基于MEMS惯性延时机构的动态特性分析与仿真

0　引言

引信微机电安全系统是指由微加工技术制作,在人眼的可视程度上看不到运动零件的高度集成的微机电引信。它是利用MEMS技术将微机械、微结构、微传感器、微电子信息处理器、微机械编码处理器、微电子逻辑控制器以及冲击片雷管的核心部分集成于一体,由一块芯片或几块芯片组合形成的体积小、功能全的引信。引信微机电安全系统具有尺寸小、质量轻,零件材料单一(使用硅或镍),大批量生产成本可以降至很低,抗冲击和过载的能力好的特点,是未来引信发展的一个重要方向。目前,国外如美国和日本在该领域的研究已经相当成熟,且早有军事应用。国内则还处于基础研究阶段。微惯性延时机构作为引信微机电安全系统中保险机构(S&A)中的核心部件,是引信保险机构的第一道保险,它决定着引信的安全性能。针对这类机构的研究直接影响到对引信微机电安全系统的研究。目前已经有了关于微惯性延时机构在脉冲冲击下的运动特性分析,但该分析未考虑延时滑块的一个自由度。本文在构建微惯性延时机构的结构模型基础上,建立了运动模型及动力学仿真模型,通过动力学仿真分析软件ADAMS进行了动态特性仿真分析,为该类机构的设计提供了必要的参考依据。

1　原理结构及运动学模型

微平面惯性延时机构包括延时滑块、微弹簧、Z形槽轨道架三个部分[1],如图1所示。这种机构是常规蛇形槽惯性保险机构的变体,即将惯性筒、蛇形槽等三维立体结构演变为基于MEMS的二维平面结构,其工作原理也与常规蛇形槽惯性保险机构的类似。延时滑块作为保险零件相当于蛇形槽机构中的惯性筒,通过延时滑块的齿和轨道架的齿相互摩擦碰撞,消耗惯性力能量,以保证引信平时的安全性要求,改变安全解除保险的时间。

　　整个机构的原理为:在封装前将复位弹簧的偏置头向上推到预偏置锁定销处,将其锁定,为复位弹簧设置预拉伸抗力。弹簧的预拉伸抗力、滑块受到的静摩擦力及轨道反作用力等设定了一个临界加速度值,当外界冲击加速度值小于该值,延时滑块不会移动。滑块移动的距离取决于加速度值及其持续的时间。封装后延时滑块位于基底和盖板中间,但是留有一定的工作间隙。偏置弹簧和Z形槽轨道架约束滑块的运动,弹丸发射时由于发射后坐力的作用,延时滑块沿Z形槽轨道架向下作曲折运动,通过齿间碰撞、摩擦阻力等起到延时作用。当下落到预定位置时解除第一道后坐保险(图1中未画出),同时被反恢复装置锁定。

惯性延时机构中滑块的轴向(y向)运动方程[2]为:

式中:m为惯性延时滑块的质量(这里暂未考虑弹簧的质量);为发射后坐力; k为弹簧刚度;λ0为弹簧的预拉伸长度; y为延时滑块下降的距离; N1为两接触齿间的正压力; N2为触点对轨道架侧壁的正压力; fN1为齿间的摩擦力; fN2为触点和轨道架侧壁的摩擦力;α为半齿形角;f为动摩擦系数。