程玄玄，聶偉榮，李艷橋，盧西山

（南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

0 引言

MEMS系統(tǒng)（micro electromechanical system）是在微電子和微機械技術上發(fā)展起來的一門多學科交叉技術，具有微型化、集成化、智能化等特點[1－3]。

MEMS在引信中的應用，涉及到引信的安全系統(tǒng)、發(fā)火系統(tǒng)及點火控制系統(tǒng)[4]。引信 MEMS安全與解除保險裝置具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點，使得常規(guī)引信有更多的空間容納多傳感器探測電路和主裝藥，提高了彈藥的精確度和殺傷力[5]。

利用后坐力解除保險的引信MEMS安全與解除保險裝置，其后坐卡銷多為非剪斷式，插頭形狀為立方體。在后坐滑塊解除保險之前，卡銷在后坐力的作用下，提前發(fā)生位移，解除保險的行程變小，系統(tǒng)的安全性降低。為此，提出一種剪斷式后坐卡銷，應用于一種新型引信MEMS安全與解除保險裝置上。

1 引信MEMS安全與解除保險裝置特征

圖1所示為美國陸軍兵器研究發(fā)展與工程中心（ARDEC）研制的一種引信MEMS安全與解除保險裝置以及放大的后坐卡銷示意圖。彈丸發(fā)射后，后坐滑塊（setback slider）在后坐力的作用下向下運動一段距離，與卡銷橫梁接觸，推動卡銷運動，直到插頭離開卡槽，解除保險。此類非剪斷式后坐卡銷存在一個缺點，由于插頭為規(guī)則立方體，不能限制后坐卡銷沿著后坐力方向上的運動。在后座滑塊接觸到卡銷橫梁之前，卡銷在后坐力的作用下提前發(fā)生一段位移，使得卡銷解除保險的行程變小。

圖1所示為安全狀態(tài)，當所有保險解除完成后，保險滑塊（arming slider）向右運動到位，傳爆孔對正，機構進入解除保險狀態(tài)。

圖1 ARDEC安全與解除保險裝置

針對電磁驅動引信MEMS安全與解除保險裝置尺寸大，不利于實現微小型化的缺點，利用ARDEC安全與解除保險裝置直接利用后坐環(huán)境力解除保險的原理，文中提出一種電熱驅動引信MEMS安全與解除保險裝置，如圖2所示。該裝置主要由中間滑塊、電熱驅動器、后坐滑塊、后坐卡銷、鎖銷組成，電熱驅動器上下對稱分布。主要應用在迫擊彈、微旋彈等彈種之上。

該機構的工作原理為：發(fā)射前，中間滑塊被電熱驅動器卡住，彈簧處于壓縮狀態(tài)，傳爆孔被中間滑塊擋住，起到隔爆作用，機構處于安全狀態(tài)。發(fā)射后，后坐滑塊在10000g的后坐加速度下向下運動一段距離，同時，后坐滑塊推動后坐卡銷運動，直到卡銷被剪斷，解除第一道保險。此過程為機械過程。

當環(huán)境傳感器響應不同的環(huán)境信號，發(fā)出解除保險信號至上下電熱驅動器，驅動器通電發(fā)熱，在驅動力的作用下運動，卡入上下對應的卡槽中。

彈丸在出炮口到安全與解除保險裝置最后一道保險解除時的飛行距離為炮口安全距離，設計中要控制炮口安全距離大于戰(zhàn)斗部的殺傷半徑，實現安全距離保險。當最后一道保險解除后，中間滑塊在彈簧力作用下向右運動，傳爆孔打開，傳爆藥與輸入藥、輸出藥對正。環(huán)境傳感器通過對目標的識別來控制延時時間和起爆時間，當延時時間結束，傳感器發(fā)送信號至后續(xù)電路，電阻絲發(fā)熱，引爆戰(zhàn)斗部，實現對目標的摧毀。

圖2 電熱驅動引信MEMS安全與解除保險裝置

2 后坐卡銷結構

參照ARDEC安全與解除保險裝置后坐卡銷的結構形式，圖3所示為非剪斷式后坐卡銷在10000g和20000g后坐加速度下的位移仿真。由圖3可知，非剪斷式后坐卡銷在高g加速度環(huán)境下會沿著后坐卡銷解除保險的方向上產生一段位移，且發(fā)射加速度越大，位移越大，機構安全性越低。

圖3 非剪斷式后坐卡銷位移仿真

圖4 剪斷式后坐卡銷

為了確保后坐卡銷有足夠的解除保險行程，提高電熱驅動引信MEMS安全與解除保險裝置的安全性，文中提出一種剪斷式后坐卡銷見圖4。

剪斷式后坐卡銷橫梁上的插頭是設計的關鍵，插頭形狀特殊，與中間滑塊上卡槽相互配合。在卡槽的約束下，卡銷在剪斷之前不運動，這是剪斷式和非剪斷式后坐卡銷的區(qū)別。

剪斷式后坐卡銷一方面可以為機構提供一道保險，在電熱驅動器意外解除保險的情況下，還能卡住中間滑塊，起到“二級保險”的作用?？ㄤN左端固定，橫梁在后坐滑塊的推動下，沿順時針方向發(fā)生彎曲。根據設計要求，在10000g的后坐加速度下，后坐卡銷不能直接解除保險，必須通過后坐滑塊推動卡銷橫梁運動來解除保險。

后坐滑塊向下運動與卡銷表面接觸時，對卡銷的壓力為F1。后坐卡銷在力F1的作用下被剪斷。

3 后坐卡銷計算與仿真

建立后坐滑塊的實體模型，導入ANSYS Workbench，可得后坐滑塊的質量為m＝9.6×10－6kg，在10000g的后坐加速度條件下，后坐滑塊上產生的力為：

后坐滑塊運動到位時壓縮彈簧的反作用力為F2，后坐滑塊底部卡銷卡進卡槽中產生的最大摩擦力為F3，則：

要確定F2的大小，需求出彈簧的彈性系數k。仿真可知，上端施加0.5N壓力時，彈簧壓縮量為0.00315m，即彈性系數k ＝ 0.5N／0.00315m ＝158.73N／m?；瑝K和彈簧的總位移x＝0.0015m，由胡克定律可知：

要確定F3的大小，需對鎖銷進行應力計算。由ANSYS LS－DYNA仿真可知，鎖銷沿X方向的最大應力σ＝8.35×105Pa，總接觸面積A＝0.15×0.3×10－6×4＝1.8×10－7m2，由應力公式可知，正壓力：

鎳與鎳之間的動摩擦系數μ＝0.53，即：

考慮其它摩擦力的影響以及系統(tǒng)可靠性的要求，取F1＝0.5N對剪斷式后坐卡銷進行仿真。圖5為剪斷式后坐卡銷在0.5N壓力下的斷裂仿真。

圖5 剪斷式后坐卡銷斷裂仿真

由圖5可知，剪斷式后坐卡銷橫梁上插頭在向下運動過程中被完全剪斷，橫梁向下運動一定距離后發(fā)生彎曲，后坐卡銷解除保險。

為了保證足夠的解除保險行程，后坐卡銷在10000g甚至更高的后坐加速度下不能直接解除保險。圖6所示為剪斷式后坐卡銷在10000g和20000g后坐加速度下的位移仿真。

圖6 剪斷式后坐卡銷位移仿真

由圖6可以看出，剪斷式后坐卡銷在10000g和20000g加速度下最大位移分別為3.367×10－4mm，6.734×10－4mm，插頭處位移幾乎為0，后坐卡銷不能直接解除保險，滿足安全性要求。在10000g后坐加速度下，后坐滑塊向下運動剪斷后坐卡銷，成功解除保險，滿足可靠性要求。

4 結論

文中設計的剪斷式后坐卡銷是基于電熱驅動引信MEMS安全與解除保險裝置的要求來實現的，與非剪斷式后坐卡銷相比，剪斷式后坐卡銷插頭形狀特殊，受中間滑塊卡槽的約束，卡銷在剪斷之前不運動，避免了后坐力對后坐卡銷解除保險行程的影響。仿真表明，剪斷式后坐卡銷在高g環(huán)境下沿后坐力方向上的位移幾乎為零，后坐卡銷解除保險行程較大，系統(tǒng)安全性較高。后坐滑塊在10000g的正常發(fā)射加速度下推動后坐卡銷運動，成功剪斷后坐卡銷，解除保險，滿足可靠性要求。

由于目前國內MEMS的工藝水平較低，引信MEMS安全與解除保險裝置及其剪斷式后坐卡銷在加工工藝和精度上存在一定的局限性。并且此設計仿真沒有考慮實際發(fā)射環(huán)境中各種外界干擾的影響，這些都是今后努力的方向。

[1]李得勝，王東紅，孫金瑋，等.MEMS技術及其應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002.

[2]C H Robinson，T Q Hoang，M R Gelak，et al.Materials，fabrication，and assembly technologies for advanced MEMS－based safety and arming mechanism for projectile munitions，A848184[R].2006.

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[4]劉光輝，亢春梅.MEMS技術的現狀和發(fā)展趨勢[J].傳感器技術，2001，20（1）：52－56.

[5]馮鵬洲，朱繼南，吳志亮.美國典型引信MEMS安全保險裝置分析[J].探測與控制學報，2007，29（5）：26－27.