張星星，聶偉榮，席占穩(wěn)，唐志成

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

含Z型閉鎖梁的微接電開關(guān)閉鎖機(jī)構(gòu)

張星星，聶偉榮，席占穩(wěn)，唐志成

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

針對引信MEMS接電開關(guān)L型梁閉鎖機(jī)構(gòu)存在的閉鎖不穩(wěn)定被彈開的問題，提出了改進(jìn)后的微接電開關(guān)閉鎖機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)用Z型梁代替了L型閉鎖梁，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定閉鎖的功能。仿真驗(yàn)證表明：在選取了合適的傾斜角之后，該閉鎖機(jī)構(gòu)在3 600 g的后坐載荷下能完成預(yù)期的閉鎖動(dòng)作并能保證閉鎖穩(wěn)定性，在過載環(huán)境下也能確保結(jié)構(gòu)不被破壞。

引信；微接電開關(guān)；閉鎖機(jī)構(gòu)；Z型梁

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)具有微型化、集成化、可大批量生產(chǎn)、成本低廉的特點(diǎn)。MEMS結(jié)構(gòu)的微型化對引信機(jī)構(gòu)的改進(jìn)起著巨大的推動(dòng)作用，為引信的發(fā)展提供了更多的空間［1］?；贛EMS技術(shù)設(shè)計(jì)的接電開關(guān)可以用于中大口徑彈藥引信，閉合后可以接通引信電源并確保電源在復(fù)雜的彈道環(huán)境中都能夠一直處于接通狀態(tài)［2］。因此接電開關(guān)的閉鎖可靠性直接關(guān)系到引信電源系統(tǒng)對供給電路供電的控制。

在之前的微接電開關(guān)發(fā)射模擬試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)同一批加工的成品中有部分開關(guān)在沖擊臺(tái)進(jìn)行沖擊之后沒有實(shí)現(xiàn)閉鎖［3］。對開關(guān)的接電電路特性分析，發(fā)現(xiàn)整個(gè)電路在后坐加載過程中產(chǎn)生過電壓信號又消失。分析原因可知接電開關(guān)在閉鎖之后由于L型閉鎖梁被彈開導(dǎo)致開關(guān)失效。

本文針對此問題，提出了含Z型閉鎖梁的微接電開關(guān)閉鎖機(jī)構(gòu)。

1 接電開關(guān)閉鎖機(jī)構(gòu)的基本分析

接電開關(guān)主要由環(huán)境識(shí)別機(jī)構(gòu)與閉鎖機(jī)構(gòu)組成，圖1為一種典型的接電開關(guān)模型。圖中將環(huán)境識(shí)別機(jī)構(gòu)簡化為彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，閉鎖機(jī)構(gòu)由L型閉鎖梁、鎖頭、柔性止擋梁及固定電極組成。

發(fā)射時(shí)，質(zhì)量塊在后坐力的作用下，克服彈簧阻力后撞擊閉鎖機(jī)構(gòu)中的鎖頭，使L型閉鎖梁發(fā)生彈性形變。緊接著鎖頭與彈性觸頭接觸，同時(shí)L型閉鎖梁形變恢復(fù)，開關(guān)完成閉鎖動(dòng)作。

圖1 典型接電開關(guān)模型Fig.1 Typical inertial switch

對圖1的L型閉鎖梁進(jìn)行受力分析，如圖2。圖（a）中，L型梁A在剛體梁B的反作用力F1作用下產(chǎn)生以O(shè)點(diǎn)為中心的逆時(shí)針力矩M1，所以產(chǎn)生彈性形變，接電開關(guān)閉鎖［4］。圖（b）中，L型梁A與原狀態(tài)相比受到擠壓產(chǎn)生向下的彈簧拉力F4，與梁B對它的作用力F3相平衡，產(chǎn)生以O(shè)點(diǎn)為中心的逆時(shí)針力矩M2，所以L型梁A閉鎖之后很容易在力矩M2的作用下導(dǎo)致被梁B彈開，開關(guān)失效。

圖2 L型閉鎖梁的受力分析Fig.2 Force analysis of L- shaped latching beam

為了更清楚地分析可能存在的問題，利用ANSYS/Workbench有限元分析軟件對圖1所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。建立幾何模型，對整體結(jié)構(gòu)施加發(fā)射環(huán)境下的后坐模擬載荷。從圖3可以看出，在后坐載荷減小后L型閉鎖梁由于兩側(cè)彈簧的彈力作用確實(shí)存在閉鎖被彈開的問題。

圖3 L型梁被彈開的仿真截圖Fig.3 Simulation screenshot of the bounced L-shaped beam

2 含Z型閉鎖梁的閉鎖機(jī)構(gòu)

針對上文描述的L型梁閉鎖后又被彈開的問題，結(jié)合設(shè)計(jì)要求提出了含Z型閉鎖梁的微接電開關(guān)閉鎖機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 Z型梁閉鎖機(jī)構(gòu)Fig.4 Latchingmechanism of Z- shaped beam

與圖1相比，該閉鎖機(jī)構(gòu)同樣采用對稱結(jié)構(gòu)，鎖頭基部與原先結(jié)構(gòu)相比質(zhì)量略微變大，但質(zhì)心位置仍保持不變，更利于撞擊閉鎖；由原來的L型梁變?yōu)閆型梁，增強(qiáng)了閉鎖的穩(wěn)定性。

微接電開關(guān)的閉鎖機(jī)構(gòu)與彈藥彈頭方向一致，在彈藥飛出炮膛的后效期內(nèi)可快速實(shí)現(xiàn)閉鎖，閉鎖后接通引信電源。在彈丸的飛行過程中，若遇到驟變的高載荷沖擊，通過柔性止擋梁的緩沖作用，鎖頭與柔性止擋梁仍保持緊密接觸，同時(shí)Z型梁下端抵在固定端上，受到向上的作用力使之不容易被閉鎖彈簧彈開，引信電源處于接通狀態(tài)；若受到彈丸拐彎時(shí)橫向載荷沖擊，鎖頭兩側(cè)的彈簧能起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，引信電源同樣處于接通狀態(tài)。

3 Z型梁閉鎖機(jī)構(gòu)的仿真驗(yàn)證

利用ANSYS/Workbench有限元分析軟件對Z型梁閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證。整個(gè)模型是基于電鍍鎳材料設(shè)計(jì)的MEMS結(jié)構(gòu)。材料參數(shù)如表1。

表1 鎳材料參數(shù)Tab.1 Nickel material parameters

3.1 Z型梁的靜力學(xué)分析

Z型梁A的實(shí)質(zhì)仍是直梁（圖5），尺寸參數(shù)有：梁的寬度b=0.02 mm，厚度h=0.06 mm，長度l= 0.3 mm，彈性模量E=1.8 GPa。

圖5 Z型梁兩種狀態(tài)下的受力Fig.5 Stress of Z- shaped beam in two state

對Z型梁A建立有限元模型，斜型梁與底梁的銳角α（見圖5）選取三個(gè)不同傾斜角：45°、60°、75°，其余參數(shù)保持不變。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，在彈性范圍內(nèi)選取靜力F=0.01 N，梁A的上端固定，F(xiàn)垂直于作用面。

表2 不同傾斜角的Z型梁仿真結(jié)果Tab.2 The simulation results of Z- shaped beam with different tilt angle

從表2的仿真結(jié)果可以看出，隨著傾斜角的增大，X軸的軸向位移在變大，但Y軸軸向位移會(huì)變小。梁的最大應(yīng)力也隨傾斜角變大而變大。因此在圖4的閉鎖結(jié)構(gòu)中，相同條件下傾斜角越大整體結(jié)構(gòu)越容易實(shí)現(xiàn)閉鎖，但是危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力不能大于鎳材料的屈服應(yīng)力極限，相反若傾斜角過小，會(huì)造成Z型梁橫向尺寸偏大。所以最終確定Z型梁的傾斜角為63°。Z型梁的受力云圖如圖6所示。

3.2 閉鎖機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

本文以中大口徑的火炮彈藥作為應(yīng)用對象，正常發(fā)射時(shí)加速度的幅值在1 000～30 000 g之間。在忽略炮膛對彈丸飛行的影響條件下，后效期的時(shí)間在0.9～10 ms之間。結(jié)合設(shè)計(jì)要求對該后坐加載進(jìn)行簡化并采用半正弦擬合，確定正常發(fā)射的后坐載荷脈沖為3 600 g。

圖6 Z型梁受力位移云圖Fig.6 Displacement contours of the latching beam subiecting to loads

將建立好的Z型梁閉鎖機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS/Workbench有限元分析軟件，對結(jié)構(gòu)施以3600 g的發(fā)射環(huán)境下的后坐模擬載荷，分析其仿真結(jié)果。在該環(huán)境下得到撞擊質(zhì)量塊位移圖和閉鎖機(jī)構(gòu)鎖頭位移圖，如圖7所示。

圖7 撞擊質(zhì)量塊和閉鎖機(jī)構(gòu)鎖頭位移曲線Fig.7 Change curve of displacement of the hitting mass and the locking end

從圖7可知，在t=0.439ms時(shí)，撞擊質(zhì)量塊與閉鎖機(jī)構(gòu)相撞，此時(shí)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)位移為y1=0.5495 mm，閉鎖機(jī)構(gòu)鎖頭的位移為y2=0.0895 mm。碰撞之后閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖，鎖頭與柔性止擋梁接觸。由于后坐加速度仍在不斷加大，質(zhì)量塊回彈之后仍會(huì)撞擊閉鎖鎖頭，從圖中可以看出質(zhì)量塊在撞擊3次之后趨于穩(wěn)定，后坐加速度慢慢減小后質(zhì)量塊開始回落。同時(shí)，閉鎖鎖頭與柔性止擋梁也經(jīng)歷類似的過程，在t=0.897 ms時(shí)，閉鎖機(jī)構(gòu)穩(wěn)定閉鎖，此時(shí)鎖頭運(yùn)動(dòng)保持在位移y=0.0829 mm。

在正常發(fā)射加速度3 600 g加載完成后，開關(guān)的閉鎖圖如圖8所示，可看出接電開關(guān)閉鎖穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)再次彈開的情況。

圖8 接電開關(guān)閉鎖位置Fig.8 Final latching position of the inertial switch

開關(guān)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖9，接電開關(guān)在t= 0.4 ms附近產(chǎn)生最大應(yīng)力，危險(xiǎn)截面出現(xiàn)在Z型梁的根部，開關(guān)的最大應(yīng)力σmax=1.57 GPa，小于σb= 1.81 GPa，開關(guān)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定閉鎖。在t=0.7 ms之后，開關(guān)應(yīng)力呈現(xiàn)規(guī)律的上下波動(dòng)，此刻最大應(yīng)力在底部質(zhì)量塊兩側(cè)的彈簧上。

圖9 接電開關(guān)最大應(yīng)力變化曲線Fig.9 The maximum stress curve of the inertial switch

在過載環(huán)境加速度30 000 g作用下，開關(guān)的質(zhì)量塊撞擊閉鎖機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)閉鎖。開關(guān)的最大應(yīng)力σm=1.681 GPa，小于σb=1.81 GPa，如圖10所示。結(jié)構(gòu)在高過載情況下未發(fā)生破壞，因此該接電開關(guān)可以承受高過載。

圖10 接電開關(guān)過載應(yīng)力變化曲線Fig.10 The overload stress curve of the inertial switch

4 結(jié)論

本文提出了含Z型閉鎖梁的微接電開關(guān)閉鎖機(jī)構(gòu)，有效地避免了后坐載荷消失后開關(guān)失效的情形，使得機(jī)構(gòu)閉鎖變得更穩(wěn)定。通過有限元仿真研究了Z型梁的傾斜角對結(jié)構(gòu)的影響，并驗(yàn)證了Z型梁閉鎖機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)快速閉鎖并穩(wěn)定接觸的功能。

下一步還需要繼續(xù)利用加工完成的實(shí)驗(yàn)品建立相應(yīng)的測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測試該接電開關(guān)的運(yùn)動(dòng)特性、電特性，并分析其性能特點(diǎn)。

［1］牛蘭杰，施坤林，趙旭，等.微機(jī)電技術(shù)在引信中的應(yīng)用［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2008，30（6）：54-59.

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［4］程建建，聶偉榮，席占穩(wěn)，等.微慣性開關(guān)L型閉鎖梁分析［J］.MEMS與傳感器，2013，50（3）：172-176.

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Micro Inertial Switch with Z-shaped Latching Beam

ZHANG Xingxing，NIE Weirong，XI Zhanwen，TANG Zhicheng
（College of Mechanical Engineering，Naniing University of Science and Technology，Naniing 210094，China）

Aiming at the problem in the bounced latching of the L-shaped latching beam for the MEMS latching structure，a new locking mechanism of the micro inertial switch with the Z-shaped latching beam was presented in this paper.The mechanism took the place of the L-shaped beam with the Z-shaped beam.The switch could stably and expeditiously finish latching.The finite element simulation of the new mechanism showed that，after selecting the appropriate tilt angle，the mechanism could complete the expected locking action in 3 600 g backloading and ensured contact stably when locked，and even in the overload environment the mechanism would not be destroyed.

fuze；micro inertial switch；locking mechanism；Z-shaped beam

TJ430

A

1008-1194（2015）05-0018-04

2015-03-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51475245）

張星星（1991—），男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：xingrui91@163.com。