机电一体化引信安全执行机构设计

时间：2024-07-20 12:21:37 机电毕业论文我要投稿

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机电一体化引信安全执行机构设计

　　摘要: 介绍了机电一体化引信安全系统设计的工作原理，分析了隔离机构受力及运动情况，论述了安全系统谐振设计的原理，给出了安全系统性能的主要参数。采用这种设计在导弹的实际使用中，取得了预期的效果。

机电一体化引信安全执行机构设计

　　关键词: 机电一体化; 引信安全; 设计

　　引言导弹引信安全系统的主要作用是为导弹(战斗部) 的保险、解除保险和向战斗部输出引爆能量，它是导弹安全系统和引爆系统中的重要环节。

　　目前国内比较流行的安全系统均为全机械错位式惯性隔离机构，国内大部分型号中使用的安全系统均属于这一类。虽然这类产品工艺比较成熟，但在满足新型号导弹使用要求时，其适应性受到很大的限制，如:钟延时机构和火药延时无法满足新型号导弹灵活多样的特性，在体积、质量和精度上更是无法满足要求。所以，采用机电一体化安全系统的设计，以满足新型导弹武器系统的要求。

　　机电一体化安全系统设计机电一体化安全系统的工作原理:

　　() 利用导弹发射时的过载，使电路工作，同时也使系统处于工作状态;(2) 当导弹二级发动机工作时，第一级机械保险解除，并在电路作用下解除第二道保险(远距离解除保险) ，系统隔离机构开始转换;(3) 当光电检测单元检测到正常信号，则第三道保险解除并使系统处于待爆状态;(4) 若光电检测单元检测到不正常信号，则电路产生信号使机构反向转换，传爆序列处于隔离状态，系统仍处于保险状态。在新型导弹安全系统设计时，设计师们继承了传统设计理论，并采用一些新技术。该机构采用机、电、光一体化设计，使保险零件、保险器、被保险零件均在隔离机构上实现。由于该隔离机构件集环境能源检测、非环境能源检测、保险机构、隔离、光电检测单元、传爆序列等功能于一身，因此该组件在结构和功能上十分复杂，结构精度要求也相当高。但随着加工技术和能力的不断提高，对批量生产这样一个复杂结构体，已不存在任何困难。

　　. 保险机构在安全执行机构设计中，要求不得少于两道相互独立的保险。为了既满足设计要求，又不增加体积和质量，所以设计了三道完全不同功能的保险，且不降低产品的可靠性。

　　a. 惯性机械保险按实际弹上能源发射后保持的过载，设计了一种机械保险，解除保险过载定在不超过导弹过载的一半，其组成部分主要为惯性件和弹簧。

　　在惯性件和其受力确定后，按照解除保险要求的行程，即根据弹簧的刚度，设计了相应的弹簧参数K 为K =Gd48 ND3 ()式中， d 为弹簧钢丝直径，mm; D 为弹簧中径，mm; N 为弹簧有效圈数; G 为材料剪切弹性模量，MPa 。

　　从式() 可以看出:在材料选定后，其他参数仅受到结构尺寸的限制。由于惯性件受力小于5g ，选用的钢丝直径不大于0. 5mm ，而刚度与钢丝直径成4 次方比例关系，故对尺寸精度的要求很高。

　　为了防止弹簧在后处理(如面处理等) 中发生变化，现采用不锈钢丝。经几批产品使用比较，情况远比碳素钢丝好。

　　b. 电作动器保险惯性机械保险在一定程度上受到使用条件的限制，特别是其容易在导弹勤务处理过程中造成误解保。

　　电作动器保险则不存在这种问题，其原理主要是依靠电路作用完成火药燃烧，产生的气体压迫活塞销运动完成结构动作，从而达到保险和解除保险的功能。电作动器的体积为<6. 5mm ×4mm ，并采用密封结构，故用相当少的药量燃烧即能完成要求，且不影响系统其他组成部分的工作和性能。

　　由于电作动器完全由电路驱动，且不受任何弹上环境力影响，故不会因勤务处理中受到的各种环境力而解除保险，从而保证导弹武器的安全。

　　而当导弹发射后，在电路的作用下就能解除电作动器的保险。

　　c. 光电检测单元在设计了上述两个功能完全独立的保险后，另外还使用了光电检测，作为安全系统的最后一道屏障。当安全执行机构的隔离机构开始转动时，即前二道保险解除后，转换机构依靠发动过载工作。

　　若过载正常，则光电检测正常，可使第三道保险解除，传爆序列处于待爆状态;若过载反常，则通过光电组件检测控制，可使隔离机构无法继续进行，系统处于安全(瞎火) 状态。所以，光电检测单元有两个作用:

　　一是完成最终解除保险动作;二是在导弹系统产生故障时，将安全执行机构强制锁在保险状态。

　　. 2 传爆序列及隔爆在本系统中，传爆序列主要是指电镭管起爆，并引爆传爆管，经传爆管能量放大后，再向战斗部输出能量。在结构形式上，仍采用端面2端面的引爆方式。

　　当处于安全状态时，依靠安全系统中的隔离机构将电镭管能量输出端面，与传爆管能量输入端面隔开，同时传爆管的能量输出端面也同战斗部输入端面隔离，形成安全隔爆;当解除保险时，各部分传爆面完全处于端面对端面状态，一旦电镭管起爆，即能在很短时间内引爆战斗部。

　　另外，结构设计时，电镭管与传爆管之间采用2. 5mm 厚的铜板加以隔离，在传爆管与战斗部之间用6mm 铜板进行隔离。

　　经镭管与传爆管可靠启爆、安全隔爆试验，和引信产品的各种地面试验，证明该设计完全能满足导弹使用要求。

　　. 3 总体结构布局该系统是面向便携式导弹设计的，所以基本采用隔离机构在中央，其他辅助机构、部件、电路在其周围的布局。这种方式能充分利用<7mm×37mm 体积，并将各种非关键配套部件与不规则圆弧面按配合方式设计，使有效空间发挥最大作用。

　　2 隔离机构受力及运动情况分析

　　研制安全系统，均离不开对结构件的受力分析。在新安全系统的设计过程中，对隔离机构力的分析尤其重要。在受力分析的基础上，更好地为设计工作提供依据，隔离机构的力学模型如图2 所示。

　　由于安全系统在综合环境能源方面，仍采用导弹发射和二级发动机飞行过载及弹组件等，虽然组件的受力情况比较复杂，但力基本上可归纳到恒定力和线性力，所以分析理论依据时仍保持原设计框架，只是综合性和计算复杂程度提高了许多，故不会给设计工作带来太大的困难。

　　在该保险系统中，其功能集中体现在隔离机构上，当然受力情况也集中体现在组件上，随Δ< 变化的线性力F4 = KΔ<，但在某一已知点上可将F4 看做恒定力，得F = F4bsinβ+ csinβ - μbcosβμ( a - b - c)(3)F3 = F2 - F4 ·( a + b + c) sinβ - μ( a + b - c) cosβμ( a - b - c)(4)F5 = F4asinβ - μbcosβμ( a - b - c)(5)式中， F2 为已知的恒定力; Fx 、Fy 、Fz 为空间力在坐标轴方向上的分力; Mx 、My 、Mz 为空间力对坐标轴的力矩;μ为摩擦系数;α为F2 与X轴的夹角。

　　以上计算仅在某些特殊情况下适用，对该系统的实际运动情况该力系计算仍有不足。为了更好地计算系统的运动情况，在给定条件下和省略某些因素后，可推导出m r < ¨=F4r2r (μα + b + c) sinβu ( a - b - c) -μb ( r - μ) cosβμ( a - b - c)- F2cosα (6)式中， m 为机构的质量; r 为质心相对于Y 轴的半径; < 为机构质心(在平面坐标系中的角度) 的转角。

　　将式(6) 对时间t 二次积分，可得出机构转角与时间的关系。二次积分后产生两个积分常数，并利用系统的起始和终止点确定常数。但该方程是在各种假定因素下得出的，还需要通过实验验证来对理论计算进行修正。不过，从式中可以看出:在F2 、F4 确定后，复杂机构设计集中在对机构质量、重心及结构尺寸的确定，从而使设计工作得以简化。

　　通过对机构的理论计算分析，为该机构结构参数调整、最终状态确定提供了依据，避免了设计中的盲目性。然而，这只是给设计工作提供了参考，不是设计的全部，特别是若不在各种假定条件下，该理论公式将更加复杂。

　　3 安全系统谐振设计

　　在新安全系统进行环境考核时，可发现许多情况与原实验和理论计算相关悬殊，而且绝大部分情况发生在随机振动以后。

　　这主要是由于对随机振动危害性的估计不足而造成的，经过对系统的分析，可发现在对新安全系统小型化设计过程中，会产生许多理论上的点接触和线接触。

　　尽管在受迫振动中受力不大，但经谐振放大后，由此带来的后果却是意想不到的:零件面粗糙度的降低，甚至会产生永久的变形，从而导致实验失败。

　　严格地说，振动系统与系统运动状态成非线性的复杂关系2。考虑到随机振动一般可认为是微小振动，所以在设计过程中，仍作线性化处理。其中的误差，基本在可接受范围内。绝大部分振动均可归为单自由度振动问题，且可不考虑阻尼，所以最终基本都能按下式计算频率f (以下公式不再细化) 为f =Km(7)而对个别多自由度复杂振动的问题，本文仅对谐振频率感兴趣，故用能量法计算。

　　Ek + Ep = 常数式中， Ek 为系统动能; Ep 为系统势能。

　　在设计中，尽可能使系统谐振频率降到20Hz以内，或远大于2000Hz3;另外，在零件设计时应避免点接触和线接触，提高个别零件的面硬度。

　　经过一系列的改进后，该安全系统在以后的试验中，不再因振动造成故障。

　　4 安全系统性能该安全系统可在某新型便携式导弹引信中使用，经实验取得了预期的效果，其主要性能(新旧型号与国外同类产品进行比较) 如所示。

　　由中可看出:在使用新安全系统后，引信综合性能已远远超过老型号产品，且同国外同类先进产品相比，也并不逊色。

　　5 结束语

　　按照上述设计思想和方法，设计的新型安全系统在导弹中运用，现出良好的应用前景。在参加某型号的靶试中，全部几十发引信取得发发成功的好成绩，引信安全系统工作非常可靠有效，未出现任何问题，这主要得益于设计研究工作的系统和完善。

　　参考文献

　　1.梁棠文. 防空导弹引信设计及仿真技术M] . 北京:

　　宇航出版社，995.

　　2 戴诗亮. 随机振动实验技术M] . 北京:清华大学出版社，984.

　　3 鲁守来，卢世济，邱成悌M] . 电子设备结构设计原理. 南京:江苏科学技术出版社，986.