逆式引信隔爆機構，該機構利用步進電機進行雙向驅動，可將爆炸序列在待發狀態與安全狀態之間進行轉換，可以實現引信延遲解除隔離，提升了引信檢測過程中對隔爆機構動作可靠性的測試性。與現有隔爆機構方案相比，本文提出的方案結構簡單、功耗低，隔爆機構自成一體可方便地植入引信系統。