孫誠誠，牛蘭杰，趙 旭，范晨陽

（機(jī)電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

由于在勤務(wù)處理中彈丸可能得到的轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于發(fā)射時的轉(zhuǎn)速，所以離心保險裝置（S＆A）的安全性較好，而且通用性能也較好，故離心保險裝置在旋轉(zhuǎn)彈中應(yīng)用廣泛［1］。相比于小口徑榴彈，中大口徑榴彈轉(zhuǎn)速相對較低，其設(shè)計難度也相對較大。

而目前已有的MEMS安全和解除保險裝置中，離心裝置大都是采用W 形彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的主要缺點是結(jié)構(gòu)尺寸較大，彈簧形變量不均勻，塑性變形明顯等缺點，并且W 形彈簧結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸誤差較大［2］。針對此問題，本文提出桿狀彈簧質(zhì)量塊的離心解除保險裝置。

1 已有離心保險裝置

圖1所示為一種國內(nèi)已有的MEMS安全和解除保險裝置［3］，與彈軸平行放置。其中沒有設(shè)計專門的離心保險裝置，僅以離心力驅(qū)動W 形彈簧質(zhì)量塊的隔爆滑塊作為離心解保條件。由于W 形彈簧幾何尺寸較大，導(dǎo)致整個安全和解除保險裝置空間不足。

圖1 國內(nèi)已有的某MEMS安全和解除保險裝置Fig.1 A kind of MEMS S＆A in China

圖2為圖1 中結(jié)構(gòu)的實測照片，可以發(fā)現(xiàn)，W形彈簧受過載影響時，有明顯的塑性變形，且形變不均勻，沿彈簧徑向變形較為嚴(yán)重［4］，并且由于W 形彈簧結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在大批量生產(chǎn)中較難精確加工［2］。

圖2 W 形彈簧實測照片F(xiàn)ig.2 Photo of the W-shaped spring

圖3所示為兩種美國MEMS S＆A 裝置。左圖結(jié)構(gòu)其基板垂直于彈軸。離心保險件采用W 形彈簧質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，并且單邊布置［5］。右圖結(jié)構(gòu)其基板垂直于彈軸。離心保險件同樣采用W 形彈簧質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)，并且對稱布置［6］。

圖3 兩種美國的MEMS安全和解除保險裝置Fig.3 Two kinds of MEMS S＆A in US

2 桿狀彈簧質(zhì)量塊離心保險裝置

本文針對以上問題，設(shè)計了桿狀彈簧質(zhì)量塊離心保險裝置。如圖4所示，由成對桿狀彈簧質(zhì)量塊構(gòu)成。離心保險裝置以鎳為材料，采用準(zhǔn)LIGA 技術(shù)制造，平置在后底板上，與彈軸垂直放置。桿狀彈簧一端為卡銷和方形質(zhì)量塊，另一端為彎角卡頭，擠入基板的縫隙內(nèi)。形成卡銷鎖住隔爆滑塊的初始狀態(tài)。在受離心力作用時，質(zhì)量塊向外側(cè)運(yùn)動，桿狀彈簧發(fā)生彎曲，直到離心質(zhì)量塊位移足夠大，松開隔爆滑塊，離心保險解除。與圖1所示結(jié)構(gòu)相比，不僅設(shè)計了專門的離心保險裝置，并且離心保險在隔爆滑塊兩側(cè)成對布置，由于在勤務(wù)處理中僅有從斜坡滾落等特殊情況才會發(fā)生彈體旋轉(zhuǎn)，并且轉(zhuǎn)速一般遠(yuǎn)小于發(fā)射環(huán)境，所以成對的離心保險在跌落時不易同時打開。

圖4 桿狀彈簧離心保險裝置Fig.4 Rod spring centrifugal safe mechanism

3 有限元仿真驗證

3.1 仿真模型

利用ANSYS／LS-DYNA 對離心保險裝置進(jìn)行仿真分析。由于兩個離心保險裝置對稱布置，只需對其中之一進(jìn)行仿真即可。又由于離心保險裝置只在末端處與邊框固定，所以可以將模型簡化為桿狀彈簧一段固定的懸臂梁模型，單位采用mm-ms-g-MPa。材料為鎳，其材料參數(shù)如表1所示［7］。

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

在桿狀彈簧一端添加全約束，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。對不同轉(zhuǎn)速的情況進(jìn)行仿真，考慮到質(zhì)量塊銷頭與隔爆滑塊之間的裝配誤差及間隙0.1 mm，設(shè)計質(zhì)量塊位移達(dá)到0.3 mm 以上（圖4），可解除保險，但考慮裝配時的預(yù)壓，實際解除保險位移應(yīng)稍大于理論值。

圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshing

3.2 仿真計算解除保險所需轉(zhuǎn)速

在桿狀彈簧截面尺寸為0.2mm×0.3mm（寬×厚）時，仿真得到不同轉(zhuǎn)速下銷的位移-時間曲線（s-t）如圖6所示，可以看出轉(zhuǎn)速達(dá)到36r／s以上，質(zhì)量塊位移可以達(dá)到0.3mm 以上，可以滿足解除保險要求。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下銷的s-t曲線Fig.6 s-t curve under different rotational speed

表2所示為不同轉(zhuǎn)速下，仿真得到質(zhì)量塊的位移情況和危險截面（圖7）的最大應(yīng)力。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果Tab.2 The simulation results under different rotational speed

從表2可以看到，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于36r／s時，考慮裝配預(yù)壓，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的位移過小，不滿足解除保險要求。所以該尺寸下，離心保險安全的有效使用轉(zhuǎn)速為36r／s以上。該轉(zhuǎn)速滿足某中大口徑榴彈所要求的離心解除保險轉(zhuǎn)速，即該離心解除保險裝置的閾值為36r／s。

3.3 設(shè)計基板邊框尺寸以限定質(zhì)量塊最大位移

從表2同樣可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于64r／s時，危險截面應(yīng)力過大，有可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，但此時質(zhì)量塊的位移達(dá)到0.524 mm，大于0.3 mm，離心裝置可以解除保險，但不夠安全。圖7所示為轉(zhuǎn)速64 r／s時的vos mises應(yīng)力云圖。從中可以看到，危險截面為桿狀彈簧內(nèi)彎處，其應(yīng)力最大為463 MPa。

圖7 64r／s轉(zhuǎn)速下的vos mises應(yīng)力云圖Fig.7 The vos mises stress nephogram under the speed of 64r／s

為了避免如上情況發(fā)生，限定基板邊框與質(zhì)量塊初始位置之間的距離以限定質(zhì)量塊的最大位移。表2中可以看出，轉(zhuǎn)速達(dá)到60r／s時，危險截面應(yīng)力為442 MPa，接近于鎳的屈服極限（450 MPa），此時質(zhì)量塊位移為0.492 mm，認(rèn)為此最大位移過于危險。故取基板邊框與質(zhì)量塊初始位置間距為0.430 mm，如圖4。則在大裝藥炮口轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于設(shè)置的解除保險閾值時，該裝置不會損壞。

3.4 跌落過載對桿狀彈簧的影響

在彈的運(yùn)輸過程中，由于跌落有可能會導(dǎo)致該離心裝置的桿狀彈簧發(fā)生失效，對此進(jìn)行1.5m 跌落的仿真驗證。在勤務(wù)處理時，最危險情況下的跌落過載可用一個峰值為12 000 g，對應(yīng)時間為230 μs的曲線模擬，其過載曲線如圖8所示。由于離心保險裝置對稱布置，僅對其中之一進(jìn)行仿真，材料模型及參數(shù)選用同3.1。

仿真結(jié)果表明（圖9）危險截面的最大應(yīng)力為345 MPa，不會發(fā)生失效。

3.5 后坐過載對離心保險裝置的影響

整個離心保險裝置嵌在平置的基板內(nèi)（圖4），同時基板和整個裝置都緊貼在平置固定的底板上（圖10），由于在發(fā)生過程中都受同樣的后坐過載，可以認(rèn)為后坐過載方向沒有相對運(yùn)動。故后坐過載影響很小。

圖8 1.5m 跌落過載曲線Fig.8 The curve of 1.5mdrop overload

圖9 1.5m 跌落時的von mises應(yīng)力云圖Fig.9 The von mises stress nephogram under 1.5mfalling

圖10 離心保險裝置緊貼在平置的底板上Fig.10 The centrifugal safe device closes to the horizontal baseboard

3.6 掃頻振動對離心保險裝置的影響

仿真對稱布置的兩個離心保險裝置在5～500 Hz的掃頻振動下的運(yùn)動情況，振動加速度峰值為5 g［11］。均以背離對稱軸為位移正方向，指向?qū)ΨQ軸為位移負(fù)方向，初始位置為0（圖4），得到兩個離心質(zhì)量塊的位移-頻率曲線圖，分別如圖11（a）、（b）所示。

圖11 兩個離心質(zhì)量塊的位移-頻率曲線Fig.11 The displacement-frequency curve of each centrifugal mass

可以看出兩個質(zhì)量塊的最大位移均為0.024 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于解除保險的條件（0.3mm），且兩個質(zhì)量塊在同一時刻位移方向一個背離對稱軸，另一個指向?qū)ΨQ軸。故該離心保險裝置不會在振動條件下同時達(dá)到解除保險的條件。

3.7 仿真得出不同截面尺寸下的轉(zhuǎn)速區(qū)間

每次更改桿狀彈簧截面厚度0.05mm，在不同尺寸下進(jìn)行仿真，得到圖12曲線。

圖12 桿狀彈簧厚度與解除保險轉(zhuǎn)速曲線Fig.12 The curve of the thickness of the rod spring and remove safe speed

可以看出，可安全解除保險的轉(zhuǎn)速與桿狀彈簧截面厚度基本呈線性關(guān)系。改變桿狀彈簧厚度，可以適用于不同的轉(zhuǎn)速條件。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了桿狀彈簧質(zhì)量塊MEMS離心保險裝置。該裝置由成對布置的桿狀彈簧質(zhì)量塊構(gòu)成，桿狀彈簧采用鎳為材料，準(zhǔn)LIGA 技術(shù)制造，一端為帶卡銷的方形質(zhì)量塊，另一端為彎角卡頭，擠入基板的縫隙內(nèi)，形成卡銷鎖住隔爆滑塊的初始狀態(tài)。在離心力作用下質(zhì)量塊彎曲彈簧釋放隔爆滑塊。仿真結(jié)果表明該裝置在彈丸轉(zhuǎn)速36r／s以上解除保險，滿足某中大口徑榴彈所要求的離心解除保險轉(zhuǎn)速閾值；設(shè)計基板邊框留給質(zhì)量塊最大位移為0.430 mm，在大裝藥炮口轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于設(shè)置的解除保險閾值時，該裝置不會損壞；且該裝置在1.5 m 跌落時不會發(fā)生時效；掃頻振動時兩個離心保險裝置都不會松開隔爆滑塊。進(jìn)一步仿真得到了桿狀彈簧不同結(jié)構(gòu)尺寸下解除保險所需轉(zhuǎn)速，可為以后類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

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