气动-机械微安保结构设计与性能测试

王儒文，邹振游，黄中雨，叶迎华



气动-机械微安保结构设计与性能测试

王儒文，邹振游，黄中雨，叶迎华

（南京理工大学，江苏南京，210094）

针对新型火工品的微型化、可靠性要求，设计了一种气体驱动的机械微安保结构，对其核心的机械安保层进行了静力学仿真，确定微弹簧最佳加工材料为65Mn弹簧钢，线宽为0.2mm时微弹簧解除保险所需的理论压强为4.3MPa。通过微加工技术，制作了原理样机，并测试其性能。结果表明样机可以成功解除保险，并实现安保功能。

安保结构；气动；微机械；静力学仿真；性能测试

为了适应未来复杂使用环境的要求，基于微机电加工技术[1]，将微电子、微机械和微爆炸序列等集成，可将安保芯片内嵌集成到火工品中，不仅实现传统的能量转换与起爆，而且将赋予新一代火工品更多的功能[2]。本文主要研究一种可以内嵌集成到火工品中的安保芯片，以微弹簧卡销为核心，设计了一种气动机械微安保结构，对其解除保险的过程进行了静力学仿真，以确定微弹簧材料、尺寸以及对应压强，并且对制作的样机进行了功能测试和可行性实验，从而确定点火药种类和剂量，为火工品安保一体化结构设计提供技术支持。

1 微安保结构设计

1.1 总体结构设计

根据火工品安保一体化结构的设计原理[3]，所设计的结构包括点火层、机械安保层、输出装药层3个部分。点火层包括两个平面点火器，一个用来加热点燃产气药以解除机械保险，一个用来点燃一级点火药，并在该层中装填解除机械保险所需的产气装药和较为敏感的一级点火药。机械安保层用于实现微型传爆序列的隔断和对正状态，即在安全状态下隔断微型传爆序列，使其不连续；在需要发火时，使原本隔断的火工序列对正，实现安保结构解除保险的功能。输出装药层实现对下一级装药的能量输出功能。

1.2 点火序列设计

通过控制整个点火序列的隔断/对正来实现其安保功能，在结构处于安全状态时需要隔断敏感的一级装药与钝感的输出装药的传爆通道，即断开传爆序列，而当收到解除保险命令后要求火工序列对正且连续，使其处于待发火状态。本文结合火工品安保一体化的总体结构，设计了一种错位式隔断结构[4]，图1为安保层从安全状态到解除保险后的错位式隔断工作原理示意图。

图1 安保层的工作原理示意图

1.3 机械安保层设计

机械安保层采用可移动的滑块来实现火工序列从隔断到对正的功能：当处于安全状态时，移动滑块通过卡销锁死，防止其意外解除保险；当解除保险后要求可移动滑块固定到使微型传爆序列对正的位置，保证传爆序列对正连续从而确保其作用的可靠性。

综合上述要求，本文采用微弹簧为致动机构，并结合气体微驱动的联动方式实现机械安全保险的功能。其作用过程为：未解除保险前带有预压缩微弹簧的滑块通过卡销锁死，使其处于安全状态；接收到解除保险指令后，点火装药层中的平面点火器点燃产气药剂使其快速反应产生气体，推动卡销从而解除保险，滑块在微弹簧弹力的作用下运动到位，火工序列对正，成功解除保险，处于待发火状态。机械安保层的作用原理示意图如图2所示。

1.4 微弹簧及卡销结构设计

微弹簧是机械安保层的机械驱动源，带微弹簧的滑块结构决定了机械解除保险的难易程度，所设计的微弹簧弹力太大，则用来推动卡销解除保险的产气药剂装药量将增大，从而所需要的装药空间将增大，影响安保结构的小型化；若所设计的弹簧弹力太小，卡销不足以将其锁死，将增大其意外发火的可能性，影响其安全可靠性。

考虑到结构的小型化问题，在达到相同的作用效果情况下，平面微弹簧相比于立体结构的螺旋形微弹簧更节省空间，更易于装配。因此采用平面微弹簧结构设计作为机械驱动源。初步设计了两种用于机械安保层的微弹簧结构，线宽分别为0.2mm和0.4mm，其结构示意图如图3所示。

（a）安全状态 （b）解除保险状态

图2 机械安保层结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of the mechanical security layer

（a）0.2mm线宽 （b）0.4mm线宽

图3 两种微弹簧结构示意图

Fig.3 Schematic diagram of two kinds of micro spring

平面微弹簧结构包括微弹簧单元、装配时用于固定的T型头，以及安全状态时与卡销锁死的卡头、传爆装药药室。机械安保层采用微型气动/机械联合驱动的方式来实现解除保险功能，卡销采用转动结构设计，利用气体推动卡销旋转从而解除卡销对微弹簧的锁定，卡销与微弹簧卡头装配处为圆弧状设计，卡销结构如图4所示。

图4 卡销结构示意图

框架层用来装配机械安保层中微弹簧和卡销，框架层设计有T型槽、卡销柱、产气通道、外接电源通道、圆形通孔、卡口。T型槽与微弹簧T型头匹配用于固定微弹簧一端；卡销柱与卡销匹配形成一个转动机构；产气通道为产气药产生气体后的流动通道，气体推动卡销解除保险。框架层的结构示意图如图5所示。

图5 框架层结构示意图

2 微机械结构力学仿真

该安保结构采用电点火桥加热并点燃产气药剂产生气体来推动卡销解除保险，为了确定临界装药量，需要对机械安保层的解保过程进行仿真分析，得到解除保险所需要的推力临界值，从而选择合适的产气药量。本文采用ANSYS Workbench 15.0软件对机械安保层的解保情况进行静力学仿真分析[5]。

2.1 机械安保层模型简化与建立

对机械安保层的模型进行受力分析可知：弹簧主要受到框架对它向上的支持力、卡销对它向下的支持力以及装药层的摩擦力；卡销主要受到产气药产生的推力、弹簧对它的弹力、隔板对它的支持力和摩擦力以及与装药层的摩擦力。

对模型进行以下简化：忽略装药层对卡销和弹簧产生的摩擦力，并假设产气药产生的推力是快速均匀不变的；卡销在转动过程中框架对它的摩擦力是均匀的。已知弹簧压缩位移为弹簧装配到机械安保中时压缩量，将框架层简化成一个固定的滑块；卡销受到框架对它的摩擦力以及转动约束、弹簧对它的弹力，通过求解模型可得到解除卡销保险所需的理论推力临界值，模型的受力分析如图6所示。

2.2 机械安保层建模求解与结果分析

通过对弹簧和卡销的受力模型进行建模求解，其中带滑块微弹簧的待选材料有结构钢、65Mn弹簧钢、铜合金、铝合金、钛合金，而卡销和框架层则采用结构钢为材料。由于Ansys软件的材料库中缺少65Mn弹簧钢材料参数，因此需要对其进行自定义。65Mn弹簧钢材料的参数如表1所示。

图6 模型的受力分析图

表1 65Mn弹簧钢材料参数

Tab.1 Material parameters of 65 manganese spring steel

分别以结构钢、65Mn弹簧钢、铜合金、铝合金、钛合金为微弹簧材料，对图3中所示的两种不同的微弹簧结构的微机械安保进行仿真分析，得到相应的云图并生成仿真报告，具体结果如表2所示。

表2 机械安保层仿真分析结果

Tab.2 Simulation analysis results of mechanical security layer

图7中是当微弹簧材料为65Mn弹簧钢时，弹簧/滑块框架和卡销仿真得到的位移云图、力云图以及微弹簧对卡销作用力大小随时间的变化曲线图。由仿真结果可知：（1）对于线宽相同的微弹簧而言，材料不同解除保险所需力不同。采用铝合金时所需推力最小，65Mn弹簧钢和结构钢相当，综合考虑到材料的抗屈服强度等性能，微弹簧结构选用65Mn弹簧钢为材料。（2）在弹簧材料相同时，线宽越小，解除保险所需的力越小，越容易解除保险。（3）选择65Mn弹簧钢为微弹簧材料时，解除机械保险的动力临界值为4.3MPa。

图7 仿真结果示意图

3 微安保样机制作和功能验证

3.1 材料选择

根据仿真结果，选用经过绿油处理的环氧板作为点火层材料，石英玻璃为输出装药层材料，机械安保层中的卡销和外围框架则选用结构钢。带滑块微弹簧是微机械安保层的核心部件，安全状态时预压缩装配于框架层中，卡销解除保险时在弹性作用下恢复原状。这就要求带滑块微弹簧所选用的材料不仅要有弹性还要求抗屈服强度大，静力学仿真结果表明65Mn弹簧钢最适合用作微弹簧材料。

3.2 样机部件装配

采用精密机械加工的方法制作安保芯片的各个部件，为了便于实验，采用螺丝将各个部件层装配到一起，实物图如图8所示。

图8 样机实物图

3.3 样机性能测试

输入装药层中有两个药室，一个用于微传爆序列中点燃微弹簧滑块中的传爆装药，一个用于产生气体解除卡销保险。在常用产气药中，黑火药对火焰敏感，在一个大气压下能很好地按平行层燃烧，且燃烧时生成大量气体[6]，因此本文中选择黑火药用作卡销解锁药剂。用玛瑙研钵将黑火药研磨成细粉，在70℃下烘干2h，称取5mg黑火药装于输入装药层的产气药室内，将点火装药层、机械安保层和输出装药层封装好。用直径为0.1mm的镍铬热丝点火，电阻为8.2Ω，在15V直流电压作用下，点燃黑火药，黑火药燃烧产生的气体推动卡销转动，解除对预压缩微弹簧的锁定，滑块运动到位，火工序列由错位隔断转换成对正连续，实现解除保险功能。重复试验5次，均成功解除保险，根据测试结果可知，该气动微安保结构的设计在原理上是可行的。

4 结论

（1）本文以微弹簧卡销为核心，设计了一种气动机械微安保结构，整个结构分为点火层、机械安保层和输出装药层，验证了功能。（2）通过ANSYS仿真软件对机械安保层进行静力学仿真模拟，得出微弹簧最佳加工材料为65Mn弹簧钢，且在线宽为0.2mm时微弹簧解除保险所需的理论压强为4.3MPa，仿真模拟有助于选择器件材料和产气药药量。（3）用精密微加工技术制作了样机，选择黑火药作为产气药，点火解保实验结果表明，采用5mg黑火药可以成功解除保险。验证了该气动微安保结构的设计原理可行。研究结果为火工品安保一体化设计奠定了基础。

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The Design and Performance Testing of A Pneumatic Mechanical S&A Structure

WANG Ru-wen, ZOU Zhen-you, HUANG Zhong-yu, YE Ying-hua

(Nanjing University of Science &Technology, Nanjing, 210094)

According to the requirements of miniaturization and reliability for the new pyrotechnic initiator，a micro mechanical S&A structure driven by gas was designed in this paper. It was proceeded that the static structure simulation of the mechanic S&A layer by the ANSYS Workbench software, the results of the static structural simulation showed that 65 spring manganese steel was the best material of the micro spring, and the critical pressure of mechanic arming was 4.3MPa for the spring with 0.2mm width. The principle prototype was prepared by micro-fabrication technology, and its performance was tested. The results show that the prototype can be successfully removed and achieve security functions.

S&A structure；Pneumatic；Micro mechanic；Static structural simulation；Performance test

1003-1480（2016）05-0010-04

TJ430.3

A

2016-05-18

王儒文（1992-），男，在读硕士研究生，主要从事火工品微安保芯片技术研究。

总装预研基金项目（9140A0508413BQ02074）。