典型引信环境力对压电驱动器的影响研究

唐玉娟，王 炅

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

引信是利用环境信息、目标信息或平台信息，确保弹药勤务和弹道上的安全，按预定策略对弹药实施起爆控制的装置［1］。引信安全系统是引信中为确保平时及使用中安全而设计的，主要包括对爆炸序列的隔爆、对隔爆机构的保险和对发火控制系统的保险等，安全系统在引信中占有重要地位［2］。随着引信技术的发展，对安全系统的要求逐渐提高，如冗余保险、远距离解除保险等。传统的机械式安全系统利用发射过程中的惯性力解除保险［3］，如利用曲折槽后坐保险机构获得一定的延期解除保险距离，利用被保险零件在爬行力作用下运动到位需要一定时间来实现远距离解除保险;火药延期机构、无返回力钟表机构延期和电子定时延期也是传统延期实现远距离解除保险的重要选择。其中机械式解除保险的过程难以精确控制，长期贮存延期药剂的理化性能和钟表机构的机械性能有可能发生变化，直接影响延时的准确性［4］，从而导致引信解除保险距离不精确，影响炮口保险性能。文中提出一种压电精密驱动器作为机电式安全系统解除保险的作功元件，其解除保险的动作过程速度可调，可根据不同的炮口保险距离指标设定驱动器动作速度，控制解除保险时间，从而实现炮口保险距离的可控。引信全寿命周期内作用的环境因素很多，驱动器能否承受这些因素的危害是其能否正常工作的前提，文中对勤务处理和发射过程中典型的环境力对压电驱动器的影响进行了分析，并给出了计算结果。

1 压电驱动器运动机理

压电驱动器的基本工作原理是利用压电材料的逆压电效应，激发定子弹性体在超声频段内的微幅振动，并通过定、动子之间的摩擦作用将振动转换成动子的旋转或直线运动，输出功率，驱动负载［5］。文中提出的压电驱动器利用定子弹性体的一阶纵振和二阶弯振作为工作模态，一阶纵振振型函数为:

二阶弯振振型函数为

其中:G2、β2均为常量，l为定子长度，x为定子上任意点到原点的x方向的距离。

一阶纵振使定子两驱动足产生x方向上的往复位移，二阶弯振使定子两驱动足产生y方向上的往复位移，其工作模态的振型图如图1所示，图中实线部分为定子相应振型，虚线为未变形前的定子轮廓。由运动学可知:若一个质点以同一个频率在互相垂直的两个方向振动时，则质点的运动轨迹是一个椭圆。这样驱动足上的质点做循环往复的椭圆运动，通过摩擦力带动动子，使动子产生宏观的运动。

图1 定子工作模态振型Fig.1 Stator woking modes

图2 压电驱动器结构Fig.2 Piezoelectric actuator configuration

压电驱动器结构如图2所示，由动子和定子组成，定子和动子通过预压力紧密接触。定子下端面贴有两片压电陶瓷片，上端面凸出部分为两驱动足;动子下端面的中间凸起部分，起运动限位作用。动子和定子中各有一通孔，用作传火通道:通孔错开时，引信处于隔火状态;通孔对正时，为隔爆机构对正状态。

2 压电驱动器作用方式

2.1 炮口保险距离定义

引信的炮口保险性能，实际上是指引信的解除保险性能。狭义上讲是指炮口保险距离，即引信在此距离范围内不解除保险。而广义上还应包括可靠解除保险距离，即引信在可靠解除保险距离以外引信完全解除保险。在从炮口保险距离到可靠解除保险距离的范围内引信只是部分解除保险，但随着离炮口距离的增加引信的解除保险比率逐渐增大［6］。炮口保险距离和可靠解除保险距离这两项指标是衡量引信安全性和可靠性的重要指标［7］，炮口保险距离通过引信远距离解除保险机构保证和实现，在平时和发射后安全距离内应保证引信中被保险零件处于被控制的保险状态，当弹丸飞到安全距离以外时，释放被保险零件，使其由保险状态迅速变为待发状态。远解机构可保证引信在炮口附近安全，避免意外发火伤及我方人员及装备［8］。

2.2 压电驱动器延期解除保险作用方式

《引信安全性设计准则》要求引信应有一个保险件提供延期解除保险，以保证在规定的所有使用条件下均能达到安全距离要求。文中提出的驱动器用来驱动安全系统中的隔爆机构实现延期解除保险，动子既为隔爆件同时也是驱动器的一部分，使得保险机构更加简单。当探测电路识别到相应的环境信息且符合时序逻辑，控制电路延时一段时间后压电驱动器上电，该时刻为安全和解除保险装置离开安全状态的起点。压电驱动器动子动作过程为引信由安全状态向待发状态过渡的动态过程。动子运动到位为安全和解除保险装置达到待发状态的时刻。控制电路延时和隔爆机构运动过程共同实现引信延期解除保险，具体结构如图3所示。由于驱动器的运动速度可通过调节驱动信号电压、频率或两相相位差来改变，可满足不同的炮口保险性能指标。

图3 压电驱动器驱动的引信隔爆机构Fig.3 Isolating explosion mechanism with piezoelectric actuator

3 引信环境力对压电驱动器的影响

作为弹药“探测与控制”系统的引信，与一般的机械装置和电子设备相比所经历的环境不仅复杂，而且十分恶劣。引信环境是指引信在全寿命周期内可能经受的特定物理条件的总和。驱动器能否承受这些环境因素的危害是其能否正常工作的前提，文中对勤务处理和发射过程中典型的环境力对压电驱动器的影响进行了分析和计算。

3.1 勤务处理中压电驱动器的受力分析

在勤务处理中，引信会受到振动、冲击和撞击。引信零件除受到直接的撞击力外还会受到因振动和冲击所产生的相对于引信体的冲击惯性力。当力的方向与引信零件解除保险运动方向一致时，这些力的危害最大。

图4 压电驱动器跌落受力分析Fig.4 Force analysis of piezoelectric actuator dropping

考虑到压电驱动器的结构，定子和动子通过预压力紧密接触，不通电时定、动子间的静摩擦力充当自锁力。在勤务处理过程中，最不利的一种情况如图4所示，惯性力F与电机自锁力Fl在一条直线上，且作用方向相反。假设勤务处理情况下引信零件由15.25 m高度落向钢板，取其冲击惯性加速度a峰值为12 000 g，持续时间为100 μs，关系曲线如图5所示。仿真计算过程中，定、动子间预压力为 10 N，摩擦系数取 0.5［9］，计算结果如图6所示，图6(a)为动子位移随时间变化的曲线，动子在加速度脉冲信号结束时发生的最大位移为0.3 mm;图6(b)为惯性加速度消失后动子所处位置(黑色轮廓线为动子发生位移前的位置)，可见隔爆机构仍处于安全状态;图6(c)为惯性加速度对压电陶瓷片的影响，陶瓷片最大应力值出现在51.55 μs处，稍滞后于加速度峰值出现时间，为62.1 MPa，压电陶瓷的弯曲强度为 80.91 MPa［10］，证明该机构能够抵抗勤务处理中15.25m高度落向钢板的冲击惯性力。

图5 勤务处理情况下惯性加速度曲线Fig.5 Inertia acceleration curve of dropping during service process

图6 惯性加速度作用结果Fig.6 Inertia acceleration influence results

3.2 弹丸发射高速动态条件下压电驱动器抗过载特性

在弹丸发射过程中，引信内部零件可能受到多种作用力，归纳起来主要包括后坐力、离心力、切线惯性力、哥氏惯性力等。考虑上述作用力引信内部零件在膛内的运动方程为［2］:

式中:m为引信零件的质量;dv'/dt为引信零件轴向运动加速度;s为后坐力c为离心力t为切线惯性力co为哥氏惯性力。

发射时，引信零件所经受三个力 Fs、Fc、Fr的方向见图7。

图7 发射时引信零件受到的力Fig.7 Loads on the fuze part during launch process

其中离心力和后坐力常用做解除保险的环境力，对引信内部零件影响较大，着重考虑这两种力对压电驱动器的构件影响。

3.3 离心力对压电驱动器的影响

弹丸做旋转运动时，质心偏离弹丸转轴的引信零件受到与向心加速度方向相反的惯性力，即为离心力Fc，忽略动子上开孔的影响，假设动子质心在未开孔时结构的对称位置点C处，点O为弹轴位置，l为动子质心与载体转轴的距离，如图8所示。

图8 压电驱动器动子所受离心力示意图Fig.8 Centrifugal force on the slider

解除保险过程，动子向左运动，受到与运动方向相反的离心力Fp作用，初始位置时动子受到的离心力F最大，动子不断向左运动，l逐渐减小，所受离心力逐渐减小，在点C与点O重合处F为0，此后动子继续运动过程中，所受离心力反向，成为动子运动的动力。动子运动到位后由于继续受到离心力的作用，会保持在所在位置而不会滑开。设动子所受的最大离心力Fmax，动子的质量 m=3.024 ×10－4kg，初始位置时 l=2.5 ×10－3m，弹丸转速n为15 000 r/min时

驱动器机械性能测试得到它的最大输出力为2.3 N，满足使用条件。

3.4 后坐力对压电驱动器的影响

3.4.1 理论分析

后坐力是引信解除保险的重要环境力之一，同时也是可能造成引信爆炸元件自炸及零件破坏的主要环境激励。对于一定的火炮、弹丸和发射装药，零件受到的后坐力与膛压成正比，因此零件的运动加速度亦与膛压成正比。引信后坐力Fs、膛压P与时间t的关系曲线如图9所示。一般用最大后座过载系数K1表示零件所受后坐力的猛烈程度。K1为发射时引信零件受到的最大后坐力与该零件重力的比值，表达式为

图9 后坐力Fs、膛压P与时间t的关系曲线Fig.9 Blowback force Fs，chamber pressure Pversus time t

表1 典型的冲击、旋转环境Tab.1 Typical impact and revolve environment

压电驱动器依靠压电陶瓷的激励工作，压电陶瓷是压电驱动器的核心部件，其在引信发射过程中抗过载性能十分重要。由于压电陶瓷材料脆性大，韧性低等固有弱点，其能否耐受高过载冲击成为问题的关键。根据引信后坐力Fs与时间t的关系拟合出如图10(a)的后坐加速度与时间关系曲线，峰值取为1.5×105m/s2，即最大后座过载系数 K1=1.5 ×104。

对粘贴有陶瓷片的定子弹性体在Z方向施加图10(a)所示的加速度，Z方向即弹轴方向。在Ansys中计算模型上施加图示后坐加速度时，定子弹性体和压电陶瓷片的受力情况。计算过程中，压电陶瓷与定子弹性体的约束关系为绑定，引信基体的凸台部分跟定子接触为摩擦接触，摩擦系数为0.2［11］。定子弹性体的材料为磷青铜，压电陶瓷采用PZT8，材料参数如表2所示。

表2 材料参数Tab.2 Materials Parameters

图10 仿真分析中的后坐加速度Fig.10 Simulation analysis of blowback acceleration

计算得到压电陶瓷整体的应力分布如图11所示。可以看到压电陶瓷片在靠近引信基体凸台边缘的应力最大，因此定子的安装位置对承受加速度载荷时陶瓷片的承受能力有很大的影响，应避免陶瓷片与引信基体凸台边缘硬接触。压电陶瓷片的应力峰值出现在加速度峰值处，为10.21 MPa，低于压电陶瓷的弯曲强度80.91 MPa［10］，所以压电陶瓷能够承受15 000 g 的后坐加速度冲击。

3.4.2 后坐加速度冲击试验验证

采用AVEX公司冲击试验台，调整冲击台的高度和压强得到不同的冲击加速度，如图12所示，对引信保险机构装配体共做了7次冲击试验，加速度分别为5 031.94 g，6 414.04 g，8 410.89 g，10 688.04 g，12 872.96 g，14 649.19 g，15 911.49 g，冲击加载的步距约为2 000 g。每次冲击试验后，对压电驱动器施加工作电压信号，均能正常工作，证明设计的压电驱动器能够抵抗15 000 g后坐冲击加速度。

图11 压电陶瓷整体的应力分布Fig.11 Total stress distribution of the piezoelectric ceramic

图12 冲击试验Fig.12 Impact test

4 结论

文中提出一种压电精密驱动器作为机电式安全系统解除保险的作功元件，对压电精密驱动器的运动机理进行了分析，给出了压电精密驱动器在引信安全系统中的作用方式。分析了引信在勤务处理和发射过程中的典型环境力对压电驱动器构件的影响，计算得到，压电驱动器在勤务处理中15.25 m高度落向钢板的冲击惯性力的作用下，定动子间的自锁力使得定动子仍保持紧密接触，动子发生位移仅为0.3 mm，引信安全系统仍处于安全状态;在发射动态过程中，压电驱动器输出力为1.87N时可抵抗弹丸转速为15 000 r/min下的离心力而使动子运动到位，实测电机输出力为2.3 N;在1.5×104g的后坐加速度下，压电陶瓷片保持完好无破碎断裂。结果表明，压电驱动器能够承受典型引信环境力的危害，可正常工作，为压电精密驱动器在引信安全系统中的使用提供了理论基础。该方案为炮口保险距离的可控性提供了新思路。

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