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引信MEMS延期解除保险机构郑灿;席占稳;聂伟荣;徐娜;童旭【摘要】针对传统引信延期解除保险机构结构尺寸大、保险距离短和延时时间散布大等问题,设计了根据弹道实时信息实现延期解除保险的MEMS指令锁延期保险机构.该机构由电推销器,金属簧片式柔性锁臂和活动腔组成,通过弹道实时信息控制电推销器发火,将柔性锁臂推入活动腔,实现延期解除保险的功能.分析了中大口径榴弹引信结构特征和发射内外弹道环境,模拟了电推销器的推力作用过程,利用ABAQUS有限元仿真软件对所设计结构进行仿真分析,对基于UV-LIGA工艺制作的原理样机进行了离心环境试验和电推销器配合试验.仿真和试验结果表明,该机构用于引信MEMS安全保险系统,可保证引信安全状态和可靠解除安全保险状态,且能够根据电路控制电推销器发火实现延期解除保险功能,可保证炮口安全距离和实现在弹道轨迹的不同点解除保险的功能.【期刊名称】《探测与控制学报》【年(卷),期】2019(041)003【总页数】7页(P6-12)【关键词】引信;微机电;延期解除保险;指令锁【作者】郑灿;席占稳;聂伟荣;徐娜;童旭【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ4300 引言引信延期解除保险机构(简称延解机构)在发射后安全距离内应保证引信中被保险零件处于被控制的保险状态,当弹丸飞到安全距离以外后,释放被保险零件,使其由保险状态变为待发状态。
延期保险机构可保证引信炮口安全距离,避免意外发火伤及我方人员及装备。
传统引信有以下途径实现延解功能:火药延期、易熔合金、钟表结构、准流体延期解除保险、气阻机构、球转子、保险带、传感器机电延解机构等,存在结构尺寸大、保险距离短和延时时间散布大等问题。
瞬时大电流下微机电引信硅通孔封装的失效机理与实验研究刘芳怡;娄文忠;丁旭冉;王辅辅;王瑛【摘要】随着引信向微型化、智能化、灵巧化发展,对引信采用三维封装是实现其小型化最为前景的技术.硅通孔(TSV)是三维封装的关键技术,广泛应用在微机电系统(MEMS)的集成中,具有封装尺寸小和能量消耗低的优点.研究了一种应用于MEMS 引信的TSV三维封装技术,该MEMS引信的工作模式要求TSV在引信起爆控制时的瞬时大电流冲击下,电阻改变量在规定允许的范围内.利用有限元分析软件计算TSV在瞬时大电流下的升温曲线,并进行分组实验,对TSV分别施加40 V、330 μF 电容放电条件,10V、330 μF电容放电条件和4V、100 μF电容放电条件.通过对比仿真结果与实验结果,得到TSV的潜在的失效模式和其承载瞬时大电流的能力.通过上述结论分析得出在10 V、330 μF电容放电条件和4V、100 μF电容放电条件下,TSV封装技术可以满足MEMS引信的正常工作.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2014(035)009【总页数】7页(P1356-1362)【关键词】兵器科学与技术;引信;瞬时大电流;硅通孔;有限元仿真;电容放电【作者】刘芳怡;娄文忠;丁旭冉;王辅辅;王瑛【作者单位】北京理工大学机电学院,北京100081;北京理工大学机电学院,北京100081;北京理工大学机电学院,北京100081;北京理工大学机电学院,北京100081;北京理工大学机电学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TJ43;TN605在引信中应用微机电系统(MEMS)技术可以降低成本、减轻质量,实现小型化发展[1-3]。
法国创新研制了一种MEMS安全、解除保险与发火器件,该MEMS发火件可以提高MEMS起爆器的性能,在大电流激发下会产生电爆炸作用,实现引信的发火功能[4-6]。
利用这种电爆炸过程,Zhao等[7-8]制备了一种新型MEMS引信,该引信需要在瞬时大电流的作用下正常作用,所以激发源采用电容放电的形式。
第３１卷 第６期２０１１年１２月弹 箭 与 制 导 学 报Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｌｅｓ，Ｒｏｃｋｅｔｓ，Ｍｉｓｓｉｌｅｓ ａｎｄ ＧｕｉｄａｎｃｅＶｏｌ．３１ Ｎｏ．６Ｄｅｃ ２０１１ 引信ＭＥＭＳ保险机构剪断式后坐卡销＊程玄玄，聂伟荣，李艳桥，卢西山（南京理工大学机械工程学院，南京 ２１００９４）摘 要：为了提高引信ＭＥＭＳ保险机构的安全和可靠性能，并针对非剪断式后座卡销受后坐力影响，卡销解除保险行程减小，系统安全性降低等缺点，提出了一种剪断式后坐卡销。
通过仿真，表明该剪断式后坐卡销在高ｇ环境下沿后坐力方向上的位移几乎为零，在１００００ｇ后坐加速度发射条件下，后坐卡销被后坐滑块完全剪断并解除保险。
验证了该剪断式后坐卡销解除保险行程较大，安全性较高，满足可靠性要求。
关键词：微机电系统；引信；安全与解除保险机构；后坐卡销中图分类号：ＴＪ４３０．３３ 文献标志码：ＡＴｈｅ Ｃｕｔ－ｔｙｐｅ Ｒｅｃｏｉｌ Ｃａｒｄ Ｐｉｎ ｏｆ Ａｒｍｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＥＭＳ ＦｕｚｅＣＨＥＮＧ Ｘｕａｎｘｕａｎ，ＮＩＥ Ｗｅｉｒｏｎｇ，ＬＩ Ｙａｎｑｉａｏ，ＬＵ Ｘｉｓｈａｎ（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮＵＳＴ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｒｍｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ＭＥＭＳ ｆｕｚｅ，ａｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｃｕｔｔｙｐｅ ｒｅｃｏｉｌ ｃａｒｄ ｐｉｎ ｗａｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅｃｏｉｌ ｂｅｆｏｒｅ ａｒｍｉｎｇ，ｉｔｓ ａｒｍｉｎｇ ｔｒｉｐ ｗａｓ ｄｉｍｉｎｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｒｅ－ｄｕｃｅｄ，ａ ｎｅｗ ｆｏｒｍ ｏｆ ｃｕｔ－ｔｙｐｅ ｒｅｃｏｉｌ ｃａｒｄ ｐｉｎ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔ－ｔｙｐｅ ｒｅｃｏｉｌｃａｒｄ ｐｉｎ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｏｉｌ ｗａｓ ｎｅａｒｌｙ ｚｅｒｏ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌａｕｎｃｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ １００００ｇ ｒｅｃｏｉｌ ａｃ－ｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｃｏｉｌ ｃａｒｄ ｐｉｎ ｗａｓ ｓｈｅａｒｅｄ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｒｅｃｏｉｌ ｓｌｉｄｅｒ ａｎｄ ａｒｍｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｔｈｅ ａｒｍｉｎｇ ｔｒｉｐ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔ－ｔｙｐｅｒｅｃｏｉｌ ｃａｒｄ ｐｉｎ ｗａｓ ｌａｒｇｅｒ，ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｇｒｅａｔｅｒ，ａｎｄ ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｔ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ；ｆｕｚｅ；Ｓ＆Ａ ｄｅｖｉｃｅ；ｒｅｃｏｉｌ ｃａｒｄ ｐｉｎ０ 引言%ＭＥＭＳ系统（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）是在微电子和微机械技术上发展起来的一门多学科交叉技术，具有微型化、集成化、智能化等特点［１－３］。
引信磁流变液解除保险机构贮存寿命评估方法胡明;王炅;吴小琅【摘要】针对引信磁流变液解除保险机构贮存后使用的安全性和可靠性问题,提出一种贮存寿命评估方法,并对其进行寿命评估.通过贮存稳定性实验,分析在恶劣环境下存贮对磁流变液的屈服应力和黏度的影响以及对引信磁流变液解除保险机构的性能影响.实验结果表明长时间的高温会导致磁流变液中的铁磁颗粒沉降团聚,说明高温可加速引信磁流变液解除保险机构失效;通过建立贮存寿命加速模型,提出适用于引信磁流变液解除保险机构贮存寿命的评估方法;采用这种评估方法对引信磁流变液解除保险机构在正常贮存条件下的可靠贮存寿命进行评估.评估结果表明:引信磁流变液解除保险机构的可靠贮存寿命为15.2a,具有较好的贮存性能,满足引信的可靠性和安全性要求.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2016(037)009【总页数】6页(P1606-1611)【关键词】兵器科学与技术;引信;磁流变液;解除保险机构;贮存;失效;寿命评估方法【作者】胡明;王炅;吴小琅【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ430.4磁流变液是近几十年里迅速发展的一种智能材料，它是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。
在无磁场时，它有很好的流动性和牛顿流体特性；在外加磁场时，呈现类固体状态，有一定的流动性和非牛顿流体特性，并且磁场引起的这种变化是可逆的。
磁流变液的这种特性使其具有广泛的工程和军事应用前景［1-3］，可应用于前冲炮的反后坐装置、车辆悬架、飞机摆振控制的减摆器、引信磁流变液解除保险机构等。
引信磁流变液解除保险机构［3］是一种新型的延期解除保险机构，该机构通过后坐力卸载外加磁场来实现磁流变液的固体与液体（简称固液）转变，从而实现机构从保险状态到待发状态的转变；在炮弹飞行过程中，磁流变液在离心力的作用下从小孔中泄流，实现延期解除保险的目的。
第31卷第5期2009年10月探测与控制学报Journal of Detection &ControlVol 131No 15Oct 12009 3收稿日期:2009204215 修回日期:2009207230作者简介:席占稳(1963-),男,河南禹州人,研究员,研究方向:引信技术、微机电系统设计。
E 2mail :4317045xi @ 。
电磁驱动的引信M EMS 解除保险机构席占稳,聂伟荣(南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094)摘 要:针对现有引信M EMS 安全系统仍依赖后坐和旋转环境解除保险,通用性受限制,提出一种微小型M EMS 安全与起爆控制机构,它采用电磁驱动和弹簧回复力控制错位式M EMS 保险与解除保险机构的动作,可综合利用通过传感器探测的弹道信息,并借助弹载计算机控制该机构实现引信的解除保险过程。
该机构与常规装置相比可以大大减小引信安全与解除保险装置体积,同时该机构具有一定的通用性。
关键词:引信;M EMS ;安全与保险机构;电磁驱动中图分类号:T J431.3 文献标志码:A 文章编号:100821194(2009)0520001204Electromagnetic Actuated Fuze MEMS S &A MechanismXI Zhan 2wen ,N IE Wei 2rong(School of Mechanical Engineering ,Nanjing University of Science and Technology ,Nanjing 210094,China )Abstract :For the problem that the universality of the current M EMS safe and arming systems (S &A )is re 2stricted because they are still relying on setback and rotating environment to arm the f uze ,a new M EMS S &A mechanism is proposed which is actuated by electromagnetic actuator and spring resilience.This M EMS S &A device arms f uzes according to the trajectory information detected by sensors.This M EMS S &A device is much more smaller than traditional devices and is universal for most ammunitions.K ey w ords :f uze ;M EMS ;S &A mechanism ;electromagnetic actuation0 引言常规弹药弹道修正,需在原引信功能基础上和引信空间内增加弹道信息探测和处理、弹道修正机构等功能模块。
采用传统机构设计和机械加工技术很难解决在有限空间内增加功能模块的难题,采用MEMS 技术进行机构设计和加工可实现引信系统微小型化。
美军从1996年已开始了微小型爆炸序列同M EMS 安全保险装置的集成研究,历经几代的改进与创新,已经开发出了理想单兵战斗武器系统(O ICW )M EMS 引信安全机构、鱼雷M EMS 引信安全机构等,国内研究单位针对某小口径弹药引信M EMS 安全系统开展了演示验证研究[124]。
M EMS 引信安全机构的设计大多继承了传统的机械隔爆安全与解除保险装置的设计思想,它们的结构承担了感受惯性力和执行保险逻辑的两种功能,利用环境力解除保险并使隔爆部件运动到位,以此实现引信由保险状态向解除保险状态的转变。
利用M EMS 技术的此类设计,可以实现引信安全机构的微型化,但由于机械机构本身固有特性的限制,难以实现M EMS 引信安全机构的通用化,难以充分利用各种环境信息解除保险,不适合在子弹药和新技术弹药中使用,没能充分发挥M EMS 技术在引信中应用的优势。
为此,本文提出一种电磁驱动的M EMS 安全保险机构,它在引信环境信息探测与控制电路的控制下实现引信的安全解除保险。
1 电磁驱动错位式MEMS 安全保险机构原理本文设计的错位式M EMS 保险机构是一种微小型化的引信安全和隔爆机构,它利用弹道信息控制的电磁驱动器驱动错位式隔爆机构对正传火通道,实现引信远距离解除保险的要求,保证引信的弹道安全性。
电磁驱动M EMS 安全与解除保险机构,由于采用电磁力来解除保险,摆脱了利用后坐与离心力解除保险的习惯束缚,结合弹道信息测量系统的多种类型的传感器探测到机械机构无法探测的其他环境信息,如出炮口信息、弹丸姿态信息、弹道高度信息等,使引信可利用的环境信息更加丰富,解决了微弱环境信息无法用作解除保险启动信息的难题,在减小安全与解除保险装置体积的同时,可大大提高其通用性。
图1 电磁驱动M EMS 安全与解除保险机构示意图Fig.1 M EMS S &A Machine Activated byElectromagnetic Actuator电磁驱动M EMS 安全与解除保险机构如图1所示,它由M EMS 隔爆组件、电磁驱动器、底板等组成。
隔爆组件由M EMS 工艺制造,由框架、滑块及弹簧、锁销及弹簧等组成。
在刻有通孔的锁销上分别放置微型磁体,微型磁体在电磁驱动器的作用下克服弹簧的抗力,驱动锁销按照既定的次序动作,解除对滑块的约束,滑块在压缩弹簧回复力的作用下运动,通过滑块上的通孔使输入与输出药柱连通,引信即处于待发状态。
滑块运动到位后,两个电磁驱动器因断电而磁力消失,锁销在弹簧作用下回复原位,此时正好卡入解除保险后的卡槽中,保证引信处于解除保险状态[526]。
其中滑块、锁销及弹簧可采用UV 2L IGA 工艺制作,由金属材料制作在一个平面内。
电磁驱动M EMS 安全与解除保险机构设计的关键是弹簧刚度与电磁驱动力相匹配。
2 MEMS 锁销弹簧和滑块弹簧锁销弹簧和滑块弹簧是M EMS 安全与解除保险机构中的关键部件,不同类型及形状的微弹簧,其刚度各有差异,同时弹簧的宽度、簧片参数、簧片间距等各个参数对微弹簧刚度的影响也各不相同。
微弹簧的刚度直接决定了其运动所需驱动力的大小,驱动力的大小又影响到电磁驱动器的设计。
因此,微弹簧的设计至关重要。
微弹簧在作用过程中的变形要求在弹性范围之内,因而可运用材料力学中的能量方法———卡氏第二定理,来求出微弹簧在力作用点的线性位移。
9U/9P i =δi(1)式(1)中,U 为结构的变形能,P i 为结构所受的第i 个载荷,δi 为结构在P i 作用方向上的位移。
对于所研究的平面微弹簧,在发射或扰动时受到沿其轴线方向、平行于微弹簧平面的力,微弹簧主要受轴向拉伸或弯曲变形作用,不受扭曲变形作用。
所以U 由轴向拉伸变形能和弯曲变形能组成。
设F 为平面微弹簧受力,E 为微弹簧材料的弹性模量,A 为微弹簧横截面面积,N (x )为作用于微弹簧某截面的轴向拉力,M (x )为作用于微弹簧某截面的弯矩,I为截面惯性矩。
则微弹簧变形能U 和沿F 方向的位移δ为:U =∫N (x )22EAd x +∫M (x )22EId x (2)δ=∫N (x )EA 9N (x )9F d x +∫M (x )EI 9M (x )9Fd x (3)图2 “S ”型平面微弹簧基本单元Fig.2 The unit of “S ”shape plane spring“S ”型平面微弹簧单元形状和尺寸如图2所示,图中b 和h 分别为微弹簧截面的宽度和厚度,L 为微弹簧宽度的一半,R 为微弹簧的圆弧段中线半径。
包含n 个基本单元的“S ”型平面微弹簧的弹性系数为:K S =Fn δ总=Eb 3hn (16L 3+24πRL 2+96R 2L +12πR 3)(4)2探测与控制学报可见,K S 与微弹簧截面宽度b 和高度h 成正比,而与节数n 、直梁宽度L 和圆弧段中线半径R (或微弹簧间距d )成反比。
通过进一步仿真分析可知:“S ”型微弹簧的刚度随其线宽或厚度的增加而增大,随其簧宽、梁间距和节数的增加而减小,其中簧片线宽对刚度的影响最明显。
锁销弹簧和滑块弹簧的仿真分析结果如图3和图4所示。
仿真结果表明:在弹簧线弹性变形范围内,锁销弹簧在85mN 驱动力作用下可以带动锁销解除对滑块的锁定,滑块弹簧在32mN 驱动力作用下可以驱动滑块运动到解除保险位置。
图3 锁销弹簧Fig.3 The spring oflockpin图4 滑块弹簧Fig.4 The spring of slider3 电磁驱动MEMS 引信安全与解除保险机构的测试在电磁驱动力作用下,锁销弹簧解除对滑块的约束,滑块运动到对正状态是M EMS 引信安全与解除保险机构正常作用的关键。
为此,对锁销弹簧和滑块弹簧进行拉力测试。
1)测量滑块和锁销运动至解保位置时所需驱动力的大小,与仿真结果进行比较;2)确定滑块弹簧和锁销弹簧的位移2拉力定量关系,并分析计算实际微弹簧的变形是否在线弹性范围内。
实验测试系统主要采用微操作系统和微拉力计进行,如图5所示。
图5 微弹簧拉力测试系统Fig.5 The tensional testing system of microspring弹簧拉力测试表明:1)两侧锁销簧变形400μm 时需要的驱动力为28mN ,锁销簧的变形在其弹性变形范围。
在锁销簧的带动下,两侧锁销能够实现400μm 位移解除对滑块的约束。
锁销弹簧位移2拉力曲线如图6。
图6 锁销弹簧位移2拉力测试结果Fig.6 The test result of lock 2pin microspring2)在解除保险后能够保证滑块运动到对正状态,此时滑块弹簧需要的驱动力为18mN 。
滑块弹簧位移2拉力曲线如图7所示。
3)ANS YS 仿真结果和实验测试结果对比分析可知:实验测试的锁销弹簧和滑块弹簧所需变形力均小于仿真结果,其主要原因是加工出的弹簧实际厚度小于仿真时的厚度,将弹簧实际厚度应用于仿3席占稳等:电磁驱动的引信M EMS 解除保险机构真模型,仿真结果和测试一致。
同时证明了仿真模型的正确性。
图7 滑块弹簧位移2拉力测试结果Fig.7 The test result of slider microspring目前研究的微小型电磁驱动器的驱动能力在电磁线圈与衔铁间距3mm 时可以达到100mN 以上的驱动力,因此设计的结构完全可以匹配使用。
