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摘 要：基于发射过程引信保险机构的工作原理，设计一种应用于双环境力下的MEMS执行器，建立了该执行器中后坐机构和钟表机构的动力学模型，研究了影响后坐机构和钟表机构工作的因素。应用ADAMS软件下对MEMS执行器进行动力学仿真分析，得到后坐滑块和齿轮的运动曲线。计算结果表明，后坐机构能够在后坐环境下可靠执行动作并运动到位，钟表机构能够在在离心环境下达到设计要求的延时时间并能够可靠运动到位。
关键字：引信 MEMS执行器 环境力 动力学模型 分析 可靠
1 引言
在国防现代化的进程中，武器逐步向微型化、智能化的方向发展，这就促使引信正在向灵巧化、智能化、小型化的方向发展。针对引信MEMS的小型化，需要突破高可靠性的安全保险机构的设计。早期的MEMS引信安全保险装置是在1998年发表的美国专利提出的安全保险机构，其结构图，如图1所示。在此基础上提出了新的改进的安全保险结构，其结构图，如图2所示。这也推动者国内安全保险机构的发展，提出单环境力下的安全保险机构，如图3所示。这些机构为进一步的研究尊定了基础。提出一种应用于双环境力下的MEMS执行器机构，具有高可靠性和延时性。
图1 安全保险机构
图2 改进的安全保险机构
图3 国内的安全保险机构
2 机构基本工作原理
根据要求保险机构在同时受后坐和离心的环境下工作并且计算出机构的保险时间在62.5ms和208.3ms之间。所以在此保险机构上设计有两道机械保险：第一道保险为带有挂锁的后坐解除保险机构，第二道保险带有钟表机构的离心解除保险机构。其整体结构，如图4所示。
图4 MEMS执行器
弹丸受发射药燃烧产生火药气体的作用，从而产生极大的加速度，使安保机构受到后坐力的作用。在后坐力的作用下，后坐滑块平行于弹轴向下运动并闭合。在弹丸做直线运动时，由于火炮膛线的作用，使弹丸旋转，从而产生旋转加速度，使安保机构产生离心力。在离心力的作用下，齿轮克服齿摆垂直于弹轴方向向右运动。当齿轮运动到位时，活塞不再受齿轮的限制。卡销弹簧在弹簧预拉力的作用，拉动卡销，卡销拉动活塞。这样，解除卡销对隔爆板的约束。在离心力的作用下，转销垂直于弹轴向左运动，解除对隔爆板的限制。同时由于隔爆板也受到离心力的作用，隔爆板在没有卡销和转销的限制作用下，隔爆板垂直于弹轴向右运动，进而激活后续的爆炸序列。这样一系列动作的完成，实现对安全解除保险机构的设计。
3 系统运动学分析
3.1 后坐机构的运动分析
由图5可得后坐滑块沿竖直方向的动力学方程：
![]() （1）
式中：m—后坐滑块的质量；K—后坐弹簧的弹性系数；FS—后坐力；G—后坐滑块的重力；F3—基板左侧蛇形齿齿顶对后坐滑块侧壁的正压力；F4—基板右侧齿蛇形齿顶对后坐滑块侧壁的正压力；F1—右侧蛇形齿对右侧后坐滑块齿面的正压力；F2—左侧蛇形齿对左侧后坐滑块齿面的正压力；y0—后坐弹簧预拉的位移；μ—后坐滑块与基板的摩擦系数；θ—蛇形齿齿顶角的一半；y—锁头没有碰撞锁槽前后坐滑相对基板块移动的竖直位移。
图5 后坐滑块的受力分析
根据式（1）可知，后坐滑块质量一定时，其运动的加速度取决于后坐力、后坐弹簧弹性系数和齿的齿角。后坐加速度越大，后坐滑块的运动速度越快，后坐滑块越能可靠的运动到位，因此可以通过调节后坐弹簧的弹性系数和齿角的大小，进而控制后坐滑块的运动。
后坐机构作为MEMS安保机构中的重要结构，合理的参数设计对后坐机构的运动到位至关重要。后坐弹簧和卡销弹簧，是一种S型悬臂梁。S型悬臂梁竖直方向弹性系数系数计算公式如下：
![]() （2）
式中：E—悬臂梁使用材料的弹性模量；b—悬臂梁线宽；h—悬臂梁厚度；R—悬臂梁弯曲半径；L—悬臂梁线长；n—单元数。
S型悬臂梁由p个基本单元组成，其中基本单元模型，如图6所示。
图6 弹簧中一个单元的模型图
通过式（2）中相关参数的调整，计算和调整弹簧的弹性系数。在adams动力学仿真软件中，设置后坐滑块弹簧K=1.022e-3N/mm、预拉力5.13e-4N，后坐加速度1500g，转速20r/s。进行后坐滑块系统部分的仿真，仿真时间设置100ms，得到后坐滑块运动的位移—时间曲线，如图7所示。
图7 后坐滑块运动的位移—时间曲线
在结构中后坐滑块相对基板可以向下移动的最大位移即到达基板的底部时行程2.26mm，从图7可以看出，当后坐滑块运动到底部时，所需时间为2.8ms。并且从10.6ms到仿真结束时位移为一个恒定的定值，证明后坐滑块被挂锁锁在了基板的底部。验证了式（1）和式（2）的合理性，同时验证了后坐机构设计的合理性。
3.2 钟表机构原理及力学分析
钟表机构由齿轮和齿摆组成。它们在离心力的作用下分别绕与盖板固定的轴旋转。弹轴与齿轮齿摆的转动平面在一个平面内。齿轮的质心与弹轴错开，即有一定的距离，这样才能在弹丸旋转时，使齿轮受到离心力的作用，使钟表机构运动，钟表机构，如图8所示。
图8 钟表机构模型
弹丸在旋转时，固定在弹丸上的引信也随着一起运动，此时齿轮和齿摆均受到沿弹轴径向的离心力作用。齿轮在离心力的作用下绕齿轮轴顺时针旋转，在齿轮转动过程中，齿轮的齿与齿摆之间发生摩擦、碰撞并且使齿摆摆往复运动从而起到延时作用。现为了研究钟表机构运动时的影响因素，对齿轮与齿摆的运动过程进行力学建模，如图9所示。
图9 钟表机构力学模型
齿轮、齿摆摆的运动微分方程为：
![]() （3）
![]() （4）
其中：
式中：IC、IK—齿轮和齿摆的转动惯量；FN—齿轮与齿摆啮合线上的正压力；rC、rK—齿轮半径、接触点与齿摆转轴的距离；Ff—齿轮受到的摩擦力；Md—齿轮动力矩；Mfc、Mfk—齿轮和齿摆阻力矩；MR—齿轮总转矩；α0—初始位置时齿摆啮合线与水平夹角；m—齿轮的质量；r—齿轮质心到垂直于弹轴的水平距离；d1—齿轮质心到齿轮轴的平行于弹轴方向距离；α—齿摆啮合线与水平夹角。
在此执行器机构中，钟表机构运动到位对解除隔爆板的约束是机构可靠工作的前提，而钟表机构能否按预期完成延时作用主要取决于钟表机构实际运动角加速度的大小。根据式（3）可知，运动的角加速度取决于齿轮质心距弹轴的径向距离、齿轮的质量和齿轮半径。齿轮角加速度越大，齿轮的角速度越快，齿轮越能更快的运动到位，因此可以通过调节齿轮质心距弹轴的径向距离、齿轮的质量和齿轮半径，进而控制齿轮的延时时间。9ms之后弹丸出炮口，齿轮在离心力的作用下运动，得转角—时间曲线，如图10所示。
图10 齿轮转角—时间曲线
从图10中可以看出，在78.3ms到100ms之间，齿轮的转角为一个恒定值，同时由Adams的postprocess的查看，可以得到齿轮运动到位。同时从图10中可以看出，齿轮从运动到运动到位，用了69.3ms的时间，即钟表机构的延时时间为69.3ms。图9验证了式（3）的合理性。同时验证钟表机构延时设计的合理性。
3.3 隔爆板运动分析
隔爆板的运动空间为3mm，当两道保险全部解除之后，隔爆板便能在离心力的作用下相对于基板向右滑动。而离心力的大小决定着转销是否解除对隔爆板的限制，也决定着隔爆板能否运动到位。在隔爆板开始工作时，转销和隔爆板的受力情况，如图11、12所示。
图11 转销的受力分析
图12 隔爆板的受力分析
由转销受到的离心力F1，隔爆板受到的离心力F2，可得到式（5）和式（6）。
![]() （5）
![]() （6）
式中：m1、m2—转销和隔爆板的质量；r1、r2—垂直于弹轴方向上，转销的质心在到弹轴的距离和隔爆板质心到弹轴的距离。
当弹轴在转销质心左侧时，转销受到的离心力方向与图11相反，故转销在重力和离心力的作用下限制隔爆板的运动。当弹轴在隔爆板质心右侧时，隔爆板受到的离心力方向与图12相反，故隔爆板不会运动到位。同时由式（5）和式（6）可知，当弹轴在转销质心和隔爆板质心之间，且弹轴到转销质心的距离一定时，r1能够确保F1，使转销运动到位。此时，r2能够确保F2的大小，确保隔爆板能够运动到位。隔爆板运动的位移—时间曲线，如图13所示。从图13中可以看出在74.9ms时隔爆板开始运动在89.4ms时运动到位，历时14.5ms。所以进一步得出整个机构的延时时间为89.4ms，在62.5ms和208.3ms之间，达到设计所需的保险时间。验证了式（5）和式（6）设计依据的合理性，同时验证了弹轴位置设计的合理性。
图13 隔爆板位移—时间曲线
图14 后坐滑块的位移—时间曲线
3.4 勤务处理安全可靠性分析
当平时勤务处理时，若遇偶然跌落到钢板情况，分析跌落时的冲击载荷对后坐滑块的影响，对机构加载大小为15000G、持续时间为100μs的冲击载荷，后坐滑块距离终点位置的位移—时间曲线，如图14所示。从图14可以看出：初始位置（T=0）时后座滑块距离终点2.26mm，随着时间的增大，后坐滑块运动到一定位置（T=0.0021ms）即在曲线中最低点为2.1346mm，随着时间的继续增大，后坐滑块又回到初始位置。所以后坐滑块行程0.1254mm。
在T=0.0065ms时滑块恢复到原位，所以跌落安全。验证了该执行器具有高的可靠性。
4 结论
提出一种应用于双环境力下的MEMS执行器，对其结构和工作原理进行分析并建立动力学方程，通过Adams软件对结构进行动力学仿真分析，验证了后坐机构、钟表机构能够在给定环境力作用下可靠运动，解除对隔爆板的限制。同时验证该执行器在勤务处理时的安全性和可靠性。整个机构的延时时间为89.4ms，在要求的62.5ms和208.3m之间，并且勤务处理时也是安全的，所以此保险机构符合设计要求。
来源：调节阀信息网
转载请注明：电子人社区 | 
发表于 2017-6-5 08:43:02
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