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機電一體化引信安全執(zhí)行機構設計
摘 要: 介紹了機電一體化引信安全系統(tǒng)設計的工作原理，分析了隔離機構受力及運動情況，論述了安全系統(tǒng)諧振設計的原理，給出了安全系統(tǒng)性能的主要參數(shù)。采用這種設計在導彈的實際使用中，取得了預期的效果。
關鍵詞: 機電一體化; 引信安全; 設計
引言導彈引信安全系統(tǒng)的主要作用是為導彈(戰(zhàn)斗部) 的保險、解除保險和向戰(zhàn)斗部輸出引爆能量，它是導彈安全系統(tǒng)和引爆系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。
目前國內(nèi)比較流行的安全系統(tǒng)均為全機械錯位式慣性隔離機構，國內(nèi)大部分型號中使用的安全系統(tǒng)均屬于這一類。雖然這類產(chǎn)品工藝比較成熟，但在滿足新型號導彈使用要求時，其適應性受到很大的限制，如:鐘延時機構和火藥延時無法滿足新型號導彈靈活多樣的特性，在體積、質量和精度上更是無法滿足要求。所以，采用機電一體化安全系統(tǒng)的設計，以滿足新型導彈武器系統(tǒng)的要求。
機電一體化安全系統(tǒng)設計機電一體化安全系統(tǒng)的工作原理:
() 利用導彈發(fā)射時的過載，使電路工作，同時也使系統(tǒng)處于工作狀態(tài);(2) 當導彈二級發(fā)動機工作時，第一級機械保險解除，并在電路作用下解除第二道保險(遠距離解除保險) ，系統(tǒng)隔離機構開始轉換;(3) 當光電檢測單元檢測到正常信號，則第三道保險解除并使系統(tǒng)處于待爆狀態(tài);(4) 若光電檢測單元檢測到不正常信號，則電路產(chǎn)生信號使機構反向轉換，傳爆序列處于隔離狀態(tài)，系統(tǒng)仍處于保險狀態(tài)。 在新型導彈安全系統(tǒng)設計時，設計師們繼承了傳統(tǒng)設計理論，并采用一些新技術。該機構采用機、電、光一體化設計，使保險零件、保險器、被保險零件均在隔離機構上實現(xiàn)。由于該隔離機構件集環(huán)境能源檢測、非環(huán)境能源檢測、保險機構、隔離、光電檢測單元、傳爆序列等功能于一身，因此該組件在結構和功能上十分復雜，結構精度要求也相當高。但隨著加工技術和能力的不斷提高，對批量生產(chǎn)這樣一個復雜結構體，已不存在任何困難。
. 保險機構在安全執(zhí)行機構設計中，要求不得少于兩道相互獨立的保險。為了既滿足設計要求，又不增加體積和質量，所以設計了三道完全不同功能的保險，且不降低產(chǎn)品的可靠性。
a. 慣性機械保險按實際彈上能源發(fā)射后保持的過載，設計了一種機械保險，解除保險過載定在不超過導彈過載的一半，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，按照解除保險要求的行程，即根據(jù)彈簧的剛度，設計了相應的彈簧參數(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)僅受到結構尺寸的限制。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 次方比例關系，故對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，情況遠比碳素鋼絲好。
b. 電作動器保險慣性機械保險在一定程度上受到使用條件的限制，特別是其容易在導彈勤務處理過程中造成誤解保。
電作動器保險則不存在這種問題，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動完成結構動作，從而達到保險和解除保險的功能。電作動器的體積為<6. 5mm ×4mm ，并采用密封結構，故用相當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。
由于電作動器完全由電路驅動，且不受任何彈上環(huán)境力影響，故不會因勤務處理中受到的各種環(huán)境力而解除保險，從而保證導彈武器的安全。
而當導彈發(fā)射后，在電路的作用下就能解除電作動器的保險。
c. 光電檢測單元在設計了上述兩個功能完全獨立的保險后，另外還使用了光電檢測，作為安全系統(tǒng)的最后一道屏障。當安全執(zhí)行機構的隔離機構開始轉動時，即前二道保險解除后，轉換機構依靠發(fā)動過載工作。
若過載正常，則光電檢測正常，可使第三道保險解除，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控制，可使隔離機構無法繼續(xù)進行，系統(tǒng)處于安全(瞎火) 狀態(tài)。所以，光電檢測單元有兩個作用:
一是完成最終解除保險動作;二是在導彈系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，將安全執(zhí)行機構強制鎖在保險狀態(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。在結構形式上，仍采用端面2端面的引爆方式。
當處于安全狀態(tài)時，依靠安全系統(tǒng)中的隔離機構將電鐳管能量輸出端面，與傳爆管能量輸入端面隔開，同時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;當解除保險時，各部分傳爆面完全處于端面對端面狀態(tài)，一旦電鐳管起爆，即能在很短時間內(nèi)引爆戰(zhàn)斗部。
另外，結構設計時，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 銅板進行隔離。
經(jīng)鐳管與傳爆管可靠啟爆、安全隔爆試驗，和引信產(chǎn)品的各種地面試驗，證明該設計完全能滿足導彈使用要求。
. 3 總體結構布局該系統(tǒng)是面向便攜式導彈設計的，所以基本采用隔離機構在中央，其他輔助機構、部件、電路在其周圍的布局。這種方式能充分利用<7mm×37mm 體積，并將各種非關鍵配套部件與不規(guī)則圓弧面按配合方式設計，使有效空間發(fā)揮最大作用。
2 隔離機構受力及運動情況分析
研制安全系統(tǒng)，均離不開對結構件的受力分析。在新安全系統(tǒng)的設計過程中，對隔離機構力的分析尤其重要。在受力分析的基礎上，更好地為設計工作提供依據(jù)，隔離機構的力學模型如圖2 所示。
由于安全系統(tǒng)在綜合環(huán)境能源方面，仍采用導彈發(fā)射和二級發(fā)動機飛行過載及彈組件等，雖然組件的受力情況比較復雜，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)時仍保持原設計框架，只是綜合性和計算復雜程度提高了許多，故不會給設計工作帶來太大的困難。
在該保險系統(tǒng)中，其功能集中體現(xiàn)在隔離機構上，當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 為空間力在坐標軸方向上的分力; Mx 、My 、Mz 為空間力對坐標軸的力矩;μ為摩擦系數(shù);α為F2 與X軸的夾角。
以上計算僅在某些特殊情況下適用， 對該系統(tǒng)的實際運動情況該力系計算仍有不足。為了更好地計算系統(tǒng)的運動情況， 在給定條件下和省略某些因素后，可推導出m r < ¨=F4r2r (μα + b + c) sinβu ( a - b - c) -μb ( r - μ) cosβμ( a - b - c)- F2cosα (6)式中， m 為機構的質量; r 為質心相對于Y 軸的半徑; < 為機構質心(在平面坐標系中的角度) 的轉角。
將式(6) 對時間t 二次積分，可得出機構轉角與時間的關系。二次積分后產(chǎn)生兩個積分常數(shù)，并利用系統(tǒng)的起始和終止點確定常數(shù)。但該方程是在各種假定因素下得出的， 還需要通過實驗驗證來對理論計算進行修正。不過，從式中可以看出:在F2 、F4 確定后， 復雜機構設計集中在對機構質量、重心及結構尺寸的確定，從而使設計工作得以簡化。
通過對機構的理論計算分析， 為該機構結構參數(shù)調(diào)整、最終狀態(tài)確定提供了依據(jù)，避免了設計中的盲目性。然而，這只是給設計工作提供了參考，不是設計的全部，特別是若不在各種假定條件下，該理論公式將更加復雜。
3 安全系統(tǒng)諧振設計
在新安全系統(tǒng)進行環(huán)境考核時， 可發(fā)現(xiàn)許多情況與原實驗和理論計算相關懸殊， 而且絕大部分情況發(fā)生在隨機振動以后。
這主要是由于對隨機振動危害性的估計不足而造成的，經(jīng)過對系統(tǒng)的分析，可發(fā)現(xiàn)在對新安全系統(tǒng)小型化設計過程中， 會產(chǎn)生許多理論上的點接觸和線接觸。
盡管在受迫振動中受力不大， 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，甚至會產(chǎn)生永久的變形，從而導致實驗失敗。
嚴格地說，振動系統(tǒng)與系統(tǒng)運動狀態(tài)成非線性的復雜關系2�？紤]到隨機振動一般可認為是微小振動， 所以在設計過程中， 仍作線性化處理。其中的誤差， 基本在可接受范圍內(nèi)。絕大部分振動均可歸為單自由度振動問題， 且可不考慮阻尼，所以最終基本都能按下式計算頻率f (以下公式不再細化) 為f =Km(7)而對個別多自由度復雜振動的問題， 本文僅對諧振頻率感興趣，故用能量法計算。
Ek + Ep = 常數(shù)式中， Ek 為系統(tǒng)動能; Ep 為系統(tǒng)勢能。
在設計中，盡可能使系統(tǒng)諧振頻率降到20Hz以內(nèi)，或遠大于2000Hz3;另外，在零件設計時應避免點接觸和線接觸，提高個別零件的面硬度。
經(jīng)過一系列的改進后， 該安全系統(tǒng)在以后的試驗中，不再因振動造成故障。
4 安全系統(tǒng)性能該安全系統(tǒng)可在某新型便攜式導彈引信中使用， 經(jīng)實驗取得了預期的效果， 其主要性能(新舊型號與國外同類產(chǎn)品進行比較) 如所示。
由中可看出:在使用新安全系統(tǒng)后，引信綜合性能已遠遠超過老型號產(chǎn)品， 且同國外同類先進產(chǎn)品相比，也并不遜色。
5 結束語
按照上述設計思想和方法，設計的新型安全系統(tǒng)在導彈中運用，現(xiàn)出良好的應用前景。在參加某型號的靶試中，全部幾十發(fā)引信取得發(fā)發(fā)成功的好成績，引信安全系統(tǒng)工作非�？煽坑行�，未出現(xiàn)任何問題，這主要得益于設計研究工作的系統(tǒng)和完善。
參考文獻
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