引信桿狀彈簧質量塊微機電離心保險裝置

孫誠誠，牛蘭杰，趙 旭，范晨陽

（機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

由于在勤務處理中彈丸可能得到的轉速遠低于發射時的轉速，所以離心保險裝置（S＆A）的安全性較好，而且通用性能也較好，故離心保險裝置在旋轉彈中應用廣泛［1］。相比于小口徑榴彈，中大口徑榴彈轉速相對較低，其設計難度也相對較大。

而目前已有的MEMS安全和解除保險裝置中，離心裝置大都是采用W 形彈簧質量塊結構，此結構的主要缺點是結構尺寸較大，彈簧形變量不均勻，塑性變形明顯等缺點，并且W 形彈簧結構較為復雜，所生產的產品尺寸誤差較大［2］。針對此問題，本文提出桿狀彈簧質量塊的離心解除保險裝置。

1 已有離心保險裝置

圖1所示為一種國內已有的MEMS安全和解除保險裝置［3］，與彈軸平行放置。其中沒有設計專門的離心保險裝置，僅以離心力驅動W 形彈簧質量塊的隔爆滑塊作為離心解保條件。由于W 形彈簧幾何尺寸較大，導致整個安全和解除保險裝置空間不足。

圖1 國內已有的某MEMS安全和解除保險裝置Fig.1 A kind of MEMS S＆A in China

圖2為圖1 中結構的實測照片，可以發現，W形彈簧受過載影響時，有明顯的塑性變形，且形變不均勻，沿彈簧徑向變形較為嚴重［4］，并且由于W 形彈簧結構較為復雜，在大批量生產中較難精確加工［2］。

圖2 W 形彈簧實測照片Fig.2 Photo of the W-shaped spring

圖3所示為兩種美國MEMS S＆A 裝置。左圖結構其基板垂直于彈軸。離心保險件采用W 形彈簧質量塊的結構，并且單邊布置［5］。右圖結構其基板垂直于彈軸。離心保險件同樣采用W 形彈簧質量塊的結構，并且對稱布置［6］。

圖3 兩種美國的MEMS安全和解除保險裝置Fig.3 Two kinds of MEMS S＆A in US

2 桿狀彈簧質量塊離心保險裝置

本文針對以上問題，設計了桿狀彈簧質量塊離心保險裝置。如圖4所示，由成對桿狀彈簧質量塊構成。離心保險裝置以鎳為材料，采用準LIGA 技術制造，平置在后底板上，與彈軸垂直放置。桿狀彈簧一端為卡銷和方形質量塊，另一端為彎角卡頭，擠入基板的縫隙內。形成卡銷鎖住隔爆滑塊的初始狀態。在受離心力作用時，質量塊向外側運動，桿狀彈簧發生彎曲，直到離心質量塊位移足夠大，松開隔爆滑塊，離心保險解除。與圖1所示結構相比，不僅設計了專門的離心保險裝置，并且離心保險在隔爆滑塊兩側成對布置，由于在勤務處理中僅有從斜坡滾落等特殊情況才會發生彈體旋轉，并且轉速一般遠小于發射環境，所以成對的離心保險在跌落時不易同時打開。

圖4 桿狀彈簧離心保險裝置Fig.4 Rod spring centrifugal safe mechanism

3 有限元仿真驗證

3.1 仿真模型

利用ANSYS／LS-DYNA 對離心保險裝置進行仿真分析。由于兩個離心保險裝置對稱布置，只需對其中之一進行仿真即可。又由于離心保險裝置只在末端處與邊框固定，所以可以將模型簡化為桿狀彈簧一段固定的懸臂梁模型，單位采用mm-ms-g-MPa。材料為鎳，其材料參數如表1所示［7］。

表1 鎳的材料參數Tab.1 Nickel material parameters

在桿狀彈簧一端添加全約束，進行網格劃分，如圖5所示。對不同轉速的情況進行仿真，考慮到質量塊銷頭與隔爆滑塊之間的裝配誤差及間隙0.1 mm，設計質量塊位移達到0.3 mm 以上（圖4），可解除保險，但考慮裝配時的預壓，實際解除保險位移應稍大于理論值。

圖5 網格劃分Fig.5 Meshing

3.2 仿真計算解除保險所需轉速

在桿狀彈簧截面尺寸為0.2mm×0.3mm（寬×厚）時，仿真得到不同轉速下銷的位移-時間曲線（s-t）如圖6所示，可以看出轉速達到36r／s以上，質量塊位移可以達到0.3mm 以上，可以滿足解除保險要求。

圖6 不同轉速下銷的s-t曲線Fig.6 s-t curve under different rotational speed

表2所示為不同轉速下，仿真得到質量塊的位移情況和危險截面（圖7）的最大應力。

表2 不同轉速下的仿真結果Tab.2 The simulation results under different rotational speed

從表2可以看到，當轉速低于36r／s時，考慮裝配預壓，可以認為質量塊的位移過小，不滿足解除保險要求。所以該尺寸下，離心保險安全的有效使用轉速為36r／s以上。該轉速滿足某中大口徑榴彈所要求的離心解除保險轉速，即該離心解除保險裝置的閾值為36r／s。

3.3 設計基板邊框尺寸以限定質量塊最大位移

從表2同樣可以看出，當轉速高于64r／s時，危險截面應力過大，有可能會導致結構失效，但此時質量塊的位移達到0.524 mm，大于0.3 mm，離心裝置可以解除保險，但不夠安全。圖7所示為轉速64 r／s時的vos mises應力云圖。從中可以看到，危險截面為桿狀彈簧內彎處，其應力最大為463 MPa。

圖7 64r／s轉速下的vos mises應力云圖Fig.7 The vos mises stress nephogram under the speed of 64r／s

為了避免如上情況發生，限定基板邊框與質量塊初始位置之間的距離以限定質量塊的最大位移。表2中可以看出，轉速達到60r／s時，危險截面應力為442 MPa，接近于鎳的屈服極限（450 MPa），此時質量塊位移為0.492 mm，認為此最大位移過于危險。故取基板邊框與質量塊初始位置間距為0.430 mm，如圖4。則在大裝藥炮口轉速遠大于設置的解除保險閾值時，該裝置不會損壞。

3.4 跌落過載對桿狀彈簧的影響

在彈的運輸過程中，由于跌落有可能會導致該離心裝置的桿狀彈簧發生失效，對此進行1.5m 跌落的仿真驗證。在勤務處理時，最危險情況下的跌落過載可用一個峰值為12 000 g，對應時間為230 μs的曲線模擬，其過載曲線如圖8所示。由于離心保險裝置對稱布置，僅對其中之一進行仿真，材料模型及參數選用同3.1。

仿真結果表明（圖9）危險截面的最大應力為345 MPa，不會發生失效。

3.5 后坐過載對離心保險裝置的影響

整個離心保險裝置嵌在平置的基板內（圖4），同時基板和整個裝置都緊貼在平置固定的底板上（圖10），由于在發生過程中都受同樣的后坐過載，可以認為后坐過載方向沒有相對運動。故后坐過載影響很小。

圖8 1.5m 跌落過載曲線Fig.8 The curve of 1.5mdrop overload

圖9 1.5m 跌落時的von mises應力云圖Fig.9 The von mises stress nephogram under 1.5mfalling

圖10 離心保險裝置緊貼在平置的底板上Fig.10 The centrifugal safe device closes to the horizontal baseboard

3.6 掃頻振動對離心保險裝置的影響

仿真對稱布置的兩個離心保險裝置在5～500 Hz的掃頻振動下的運動情況，振動加速度峰值為5 g［11］。均以背離對稱軸為位移正方向，指向對稱軸為位移負方向，初始位置為0（圖4），得到兩個離心質量塊的位移-頻率曲線圖，分別如圖11（a）、（b）所示。

圖11 兩個離心質量塊的位移-頻率曲線Fig.11 The displacement-frequency curve of each centrifugal mass

可以看出兩個質量塊的最大位移均為0.024 mm，遠遠小于解除保險的條件（0.3mm），且兩個質量塊在同一時刻位移方向一個背離對稱軸，另一個指向對稱軸。故該離心保險裝置不會在振動條件下同時達到解除保險的條件。

3.7 仿真得出不同截面尺寸下的轉速區間

每次更改桿狀彈簧截面厚度0.05mm，在不同尺寸下進行仿真，得到圖12曲線。

圖12 桿狀彈簧厚度與解除保險轉速曲線Fig.12 The curve of the thickness of the rod spring and remove safe speed

可以看出，可安全解除保險的轉速與桿狀彈簧截面厚度基本呈線性關系。改變桿狀彈簧厚度，可以適用于不同的轉速條件。

4 結論

本文設計了桿狀彈簧質量塊MEMS離心保險裝置。該裝置由成對布置的桿狀彈簧質量塊構成，桿狀彈簧采用鎳為材料，準LIGA 技術制造，一端為帶卡銷的方形質量塊，另一端為彎角卡頭，擠入基板的縫隙內，形成卡銷鎖住隔爆滑塊的初始狀態。在離心力作用下質量塊彎曲彈簧釋放隔爆滑塊。仿真結果表明該裝置在彈丸轉速36r／s以上解除保險，滿足某中大口徑榴彈所要求的離心解除保險轉速閾值；設計基板邊框留給質量塊最大位移為0.430 mm，在大裝藥炮口轉速遠大于設置的解除保險閾值時，該裝置不會損壞；且該裝置在1.5 m 跌落時不會發生時效；掃頻振動時兩個離心保險裝置都不會松開隔爆滑塊。進一步仿真得到了桿狀彈簧不同結構尺寸下解除保險所需轉速，可為以后類似結構的設計提供參考。

［1］陳慶生.引信設計原理［M］.北京：國防工業出版社，1986.

［2］王釗.典型引信MEMS微彈簧可靠性研究［D］.太原：中北大學，2012.

［3］田中旺，趙旭，宋永強，等.改善強度的MEMS隔爆裝置懸臂梁和卡頭［J］.探測與控制學報，2011，33（5）：1-4.

［4］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.

［5］李艷橋.微機電引信安全與解除保險裝置結構設計［D］.南京：南京理工大學，2010.

［6］Walter H Maurer，Gabriel H Soto，David R Hollingsworth.Method for utilizing a MEMS safe and arm device for microdetonation：US，7007606B1［P］.2006-03-07.

［7］Allameh S M.Lou J Kavishe F.An investigation of fatigue in LIGA Ni MEMS thin films［J］.Materials Science and Engineering，2004（A371）：256-266.