佟雪梅，王炅，王新杰，唐玉娟

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

佟雪梅，王炅，王新杰，唐玉娟

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對(duì)傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)受機(jī)械機(jī)構(gòu)本身固有特性限制，通用性差，難以充分利用各種環(huán)境信息的問(wèn)題，提出了利用近年來(lái)頗受關(guān)注的壓電驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)隔爆機(jī)構(gòu)，以解除保險(xiǎn)的安全與解除保險(xiǎn)裝置。根據(jù)安全與解除保險(xiǎn)裝置的尺寸要求，借助ANSYS對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。并以所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器為基礎(chǔ)，分析了運(yùn)用壓電驅(qū)動(dòng)器的引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題。

引信；安全與解除保險(xiǎn)裝置；壓電驅(qū)動(dòng)器；模態(tài)分析

0 引言

引信技術(shù)向來(lái)具有良好的包容性，越來(lái)越多的新材料新技術(shù)不斷的應(yīng)用其中。傳統(tǒng)的安全與解除保險(xiǎn)裝置一般為機(jī)械式的，承擔(dān)了感受慣性力和執(zhí)行保險(xiǎn)邏輯兩種功能，其利用環(huán)境力解除保險(xiǎn)并使隔爆部件運(yùn)動(dòng)到位，以此實(shí)現(xiàn)引信由保險(xiǎn)狀態(tài)向解除保險(xiǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變[1]。此種安全與解除保險(xiǎn)裝置由于受到機(jī)械機(jī)構(gòu)本身固有特性的限制，難以充分利用各種環(huán)境信息解除保險(xiǎn)，在一些新技術(shù)彈藥中通用性不強(qiáng)。因此，機(jī)電式引信安全系統(tǒng)成為發(fā)展的主流，而機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的發(fā)展更為新技術(shù)新材料的引入提供了空間。

壓電驅(qū)動(dòng)器是運(yùn)用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體的微幅振動(dòng)，并通過(guò)定、動(dòng)子之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)，輸出功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的機(jī)構(gòu)[2-3]。近幾十年來(lái)，壓電驅(qū)動(dòng)器在精密驅(qū)動(dòng)和精密定位領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究也越來(lái)越多。壓電驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活、響應(yīng)快，位置與速度控制性好，不受磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。鑒于壓電驅(qū)動(dòng)器的以上優(yōu)勢(shì)，基于壓電驅(qū)動(dòng)器所設(shè)計(jì)的安全與解除保險(xiǎn)裝置，容易實(shí)現(xiàn)體積的微小型化，并可根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)和尺寸?？?/p>

見(jiàn)，壓電驅(qū)動(dòng)器在引信中的應(yīng)用相對(duì)靈活，具有良好的前景。

1 壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)

壓電驅(qū)動(dòng)器的工作模態(tài)，定子的一階縱振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)y方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，二階彎振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)x方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，若一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以同一頻率在相互垂直的兩個(gè)方向上振動(dòng)時(shí)，則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓。在設(shè)計(jì)定子時(shí)，使一階縱振和二階彎振頻率基本達(dá)到一致，就能在定子的驅(qū)動(dòng)面上合成橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓運(yùn)動(dòng)的水平分量提供動(dòng)子的平動(dòng)速度，再通過(guò)定子和動(dòng)子間的摩擦作用，輸出運(yùn)動(dòng)和力。

文中設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器為直線駐波型壓電驅(qū)動(dòng)器，主要由定子和動(dòng)子組成。定子可近似為一個(gè)矩形薄板，由定子基體、兩塊壓電陶瓷和兩個(gè)楔塊組成，結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。動(dòng)子為一個(gè)L形滑塊，如圖1(b)所示，其沿固定軌道做直線運(yùn)動(dòng)。定子的驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子接觸，動(dòng)子和定子兩者間施加一定的預(yù)壓力，使定子和動(dòng)子能夠有效的摩擦接觸，以傳遞速度和力。

圖1 定子、動(dòng)子結(jié)構(gòu)

1.2 壓電驅(qū)動(dòng)器的原理

文中設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器的基本原理是利用逆壓電效應(yīng)，將壓電陶瓷和金屬材料復(fù)合成一個(gè)彈性體作為定子，通過(guò)施加電壓信號(hào)，使定子產(chǎn)生超聲波頻段內(nèi)的微幅振動(dòng)，并在定子表面特定區(qū)域形成質(zhì)點(diǎn)的特定軌跡運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)與定子壓緊，通過(guò)兩者摩擦作用將微觀振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)的宏觀旋轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動(dòng)，輸出功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在此，選取定子的一階面內(nèi)縱向伸縮振動(dòng)模態(tài)和二階面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)作為壓電驅(qū)動(dòng)器的工作模態(tài)，定子的一階縱振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)y方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，二階彎振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)x方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，若一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以同一頻率在相互垂直的兩個(gè)方向上振動(dòng)時(shí)，則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓。在設(shè)計(jì)定子時(shí)，使一階縱振和二階彎振頻率基本達(dá)到一致，就能在定子的驅(qū)動(dòng)面上合成橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓運(yùn)動(dòng)的水平分量提供動(dòng)子的平動(dòng)速度，再通過(guò)定子和動(dòng)子間的摩擦作用，輸出運(yùn)動(dòng)和力。

1.3 橢圓軌跡的形成過(guò)程

壓電驅(qū)動(dòng)器能夠運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是如何形成定子和動(dòng)子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓軌跡的好壞直接影響驅(qū)動(dòng)器的輸出性能[6]。而橢圓軌跡的形成與施加于壓電驅(qū)動(dòng)器電壓信號(hào)有直接相關(guān)。根據(jù)定子表面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)形成的原理，為定子施加相位差為90°的兩相電壓信號(hào)，如圖2所示，此時(shí)在定子驅(qū)動(dòng)面上形成標(biāo)準(zhǔn)的橢圓軌跡，驅(qū)動(dòng)器的輸出性能最好。在圖2所示的電壓信號(hào)下，定子表面橢圓軌跡的形成過(guò)程如圖3所示，由a到d為橢圓軌跡的一個(gè)周期。

圖2 兩相電壓信號(hào)

圖3 橢圓軌跡的形成過(guò)程

2 定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 定子材料參數(shù)

在定子的模態(tài)分析中，需要對(duì)材料的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置對(duì)于文中涉及的壓電陶瓷，其材料參數(shù)如下：

a) 柔度系數(shù)矩陣

b) 壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣

c) 夾持介電常數(shù)矩陣

另外，定子基體材料采用黃銅，其密度為8500kg/m3，彈性模量為1.02×1011N/m2，泊松比為0.373；楔塊的材料為鋁合金，其密度為2720kg/m3,彈性模量為6.89×1010N/m2，泊松比為0.30。

2.2 定子模態(tài)分析

在自由—自由邊界條件下，無(wú)法通過(guò)解析計(jì)算得到彈性體固有共振頻率的精確解，所以需要利用ANSYS對(duì)定子進(jìn)行參數(shù)化建模，進(jìn)行模態(tài)分析，以此來(lái)分析定子結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，獲得定子的共振頻率、對(duì)應(yīng)的振型以及振型參數(shù)[7]。然后基于模態(tài)分析所獲得的數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，并制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

定子模態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 定子模態(tài)分析

通過(guò)模態(tài)分析，得到定子的一階縱振的頻率為81806Hz，二階彎振的頻率為83063Hz，兩相模態(tài)頻率差為1257Hz，差值較大，不滿足驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)要求，驅(qū)動(dòng)器表面質(zhì)點(diǎn)很難形成標(biāo)準(zhǔn)橢圓運(yùn)動(dòng)，因此需對(duì)定子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析

定子的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示，陰影部分為壓電陶瓷。

圖5 定子結(jié)構(gòu)參數(shù)

從圖5可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，如對(duì)每個(gè)參數(shù)都進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)勢(shì)必會(huì)增加工作量，做一些無(wú)用功?？紤]到各個(gè)參數(shù)對(duì)定子固有頻率的影響不同，因此采取比較各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作模態(tài)頻率影響的大小，并找出影響較大的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案更加合理。

文中采用對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析的方法提取對(duì)固有頻率影響較大的參數(shù)。在定子優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，整個(gè)定子共包含10個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)：l、l1、l2、l3、l4、l5、a、b、b1、b2，其中l(wèi)4、l5、b、b2為常量。這樣在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的變量就只有l(wèi)、l1、l2、l3、a、b1六個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用單一變量法進(jìn)行靈敏度分析，結(jié)構(gòu)尺寸每次變化0.1mm，分析結(jié)果如圖6及圖7所示，其中橫坐標(biāo)數(shù)字1到6分別代表結(jié)構(gòu)參數(shù)l、l1、l2、l3、a、b1。

圖6 一階縱振模態(tài)頻率對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度

圖7 二階彎振模態(tài)頻率對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度

由圖6、圖7可知，6個(gè)待定結(jié)構(gòu)參數(shù)中，一階縱振和二階彎振模態(tài)頻率對(duì)L的靈敏度最大，對(duì)L1的靈敏度較小，對(duì)L2的靈敏度最小，所以選定L、a、b1為重點(diǎn)設(shè)計(jì)變量。

2.4 定子結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

確定設(shè)計(jì)變量后，需對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)一系列分析計(jì)算，得到一階縱振和二階彎振模態(tài)頻率隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律如圖8、圖9及圖10所示。各圖分別顯示了模態(tài)頻率隨l、b1、a的變化規(guī)律，圖中左側(cè)縱坐標(biāo)標(biāo)記fE1和fB2折線圖的數(shù)值，右側(cè)縱坐標(biāo)標(biāo)記頻率差Δf折線圖的數(shù)值。

圖8 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨l的變化規(guī)律

圖9 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨b1的變化規(guī)律

圖10 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨a的變化規(guī)律

綜合考慮以上各圖的分析結(jié)構(gòu)及將壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)所受到的結(jié)構(gòu)限制，最終確定定子的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化前后定子的結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，定子兩相工作模態(tài)的頻率差如表2所示。由表可知，定子優(yōu)化后兩相工作模態(tài)頻率差大大減小，能夠滿足兩相工作模態(tài)頻率一致性設(shè)計(jì)要求。

表2 參數(shù)優(yōu)化前后兩相工作模態(tài)頻率比較

3 壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的分析

鑒于壓電驅(qū)動(dòng)器的諸多優(yōu)點(diǎn)，分析其應(yīng)用于引信安全系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)如下：

1) 壓電精密驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，轉(zhuǎn)矩密度大的特點(diǎn)，決定了壓電驅(qū)動(dòng)器是一種易于小型化和多樣化的驅(qū)動(dòng)裝置，滿足引信安全與解除保險(xiǎn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，小型化的需求。

2) 壓電驅(qū)動(dòng)器無(wú)電磁干擾、可無(wú)輸入自鎖、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制性能好等卓越特性，滿足引信無(wú)電磁干擾及對(duì)隔爆機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)要求，有利于精確控制解除保險(xiǎn)時(shí)間，提高炮口保險(xiǎn)距離的可控性。

3) 以壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的隔爆機(jī)構(gòu)(動(dòng)子)，并以環(huán)境傳感器代替機(jī)械環(huán)境敏感裝置，可充分利用各種環(huán)境信息，因此在非旋或微旋彈中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4) 由于壓電精密驅(qū)動(dòng)器可往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此應(yīng)用壓電精密驅(qū)動(dòng)器的引信安全與解除保險(xiǎn)裝置可實(shí)現(xiàn)待發(fā)狀態(tài)和安全狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。

壓電驅(qū)動(dòng)器在引信安全系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很多的優(yōu)勢(shì)，但是也存在一些問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)發(fā)展比較成熟的壓電驅(qū)動(dòng)器主要是行波型壓電驅(qū)動(dòng)器，而對(duì)于駐波型壓電驅(qū)動(dòng)器的研究相對(duì)并不很深入；國(guó)內(nèi)對(duì)于微小型壓電驅(qū)動(dòng)器的研究較少，輸出性能較難滿足工程應(yīng)用的要求，仍有待提高。

4 結(jié)語(yǔ)

分析了壓電驅(qū)動(dòng)器的原理及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的壓電驅(qū)動(dòng)器，為之后制作樣機(jī)做好了準(zhǔn)備工作。通過(guò)分析壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，解釋了此方案的可行性及壓電驅(qū)動(dòng)器在引信中的應(yīng)用前景；同時(shí)也提出了將壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信中的一些阻礙。目前，將壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全系統(tǒng)的研究處于起步階段，任重而道遠(yuǎn)，需要針對(duì)不同引信安全系統(tǒng)，研究滿足使用要求的壓電驅(qū)動(dòng)器。

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Design of Piezoelectric Actuator for Electromechanical Fuze Safety System

TONG Xuemei, WANG Jiong, WANG Xinjie, TANG Yujuan

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The traditional fuse safety system is limited by its inherent characteristics of the mechanical structure, and has lack of generality. It is difficult to make full use of all kinds of environmental information. Aiming at the above problem this paper puts forward the fuse safety and arming device that is used with a piezoelectric actuator given attention to in recent years to drive the flame-proof institutions. According to the size requirements of the safety and arming device, the detailed design of the piezoelectric actuators is done with the help of ANSYS. And on the basis of the designed drive, the advantages and existing problems of the fuse safety and arming device used with the piezoelectric actuators are analyzed.

fuse; fuse safety and arming device; piezoelectric actuator; modal analysis

南京理工大學(xué)自主科研專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011YBXM02)

佟雪梅(1988-)，女，河北唐山人，碩士。

TJ430.3+3

B

1671-5276(2015)05-0164-04

2014-03-04