王儒文，鄒振游，黃中雨，葉迎華

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氣動(dòng)-機(jī)械微安保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

王儒文，鄒振游，黃中雨，葉迎華

（南京理工大學(xué)，江蘇南京，210094）

針對(duì)新型火工品的微型化、可靠性要求，設(shè)計(jì)了一種氣體驅(qū)動(dòng)的機(jī)械微安保結(jié)構(gòu)，對(duì)其核心的機(jī)械安保層進(jìn)行了靜力學(xué)仿真，確定微彈簧最佳加工材料為65Mn彈簧鋼，線寬為0.2mm時(shí)微彈簧解除保險(xiǎn)所需的理論壓強(qiáng)為4.3MPa。通過(guò)微加工技術(shù)，制作了原理樣機(jī)，并測(cè)試其性能。結(jié)果表明樣機(jī)可以成功解除保險(xiǎn)，并實(shí)現(xiàn)安保功能。

安保結(jié)構(gòu)；氣動(dòng)；微機(jī)械；靜力學(xué)仿真；性能測(cè)試

為了適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜使用環(huán)境的要求，基于微機(jī)電加工技術(shù)[1]，將微電子、微機(jī)械和微爆炸序列等集成，可將安保芯片內(nèi)嵌集成到火工品中，不僅實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換與起爆，而且將賦予新一代火工品更多的功能[2]。本文主要研究一種可以內(nèi)嵌集成到火工品中的安保芯片，以微彈簧卡銷(xiāo)為核心，設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)機(jī)械微安保結(jié)構(gòu)，對(duì)其解除保險(xiǎn)的過(guò)程進(jìn)行了靜力學(xué)仿真，以確定微彈簧材料、尺寸以及對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)，并且對(duì)制作的樣機(jī)進(jìn)行了功能測(cè)試和可行性實(shí)驗(yàn)，從而確定點(diǎn)火藥種類(lèi)和劑量，為火工品安保一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 微安保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)火工品安保一體化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理[3]，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)包括點(diǎn)火層、機(jī)械安保層、輸出裝藥層3個(gè)部分。點(diǎn)火層包括兩個(gè)平面點(diǎn)火器，一個(gè)用來(lái)加熱點(diǎn)燃產(chǎn)氣藥以解除機(jī)械保險(xiǎn)，一個(gè)用來(lái)點(diǎn)燃一級(jí)點(diǎn)火藥，并在該層中裝填解除機(jī)械保險(xiǎn)所需的產(chǎn)氣裝藥和較為敏感的一級(jí)點(diǎn)火藥。機(jī)械安保層用于實(shí)現(xiàn)微型傳爆序列的隔斷和對(duì)正狀態(tài)，即在安全狀態(tài)下隔斷微型傳爆序列，使其不連續(xù)；在需要發(fā)火時(shí)，使原本隔斷的火工序列對(duì)正，實(shí)現(xiàn)安保結(jié)構(gòu)解除保險(xiǎn)的功能。輸出裝藥層實(shí)現(xiàn)對(duì)下一級(jí)裝藥的能量輸出功能。

1.2 點(diǎn)火序列設(shè)計(jì)

通過(guò)控制整個(gè)點(diǎn)火序列的隔斷/對(duì)正來(lái)實(shí)現(xiàn)其安保功能，在結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)時(shí)需要隔斷敏感的一級(jí)裝藥與鈍感的輸出裝藥的傳爆通道，即斷開(kāi)傳爆序列，而當(dāng)收到解除保險(xiǎn)命令后要求火工序列對(duì)正且連續(xù)，使其處于待發(fā)火狀態(tài)。本文結(jié)合火工品安保一體化的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種錯(cuò)位式隔斷結(jié)構(gòu)[4]，圖1為安保層從安全狀態(tài)到解除保險(xiǎn)后的錯(cuò)位式隔斷工作原理示意圖。

圖1 安保層的工作原理示意圖

1.3 機(jī)械安保層設(shè)計(jì)

機(jī)械安保層采用可移動(dòng)的滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)火工序列從隔斷到對(duì)正的功能：當(dāng)處于安全狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)滑塊通過(guò)卡銷(xiāo)鎖死，防止其意外解除保險(xiǎn)；當(dāng)解除保險(xiǎn)后要求可移動(dòng)滑塊固定到使微型傳爆序列對(duì)正的位置，保證傳爆序列對(duì)正連續(xù)從而確保其作用的可靠性。

綜合上述要求，本文采用微彈簧為致動(dòng)機(jī)構(gòu)，并結(jié)合氣體微驅(qū)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械安全保險(xiǎn)的功能。其作用過(guò)程為：未解除保險(xiǎn)前帶有預(yù)壓縮微彈簧的滑塊通過(guò)卡銷(xiāo)鎖死，使其處于安全狀態(tài)；接收到解除保險(xiǎn)指令后，點(diǎn)火裝藥層中的平面點(diǎn)火器點(diǎn)燃產(chǎn)氣藥劑使其快速反應(yīng)產(chǎn)生氣體，推動(dòng)卡銷(xiāo)從而解除保險(xiǎn)，滑塊在微彈簧彈力的作用下運(yùn)動(dòng)到位，火工序列對(duì)正，成功解除保險(xiǎn)，處于待發(fā)火狀態(tài)。機(jī)械安保層的作用原理示意圖如圖2所示。

1.4 微彈簧及卡銷(xiāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微彈簧是機(jī)械安保層的機(jī)械驅(qū)動(dòng)源，帶微彈簧的滑塊結(jié)構(gòu)決定了機(jī)械解除保險(xiǎn)的難易程度，所設(shè)計(jì)的微彈簧彈力太大，則用來(lái)推動(dòng)卡銷(xiāo)解除保險(xiǎn)的產(chǎn)氣藥劑裝藥量將增大，從而所需要的裝藥空間將增大，影響安保結(jié)構(gòu)的小型化；若所設(shè)計(jì)的彈簧彈力太小，卡銷(xiāo)不足以將其鎖死，將增大其意外發(fā)火的可能性，影響其安全可靠性。

考慮到結(jié)構(gòu)的小型化問(wèn)題，在達(dá)到相同的作用效果情況下，平面微彈簧相比于立體結(jié)構(gòu)的螺旋形微彈簧更節(jié)省空間，更易于裝配。因此采用平面微彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為機(jī)械驅(qū)動(dòng)源。初步設(shè)計(jì)了兩種用于機(jī)械安保層的微彈簧結(jié)構(gòu)，線寬分別為0.2mm和0.4mm，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

（a）安全狀態(tài) （b）解除保險(xiǎn)狀態(tài)

圖2 機(jī)械安保層結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of the mechanical security layer

（a）0.2mm線寬 （b）0.4mm線寬

圖3 兩種微彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Schematic diagram of two kinds of micro spring

平面微彈簧結(jié)構(gòu)包括微彈簧單元、裝配時(shí)用于固定的T型頭，以及安全狀態(tài)時(shí)與卡銷(xiāo)鎖死的卡頭、傳爆裝藥藥室。機(jī)械安保層采用微型氣動(dòng)/機(jī)械聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)解除保險(xiǎn)功能，卡銷(xiāo)采用轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用氣體推動(dòng)卡銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)從而解除卡銷(xiāo)對(duì)微彈簧的鎖定，卡銷(xiāo)與微彈簧卡頭裝配處為圓弧狀設(shè)計(jì)，卡銷(xiāo)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 卡銷(xiāo)結(jié)構(gòu)示意圖

框架層用來(lái)裝配機(jī)械安保層中微彈簧和卡銷(xiāo)，框架層設(shè)計(jì)有T型槽、卡銷(xiāo)柱、產(chǎn)氣通道、外接電源通道、圓形通孔、卡口。T型槽與微彈簧T型頭匹配用于固定微彈簧一端；卡銷(xiāo)柱與卡銷(xiāo)匹配形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；產(chǎn)氣通道為產(chǎn)氣藥產(chǎn)生氣體后的流動(dòng)通道，氣體推動(dòng)卡銷(xiāo)解除保險(xiǎn)?？蚣軐拥慕Y(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 框架層結(jié)構(gòu)示意圖

2 微機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真

該安保結(jié)構(gòu)采用電點(diǎn)火橋加熱并點(diǎn)燃產(chǎn)氣藥劑產(chǎn)生氣體來(lái)推動(dòng)卡銷(xiāo)解除保險(xiǎn)，為了確定臨界裝藥量，需要對(duì)機(jī)械安保層的解保過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到解除保險(xiǎn)所需要的推力臨界值，從而選擇合適的產(chǎn)氣藥量。本文采用ANSYS Workbench 15.0軟件對(duì)機(jī)械安保層的解保情況進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析[5]。

2.1 機(jī)械安保層模型簡(jiǎn)化與建立

對(duì)機(jī)械安保層的模型進(jìn)行受力分析可知：彈簧主要受到框架對(duì)它向上的支持力、卡銷(xiāo)對(duì)它向下的支持力以及裝藥層的摩擦力；卡銷(xiāo)主要受到產(chǎn)氣藥產(chǎn)生的推力、彈簧對(duì)它的彈力、隔板對(duì)它的支持力和摩擦力以及與裝藥層的摩擦力。

對(duì)模型進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：忽略裝藥層對(duì)卡銷(xiāo)和彈簧產(chǎn)生的摩擦力，并假設(shè)產(chǎn)氣藥產(chǎn)生的推力是快速均勻不變的；卡銷(xiāo)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中框架對(duì)它的摩擦力是均勻的。已知彈簧壓縮位移為彈簧裝配到機(jī)械安保中時(shí)壓縮量，將框架層簡(jiǎn)化成一個(gè)固定的滑塊；卡銷(xiāo)受到框架對(duì)它的摩擦力以及轉(zhuǎn)動(dòng)約束、彈簧對(duì)它的彈力，通過(guò)求解模型可得到解除卡銷(xiāo)保險(xiǎn)所需的理論推力臨界值，模型的受力分析如圖6所示。

2.2 機(jī)械安保層建模求解與結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)彈簧和卡銷(xiāo)的受力模型進(jìn)行建模求解，其中帶滑塊微彈簧的待選材料有結(jié)構(gòu)鋼、65Mn彈簧鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金，而卡銷(xiāo)和框架層則采用結(jié)構(gòu)鋼為材料。由于Ansys軟件的材料庫(kù)中缺少65Mn彈簧鋼材料參數(shù)，因此需要對(duì)其進(jìn)行自定義。65Mn彈簧鋼材料的參數(shù)如表1所示。

圖6 模型的受力分析圖

表1 65Mn彈簧鋼材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of 65 manganese spring steel

分別以結(jié)構(gòu)鋼、65Mn彈簧鋼、銅合金、鋁合金、鈦合金為微彈簧材料，對(duì)圖3中所示的兩種不同的微彈簧結(jié)構(gòu)的微機(jī)械安保進(jìn)行仿真分析，得到相應(yīng)的云圖并生成仿真報(bào)告，具體結(jié)果如表2所示。

表2 機(jī)械安保層仿真分析結(jié)果

Tab.2 Simulation analysis results of mechanical security layer

圖7中是當(dāng)微彈簧材料為65Mn彈簧鋼時(shí)，彈簧/滑塊框架和卡銷(xiāo)仿真得到的位移云圖、力云圖以及微彈簧對(duì)卡銷(xiāo)作用力大小隨時(shí)間的變化曲線圖。由仿真結(jié)果可知：（1）對(duì)于線寬相同的微彈簧而言，材料不同解除保險(xiǎn)所需力不同。采用鋁合金時(shí)所需推力最小，65Mn彈簧鋼和結(jié)構(gòu)鋼相當(dāng)，綜合考慮到材料的抗屈服強(qiáng)度等性能，微彈簧結(jié)構(gòu)選用65Mn彈簧鋼為材料。（2）在彈簧材料相同時(shí)，線寬越小，解除保險(xiǎn)所需的力越小，越容易解除保險(xiǎn)。（3）選擇65Mn彈簧鋼為微彈簧材料時(shí)，解除機(jī)械保險(xiǎn)的動(dòng)力臨界值為4.3MPa。

圖7 仿真結(jié)果示意圖

3 微安保樣機(jī)制作和功能驗(yàn)證

3.1 材料選擇

根據(jù)仿真結(jié)果，選用經(jīng)過(guò)綠油處理的環(huán)氧板作為點(diǎn)火層材料，石英玻璃為輸出裝藥層材料，機(jī)械安保層中的卡銷(xiāo)和外圍框架則選用結(jié)構(gòu)鋼。帶滑塊微彈簧是微機(jī)械安保層的核心部件，安全狀態(tài)時(shí)預(yù)壓縮裝配于框架層中，卡銷(xiāo)解除保險(xiǎn)時(shí)在彈性作用下恢復(fù)原狀。這就要求帶滑塊微彈簧所選用的材料不僅要有彈性還要求抗屈服強(qiáng)度大，靜力學(xué)仿真結(jié)果表明65Mn彈簧鋼最適合用作微彈簧材料。

3.2 樣機(jī)部件裝配

采用精密機(jī)械加工的方法制作安保芯片的各個(gè)部件，為了便于實(shí)驗(yàn)，采用螺絲將各個(gè)部件層裝配到一起，實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 樣機(jī)實(shí)物圖

3.3 樣機(jī)性能測(cè)試

輸入裝藥層中有兩個(gè)藥室，一個(gè)用于微傳爆序列中點(diǎn)燃微彈簧滑塊中的傳爆裝藥，一個(gè)用于產(chǎn)生氣體解除卡銷(xiāo)保險(xiǎn)。在常用產(chǎn)氣藥中，黑火藥對(duì)火焰敏感，在一個(gè)大氣壓下能很好地按平行層燃燒，且燃燒時(shí)生成大量氣體[6]，因此本文中選擇黑火藥用作卡銷(xiāo)解鎖藥劑。用瑪瑙研缽將黑火藥研磨成細(xì)粉，在70℃下烘干2h，稱(chēng)取5mg黑火藥裝于輸入裝藥層的產(chǎn)氣藥室內(nèi)，將點(diǎn)火裝藥層、機(jī)械安保層和輸出裝藥層封裝好。用直徑為0.1mm的鎳鉻熱絲點(diǎn)火，電阻為8.2Ω，在15V直流電壓作用下，點(diǎn)燃黑火藥，黑火藥燃燒產(chǎn)生的氣體推動(dòng)卡銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，解除對(duì)預(yù)壓縮微彈簧的鎖定，滑塊運(yùn)動(dòng)到位，火工序列由錯(cuò)位隔斷轉(zhuǎn)換成對(duì)正連續(xù)，實(shí)現(xiàn)解除保險(xiǎn)功能。重復(fù)試驗(yàn)5次，均成功解除保險(xiǎn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，該氣動(dòng)微安保結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在原理上是可行的。

4 結(jié)論

（1）本文以微彈簧卡銷(xiāo)為核心，設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)機(jī)械微安保結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)分為點(diǎn)火層、機(jī)械安保層和輸出裝藥層，驗(yàn)證了功能。（2）通過(guò)ANSYS仿真軟件對(duì)機(jī)械安保層進(jìn)行靜力學(xué)仿真模擬，得出微彈簧最佳加工材料為65Mn彈簧鋼，且在線寬為0.2mm時(shí)微彈簧解除保險(xiǎn)所需的理論壓強(qiáng)為4.3MPa，仿真模擬有助于選擇器件材料和產(chǎn)氣藥藥量。（3）用精密微加工技術(shù)制作了樣機(jī)，選擇黑火藥作為產(chǎn)氣藥，點(diǎn)火解保實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用5mg黑火藥可以成功解除保險(xiǎn)。驗(yàn)證了該氣動(dòng)微安保結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理可行。研究結(jié)果為火工品安保一體化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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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，在讀碩士研究生，主要從事火工品微安保芯片技術(shù)研究。

總裝預(yù)研基金項(xiàng)目（9140A0508413BQ02074）。