應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)可逆檢測(cè)

牟洪剛,黃惠東,劉青冬,劉 勇

(西安機(jī)電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

導(dǎo)彈研制和生產(chǎn)過(guò)程中成本高昂,屬于高價(jià)值彈藥。高價(jià)值彈藥對(duì)引信的可靠度要求較高,通常提出的可靠度指標(biāo)為0.995以上,置信度為0.8或更高[1]。為了保證導(dǎo)彈引信在裝彈前及長(zhǎng)期貯存后再使用時(shí)的工作可靠性,要求對(duì)引信進(jìn)行測(cè)試,以確保引信的工作可靠性。

以前,無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外導(dǎo)彈引信的隔爆機(jī)構(gòu)動(dòng)作均為單方向、一次性的。一旦完成解除保險(xiǎn)和隔爆過(guò)程就不可恢復(fù)為安全狀態(tài)[2]。因而在引信測(cè)試時(shí),隔爆機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性無(wú)法檢測(cè);特別是在引信長(zhǎng)期貯存后,隔爆機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性檢測(cè)尤為重要。

近幾年來(lái),引信隔爆機(jī)構(gòu)可逆動(dòng)作被提上議事日程。2009年中國(guó)兵工學(xué)會(huì)第十六屆引信學(xué)術(shù)年會(huì)的論文集中相繼出現(xiàn)了多篇論文,涉及引信隔爆機(jī)構(gòu)可逆動(dòng)作,如:《運(yùn)動(dòng)可逆式引信安全系統(tǒng)控制分析》[2]、《運(yùn)動(dòng)可逆式引信安全系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)》[3]、《引信安保機(jī)構(gòu)復(fù)位功能設(shè)計(jì)探討》[4]和《我國(guó)魚(yú)雷爆發(fā)器的發(fā)展趨勢(shì)》[5]。在這些論文中提出的引信隔爆機(jī)構(gòu)可逆動(dòng)作均為完全解除保險(xiǎn)后再返回初始狀態(tài)[6],隔爆機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性檢測(cè)時(shí)存在一定的安全隱患,引信隔爆機(jī)構(gòu)在完全解除保險(xiǎn)時(shí)初始發(fā)火元件一旦意外作用,則整個(gè)傳爆序列作用。

國(guó)內(nèi)于多年前完成引信機(jī)構(gòu)可逆動(dòng)作方面的研究,提出采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔爆件,轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度(仍處于隔爆狀態(tài))后再返回初始狀態(tài)。

1 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角[7]。步進(jìn)電機(jī)必須由雙環(huán)脈沖信號(hào)、功率控制電路等系統(tǒng)控制方可使用。

步進(jìn)電機(jī)具有以下特點(diǎn):

1)步距值不受各種干擾因素的影響;

2)誤差不長(zhǎng)期累積;

3)控制性能好,可雙向驅(qū)動(dòng)。

本文所選用的步進(jìn)電機(jī)主要采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊即步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),其驅(qū)動(dòng)運(yùn)行方式為單極驅(qū)動(dòng)的四相八拍運(yùn)行方式;外形尺寸為35 mm×35 mm×40 mm。

2 應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)可逆檢測(cè)

2.1 動(dòng)作可逆機(jī)構(gòu)

動(dòng)作可逆機(jī)構(gòu)主要由帶電磁拔銷(xiāo)器的后坐保險(xiǎn)裝置、火藥拔銷(xiāo)器、步進(jìn)電機(jī)(具有鎖定力矩)、隔爆轉(zhuǎn)子、開(kāi)關(guān)盤(pán)和機(jī)械觸點(diǎn)(幾組)等組成。

帶電磁拔銷(xiāo)器的后坐保險(xiǎn)裝置、火藥拔銷(xiāo)器和步進(jìn)電機(jī)(具有鎖定力矩)為安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)三個(gè)獨(dú)立的保險(xiǎn)件,機(jī)械地鎖定隔爆轉(zhuǎn)子。

帶電磁拔銷(xiāo)器的后坐保險(xiǎn)裝置是安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的第一道保險(xiǎn)。發(fā)射后,當(dāng)產(chǎn)生的軸向過(guò)載達(dá)到后坐保險(xiǎn)裝置所需的過(guò)載閾值時(shí),后坐保險(xiǎn)銷(xiāo)在后坐力的作用下,開(kāi)始解除對(duì)隔爆轉(zhuǎn)子的第一道保險(xiǎn)。

電磁拔銷(xiāo)器的作用是在通電后,通過(guò)電磁力拔出后坐保險(xiǎn)銷(xiāo),使得安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在測(cè)試狀態(tài)無(wú)軸向過(guò)載時(shí),也能正常解除后坐保險(xiǎn)。在引信正常工作時(shí),電磁拔銷(xiāo)器不工作。

火藥拔銷(xiāo)器是安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的第二道保險(xiǎn)。火藥拔銷(xiāo)器選用的是A類(lèi)鈍感火工品,可以保證平時(shí)不會(huì)意外作用。在引信測(cè)試時(shí),起爆電路沒(méi)有上電,并且火藥拔銷(xiāo)器通過(guò)測(cè)試儀強(qiáng)制短路,可以保證火藥拔銷(xiāo)器不會(huì)意外作用。

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)一組齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)軸上套有一個(gè)小齒輪,隔爆轉(zhuǎn)子的上表面鉚接一個(gè)大齒輪,大齒輪和小齒輪相互嚙合,這樣步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)具有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的特性,因此,它可作為隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的原動(dòng)機(jī);步進(jìn)電機(jī)具有一定的鎖定力矩,因此,它可作為安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的第三道保險(xiǎn)。

開(kāi)關(guān)盤(pán)和機(jī)械觸點(diǎn)(幾組)相互配合可向控制電路輸出隔爆轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。開(kāi)關(guān)盤(pán)上有不同弧度的導(dǎo)電帶(圖1陰影部分)和不同阻值電阻(圖1黑色部分)。隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)幾組機(jī)械觸點(diǎn)與開(kāi)關(guān)盤(pán)上導(dǎo)電帶和不同阻值電阻的不同組合來(lái)反映隔爆轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。開(kāi)關(guān)盤(pán)鉚接在隔爆轉(zhuǎn)子的下表面,而機(jī)械觸點(diǎn)則安裝在底螺中。圖1為開(kāi)關(guān)盤(pán)圖。

圖1 開(kāi)關(guān)盤(pán)圖Fig.1 Figure of switch plate

2.2 機(jī)構(gòu)的可逆檢測(cè)

安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的可逆檢測(cè):首先通過(guò)專(zhuān)用測(cè)試儀給引信控制電路上電;與此同時(shí),控制電路給電磁拔銷(xiāo)器通電,電磁拔銷(xiāo)器利用電磁力拔出后坐保險(xiǎn)銷(xiāo),使得安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在測(cè)試狀態(tài)無(wú)軸向過(guò)載時(shí),也能正常解除后坐保險(xiǎn),待步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后,電磁拔銷(xiāo)器斷電,后坐保險(xiǎn)銷(xiāo)在彈簧的作用下恢復(fù),但此時(shí)后坐保險(xiǎn)銷(xiāo)已經(jīng)無(wú)法鎖住隔爆轉(zhuǎn)子;隨后,控制電路判別程序轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)的狀態(tài)后運(yùn)行檢測(cè)程序,控制步進(jìn)電機(jī)在預(yù)定時(shí)間后帶動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)預(yù)定角度,隔爆轉(zhuǎn)子上的開(kāi)關(guān)盤(pán)結(jié)合機(jī)械觸點(diǎn)向控制電路返回隔爆轉(zhuǎn)子的狀態(tài)信息;此時(shí),安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)仍處于隔爆狀態(tài);當(dāng)控制電路接收到專(zhuān)用測(cè)試儀器發(fā)出的模擬遠(yuǎn)距離解除保險(xiǎn)信號(hào),并經(jīng)判別正確時(shí),控制電路并不執(zhí)行隨后的解除保險(xiǎn)動(dòng)作,而是給電磁拔銷(xiāo)器通電再次拔起后坐保險(xiǎn)銷(xiāo),然后控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子返回到初始狀態(tài),電磁拔銷(xiāo)器斷電,后坐保險(xiǎn)銷(xiāo)在彈簧的作用下恢復(fù),鎖住隔爆轉(zhuǎn)子;最后隔爆轉(zhuǎn)子上的開(kāi)關(guān)盤(pán)結(jié)合機(jī)械觸點(diǎn)向控制電路返回隔爆轉(zhuǎn)子的狀態(tài)信息。通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的有效控制以及開(kāi)關(guān)盤(pán)和機(jī)械觸點(diǎn)的有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了在測(cè)試時(shí)不破壞安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu),又能盡量全面考核安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的目的。

現(xiàn)在這種檢測(cè)并不是整個(gè)解除保險(xiǎn)過(guò)程檢測(cè),只是在一定角度范圍內(nèi)的檢測(cè),因?yàn)榛鹚幇武N(xiāo)器是一種一次性的火工品,一旦作用無(wú)法恢復(fù)。

2.3 可逆檢測(cè)的安全性

引信測(cè)試時(shí),火藥拔銷(xiāo)器起爆電路沒(méi)有上電,并且火藥拔銷(xiāo)器通過(guò)測(cè)試儀強(qiáng)制短路,可以保證火藥拔銷(xiāo)器不會(huì)意外作用,從而保證了引信不會(huì)完全解保。

引信測(cè)試時(shí),引信控制電路只能運(yùn)行檢測(cè)程序。即使火藥拔銷(xiāo)器意外作用,解除對(duì)隔爆轉(zhuǎn)子的鎖定,引信控制電路同樣會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)回到初始隔爆位置,從而保證引信檢測(cè)時(shí)的安全性。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)前文所述,設(shè)計(jì)出了安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)條件:高溫+70℃、低溫-40℃、振動(dòng)功率譜密度0.12 g2/Hz、沖擊過(guò)載100 g、持續(xù)時(shí)間6～8 ms、溫度沖擊-40～+70℃等。在各種環(huán)境試驗(yàn)中用專(zhuān)用測(cè)試儀配合機(jī)構(gòu)的控制電路對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試波形圖如圖2所示。

圖2 “檢測(cè)”程序時(shí)信號(hào)波形Fig.2 Signal wave of"detection"procedure

第一個(gè)高臺(tái)階表示步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)了預(yù)定的角度,此時(shí)安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)處于第一道保險(xiǎn)解除,第二道保險(xiǎn)未解除狀態(tài);第二個(gè)高臺(tái)階表示步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)了預(yù)定的角度,返回初始位置,此時(shí)安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)處于完全保險(xiǎn)狀態(tài)。

安全與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)完成環(huán)境試驗(yàn)后進(jìn)行完全解保試驗(yàn),測(cè)試波形如圖3所示。

圖3 “工作”程序時(shí)信號(hào)波形Fig.3 Signal wave of"action"procedure

第一個(gè)高臺(tái)階表示步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)了預(yù)定的角度,此時(shí)安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)處于第一道保險(xiǎn)解除,第二道保險(xiǎn)未解除狀態(tài);第二個(gè)高臺(tái)階表示第二道保險(xiǎn)解除后,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔爆轉(zhuǎn)子繼續(xù)正轉(zhuǎn)了預(yù)定的角度,此時(shí)安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)處于完全解保狀態(tài)。

機(jī)構(gòu)從研制之初到設(shè)計(jì)定型進(jìn)行了不少于1 000次的可逆檢測(cè),均沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題,一致性非常好。

通過(guò)試驗(yàn)表明:應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)的安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,利用了彈上供電和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)特性;步進(jìn)電機(jī)作為隔爆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)原動(dòng)機(jī)為隔爆轉(zhuǎn)子提供驅(qū)動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)部分解除保險(xiǎn)功能;開(kāi)關(guān)盤(pán)和機(jī)械觸點(diǎn)的相互配合,可以向控制電路反饋隔爆轉(zhuǎn)子在解除保險(xiǎn)過(guò)程中的位置信息,使引信可以在裝彈前對(duì)其第二道保險(xiǎn)之前的解除保險(xiǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬測(cè)試;環(huán)境適應(yīng)性好,機(jī)構(gòu)工作安全、可靠。

4 結(jié)論

安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)利用步進(jìn)電機(jī)為隔爆轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力,同時(shí)利用步進(jìn)電機(jī)具有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的特性實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可逆性,結(jié)合機(jī)械觸點(diǎn)和開(kāi)關(guān)盤(pán)實(shí)現(xiàn)了安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的部分可逆檢測(cè),這種檢測(cè)并不完全解除保險(xiǎn),安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)仍然處于隔爆狀態(tài),從而保證了檢測(cè)的安全性。試驗(yàn)結(jié)果表明:安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)受外界環(huán)境影響低、可靠性高,實(shí)現(xiàn)了安全和解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的部分可逆檢測(cè)。由于步進(jìn)電機(jī)尺寸相對(duì)較大,只能應(yīng)用于低發(fā)射過(guò)載、外形尺寸較大的導(dǎo)彈引信。

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