應用于機電式引信安全系統的壓電驅動器的設計

佟雪梅，王炅，王新杰，唐玉娟

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

應用于機電式引信安全系統的壓電驅動器的設計

佟雪梅，王炅，王新杰，唐玉娟

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

針對傳統引信安全系統受機械機構本身固有特性限制，通用性差，難以充分利用各種環境信息的問題，提出了利用近年來頗受關注的壓電驅動器來驅動隔爆機構，以解除保險的安全與解除保險裝置。根據安全與解除保險裝置的尺寸要求，借助ANSYS對壓電驅動器進行詳細的設計。并以所設計的驅動器為基礎，分析了運用壓電驅動器的引信安全與解除保險裝置的優勢及存在的問題。

引信；安全與解除保險裝置；壓電驅動器；模態分析

0 引言

引信技術向來具有良好的包容性，越來越多的新材料新技術不斷的應用其中。傳統的安全與解除保險裝置一般為機械式的，承擔了感受慣性力和執行保險邏輯兩種功能，其利用環境力解除保險并使隔爆部件運動到位，以此實現引信由保險狀態向解除保險狀態的轉變[1]。此種安全與解除保險裝置由于受到機械機構本身固有特性的限制，難以充分利用各種環境信息解除保險，在一些新技術彈藥中通用性不強。因此，機電式引信安全系統成為發展的主流，而機電式引信安全系統的發展更為新技術新材料的引入提供了空間。

壓電驅動器是運用壓電材料的逆壓電效應，激發彈性體的微幅振動，并通過定、動子之間的摩擦作用將振動轉換成動子的運動，輸出功率，驅動負載的機構[2-3]。近幾十年來，壓電驅動器在精密驅動和精密定位領域取得了廣泛的應用，國內外的相關研究也越來越多。壓電驅動器具有結構緊湊、設計靈活、響應快，位置與速度控制性好，不受磁場干擾等優點[4-5]。鑒于壓電驅動器的以上優勢，基于壓電驅動器所設計的安全與解除保險裝置，容易實現體積的微小型化，并可根據需要設計不同的結構和尺寸。可

見，壓電驅動器在引信中的應用相對靈活，具有良好的前景。

1 壓電驅動器的結構及原理

1.1 壓電驅動器的結構

壓電驅動器的工作模態，定子的一階縱振提供驅動面質點y方向的往復運動，二階彎振提供驅動面質點x方向上的往復運動。從運動學可知，若一個質點以同一頻率在相互垂直的兩個方向上振動時，則質點的運動軌跡是一個橢圓。在設計定子時，使一階縱振和二階彎振頻率基本達到一致，就能在定子的驅動面上合成橢圓運動，橢圓運動的水平分量提供動子的平動速度，再通過定子和動子間的摩擦作用，輸出運動和力。

文中設計的壓電驅動器為直線駐波型壓電驅動器，主要由定子和動子組成。定子可近似為一個矩形薄板，由定子基體、兩塊壓電陶瓷和兩個楔塊組成，結構如圖1(a)所示。動子為一個L形滑塊，如圖1(b)所示，其沿固定軌道做直線運動。定子的驅動足與動子接觸，動子和定子兩者間施加一定的預壓力，使定子和動子能夠有效的摩擦接觸，以傳遞速度和力。

圖1 定子、動子結構

1.2 壓電驅動器的原理

文中設計的壓電驅動器的基本原理是利用逆壓電效應，將壓電陶瓷和金屬材料復合成一個彈性體作為定子，通過施加電壓信號，使定子產生超聲波頻段內的微幅振動，并在定子表面特定區域形成質點的特定軌跡運動，將轉子(動子)與定子壓緊，通過兩者摩擦作用將微觀振動轉換成轉子(動子)的宏觀旋轉(直線)運動，輸出功率，驅動負載。在此，選取定子的一階面內縱向伸縮振動模態和二階面內彎曲振動模態作為壓電驅動器的工作模態，定子的一階縱振提供驅動面質點y方向的往復運動，二階彎振提供驅動面質點x方向上的往復運動。從運動學可知，若一個質點以同一頻率在相互垂直的兩個方向上振動時，則質點的運動軌跡是一個橢圓。在設計定子時，使一階縱振和二階彎振頻率基本達到一致，就能在定子的驅動面上合成橢圓運動，橢圓運動的水平分量提供動子的平動速度，再通過定子和動子間的摩擦作用，輸出運動和力。

1.3 橢圓軌跡的形成過程

壓電驅動器能夠運動的關鍵是如何形成定子和動子表面質點的橢圓運動，橢圓軌跡的好壞直接影響驅動器的輸出性能[6]。而橢圓軌跡的形成與施加于壓電驅動器電壓信號有直接相關。根據定子表面質點橢圓運動形成的原理，為定子施加相位差為90°的兩相電壓信號，如圖2所示，此時在定子驅動面上形成標準的橢圓軌跡，驅動器的輸出性能最好。在圖2所示的電壓信號下，定子表面橢圓軌跡的形成過程如圖3所示，由a到d為橢圓軌跡的一個周期。

圖2 兩相電壓信號

圖3 橢圓軌跡的形成過程

2 定子結構優化設計

2.1 定子材料參數

在定子的模態分析中，需要對材料的參數進行設置對于文中涉及的壓電陶瓷，其材料參數如下：

a) 柔度系數矩陣

b) 壓電應力常數矩陣

c) 夾持介電常數矩陣

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 定子模態分析

在自由—自由邊界條件下，無法通過解析計算得到彈性體固有共振頻率的精確解，所以需要利用ANSYS對定子進行參數化建模，進行模態分析，以此來分析定子結構的固有振動特性，獲得定子的共振頻率、對應的振型以及振型參數[7]。然后基于模態分析所獲得的數據分析結構優化方向，并制定結構優化目標函數，進行下一步優化設計。

定子模態分析結果如圖4所示。

圖4 定子模態分析

通過模態分析，得到定子的一階縱振的頻率為81806Hz，二階彎振的頻率為83063Hz，兩相模態頻率差為1257Hz，差值較大，不滿足驅動器設計要求，驅動器表面質點很難形成標準橢圓運動，因此需對定子結構參數進行優化。

2.3 結構參數靈敏度分析

定子的結構參數如圖5所示，陰影部分為壓電陶瓷。

圖5 定子結構參數

從圖5可見，結構參數較多，如對每個參數都進行優化設計勢必會增加工作量，做一些無用功。考慮到各個參數對定子固有頻率的影響不同，因此采取比較各結構參數對工作模態頻率影響的大小，并找出影響較大的參數作為設計變量進行優化設計的方案更加合理。

文中采用對結構參數進行靈敏度分析的方法提取對固有頻率影響較大的參數。在定子優化設計過程中，整個定子共包含10個結構參數：l、l1、l2、l3、l4、l5、a、b、b1、b2，其中l4、l5、b、b2為常量。這樣在優化設計中的變量就只有l、l1、l2、l3、a、b1六個結構參數。采用單一變量法進行靈敏度分析，結構尺寸每次變化0.1mm，分析結果如圖6及圖7所示，其中橫坐標數字1到6分別代表結構參數l、l1、l2、l3、a、b1。

圖6 一階縱振模態頻率對結構參數的靈敏度

圖7 二階彎振模態頻率對結構參數的靈敏度

由圖6、圖7可知，6個待定結構參數中，一階縱振和二階彎振模態頻率對L的靈敏度最大，對L1的靈敏度較小，對L2的靈敏度最小，所以選定L、a、b1為重點設計變量。

2.4 定子結構參數確定

確定設計變量后，需對結構參數進行詳細設計。經過一系列分析計算，得到一階縱振和二階彎振模態頻率隨各結構參數的變化規律如圖8、圖9及圖10所示。各圖分別顯示了模態頻率隨l、b1、a的變化規律，圖中左側縱坐標標記fE1和fB2折線圖的數值，右側縱坐標標記頻率差Δf折線圖的數值。

圖8 兩相模態頻率及頻率差隨l的變化規律

圖9 兩相模態頻率及頻率差隨b1的變化規律

圖10 兩相模態頻率及頻率差隨a的變化規律

綜合考慮以上各圖的分析結構及將壓電驅動器應用于引信安全與解除保險機構所受到的結構限制，最終確定定子的結構參數如表1所示。

表1 優化前后定子的結構參數 mm

優化設計后，定子兩相工作模態的頻率差如表2所示。由表可知，定子優化后兩相工作模態頻率差大大減小，能夠滿足兩相工作模態頻率一致性設計要求。

表2 參數優化前后兩相工作模態頻率比較

3 壓電驅動器應用于引信安全與解除保險裝置的分析

鑒于壓電驅動器的諸多優點，分析其應用于引信安全系統中的優勢如下：

1) 壓電精密驅動器具有結構設計靈活，轉矩密度大的特點，決定了壓電驅動器是一種易于小型化和多樣化的驅動裝置，滿足引信安全與解除保險裝置結構緊湊，小型化的需求。

2) 壓電驅動器無電磁干擾、可無輸入自鎖、動態響應快、控制性能好等卓越特性，滿足引信無電磁干擾及對隔爆機構的驅動要求，有利于精確控制解除保險時間，提高炮口保險距離的可控性。

3) 以壓電驅動器驅動引信安全與解除保險裝置的隔爆機構(動子)，并以環境傳感器代替機械環境敏感裝置，可充分利用各種環境信息，因此在非旋或微旋彈中具有明顯的優勢。

4) 由于壓電精密驅動器可往復運動，因此應用壓電精密驅動器的引信安全與解除保險裝置可實現待發狀態和安全狀態的可逆轉換。

壓電驅動器在引信安全系統中的應用具有很多的優勢，但是也存在一些問題。目前國內發展比較成熟的壓電驅動器主要是行波型壓電驅動器，而對于駐波型壓電驅動器的研究相對并不很深入；國內對于微小型壓電驅動器的研究較少，輸出性能較難滿足工程應用的要求，仍有待提高。

4 結語

分析了壓電驅動器的原理及運動過程，設計了應用于引信安全與解除保險裝置的壓電驅動器，為之后制作樣機做好了準備工作。通過分析壓電驅動器應用于引信安全系統的優勢，解釋了此方案的可行性及壓電驅動器在引信中的應用前景；同時也提出了將壓電驅動器應用于引信中的一些阻礙。目前，將壓電驅動器應用于引信安全系統的研究處于起步階段，任重而道遠，需要針對不同引信安全系統，研究滿足使用要求的壓電驅動器。

[1] 席占穩,聶偉榮. 電磁驅動的引信MEMS解除保險機構[J]. 探測與控制學報,2009,(05):1-5.

[2] 李玉寶,時運來,趙淳生，等. 高速大推力直線型超聲電機的設計與實驗研究[J]. 中國電機工程學報,2008,28(33):49-53.

[3] 石勝君,陳維山,劉軍考，等. 大推力推挽縱振彎縱復合直線超聲電機[J]. 中國電機工程學報,2010,30(9):55-61.

[4] 許海,趙淳生. 直線超聲電機的發展及應用[J]. 中國機械工程,2003,14(8): 715- 717.

[5] 陳維山,趙學濤,劉軍考，等. 壓電超聲波馬達發展現狀及研究方向[J]. 電機與控制學報,2006,10( 5):498-502.

[6] 趙淳生. 超聲電機技術與應用[M]. 北京:科學出版社,2007.

[7] 曾亮, 沈萌紅, 錢孝華，等. ANSYS在超聲波電機設計中的應用[J]. 機電工程, 2009,26(3):84-86.

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

南京理工大學自主科研專項計劃資助項目(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