应用步进电机实现机构可逆检测

牟洪刚,黄惠东,刘青冬,刘 勇

(西安机电信息研究所,陕西西安 710065)

0 引言

导弹研制和生产过程中成本高昂,属于高价值弹药。高价值弹药对引信的可靠度要求较高,通常提出的可靠度指标为0.995以上,置信度为0.8或更高[1]。为了保证导弹引信在装弹前及长期贮存后再使用时的工作可靠性,要求对引信进行测试,以确保引信的工作可靠性。

以前,无论国内还是国外导弹引信的隔爆机构动作均为单方向、一次性的。一旦完成解除保险和隔爆过程就不可恢复为安全状态[2]。因而在引信测试时,隔爆机构的动作可靠性无法检测;特别是在引信长期贮存后,隔爆机构的动作可靠性检测尤为重要。

近几年来,引信隔爆机构可逆动作被提上议事日程。2009年中国兵工学会第十六届引信学术年会的论文集中相继出现了多篇论文,涉及引信隔爆机构可逆动作,如:《运动可逆式引信安全系统控制分析》[2]、《运动可逆式引信安全系统控制电路设计》[3]、《引信安保机构复位功能设计探讨》[4]和《我国鱼雷爆发器的发展趋势》[5]。在这些论文中提出的引信隔爆机构可逆动作均为完全解除保险后再返回初始状态[6],隔爆机构的动作可靠性检测时存在一定的安全隐患,引信隔爆机构在完全解除保险时初始发火元件一旦意外作用,则整个传爆序列作用。

国内于多年前完成引信机构可逆动作方面的研究,提出采用步进电机驱动隔爆件,转动一定角度(仍处于隔爆状态)后再返回初始状态。

1 步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,即给电机加一个脉冲信号,电机则转过一个步距角[7]。步进电机必须由双环脉冲信号、功率控制电路等系统控制方可使用。

步进电机具有以下特点:

1)步距值不受各种干扰因素的影响;

2)误差不长期累积;

3)控制性能好,可双向驱动。

本文所选用的步进电机主要采用一个驱动模块即步进电机驱动器来驱动步进电机,其驱动运行方式为单极驱动的四相八拍运行方式;外形尺寸为35 mm×35 mm×40 mm。

2 应用步进电机实现机构可逆检测

2.1 动作可逆机构

动作可逆机构主要由带电磁拔销器的后坐保险装置、火药拔销器、步进电机(具有锁定力矩)、隔爆转子、开关盘和机械触点(几组)等组成。

带电磁拔销器的后坐保险装置、火药拔销器和步进电机(具有锁定力矩)为安全和解除保险机构三个独立的保险件,机械地锁定隔爆转子。

带电磁拔销器的后坐保险装置是安全和解除保险机构的第一道保险。发射后,当产生的轴向过载达到后坐保险装置所需的过载阈值时,后坐保险销在后坐力的作用下,开始解除对隔爆转子的第一道保险。

电磁拔销器的作用是在通电后,通过电磁力拔出后坐保险销,使得安全和解除保险机构在测试状态无轴向过载时,也能正常解除后坐保险。在引信正常工作时,电磁拔销器不工作。

火药拔销器是安全和解除保险机构的第二道保险。火药拔销器选用的是A类钝感火工品,可以保证平时不会意外作用。在引信测试时,起爆电路没有上电,并且火药拔销器通过测试仪强制短路,可以保证火药拔销器不会意外作用。

步进电机通过一组齿轮来驱动隔爆转子转动。步进电机轴上套有一个小齿轮,隔爆转子的上表面铆接一个大齿轮,大齿轮和小齿轮相互啮合,这样步进电机转动驱动隔爆转子转动。

步进电机具有正转和反转的特性,因此,它可作为隔爆转子转动的原动机;步进电机具有一定的锁定力矩,因此,它可作为安全和解除保险机构的第三道保险。

开关盘和机械触点(几组)相互配合可向控制电路输出隔爆转子的转动信息。开关盘上有不同弧度的导电带(图1阴影部分)和不同阻值电阻(图1黑色部分)。隔爆转子转动时,通过几组机械触点与开关盘上导电带和不同阻值电阻的不同组合来反映隔爆转子的转动信息。开关盘铆接在隔爆转子的下表面,而机械触点则安装在底螺中。图1为开关盘图。

图1 开关盘图Fig.1 Figure of switch plate

2.2 机构的可逆检测

安全和解除保险机构的可逆检测:首先通过专用测试仪给引信控制电路上电;与此同时,控制电路给电磁拔销器通电,电磁拔销器利用电磁力拔出后坐保险销,使得安全和解除保险机构在测试状态无轴向过载时,也能正常解除后坐保险,待步进电机带动隔爆转子转动一定角度后,电磁拔销器断电,后坐保险销在弹簧的作用下恢复,但此时后坐保险销已经无法锁住隔爆转子;随后,控制电路判别程序转向开关的状态后运行检测程序,控制步进电机在预定时间后带动隔爆转子转动预定角度,隔爆转子上的开关盘结合机械触点向控制电路返回隔爆转子的状态信息;此时,安全和解除保险机构仍处于隔爆状态;当控制电路接收到专用测试仪器发出的模拟远距离解除保险信号,并经判别正确时,控制电路并不执行随后的解除保险动作,而是给电磁拔销器通电再次拔起后坐保险销,然后控制步进电机带动隔爆转子返回到初始状态,电磁拔销器断电,后坐保险销在弹簧的作用下恢复,锁住隔爆转子;最后隔爆转子上的开关盘结合机械触点向控制电路返回隔爆转子的状态信息。通过对步进电机的正转和反转的有效控制以及开关盘和机械触点的有效结合,实现了在测试时不破坏安全和解除保险机构,又能尽量全面考核安全和解除保险机构的目的。

现在这种检测并不是整个解除保险过程检测,只是在一定角度范围内的检测,因为火药拔销器是一种一次性的火工品,一旦作用无法恢复。

2.3 可逆检测的安全性

引信测试时,火药拔销器起爆电路没有上电,并且火药拔销器通过测试仪强制短路,可以保证火药拔销器不会意外作用,从而保证了引信不会完全解保。

引信测试时,引信控制电路只能运行检测程序。即使火药拔销器意外作用,解除对隔爆转子的锁定,引信控制电路同样会控制步进电机回到初始隔爆位置,从而保证引信检测时的安全性。

3 验证试验

根据前文所述,设计出了安全和解除保险机构并进行了试验测试。试验条件:高温+70℃、低温-40℃、振动功率谱密度0.12 g2/Hz、冲击过载100 g、持续时间6～8 ms、温度冲击-40～+70℃等。在各种环境试验中用专用测试仪配合机构的控制电路对机构的动作进行测试,测试波形图如图2所示。

图2 “检测”程序时信号波形Fig.2 Signal wave of"detection"procedure

第一个高台阶表示步进电机驱动隔爆转子正转了预定的角度,此时安全和解除保险机构处于第一道保险解除,第二道保险未解除状态;第二个高台阶表示步进电机驱动隔爆转子反转了预定的角度,返回初始位置,此时安全和解除保险机构处于完全保险状态。

安全与解除保险机构完成环境试验后进行完全解保试验,测试波形如图3所示。

图3 “工作”程序时信号波形Fig.3 Signal wave of"action"procedure

第一个高台阶表示步进电机驱动隔爆转子正转了预定的角度,此时安全和解除保险机构处于第一道保险解除,第二道保险未解除状态;第二个高台阶表示第二道保险解除后,步进电机驱动隔爆转子继续正转了预定的角度,此时安全和解除保险机构处于完全解保状态。

机构从研制之初到设计定型进行了不少于1 000次的可逆检测,均没有出现问题,一致性非常好。

通过试验表明:应用步进电机的安全和解除保险机构设计合理,利用了弹上供电和步进电机的转动特性;步进电机作为隔爆转子转动原动机为隔爆转子提供驱动力,实现部分解除保险功能;开关盘和机械触点的相互配合,可以向控制电路反馈隔爆转子在解除保险过程中的位置信息,使引信可以在装弹前对其第二道保险之前的解除保险过程进行模拟测试;环境适应性好,机构工作安全、可靠。

4 结论

安全和解除保险机构利用步进电机为隔爆转子运动提供驱动力,同时利用步进电机具有正转和反转的特性实现机构动作的可逆性,结合机械触点和开关盘实现了安全和解除保险机构的部分可逆检测,这种检测并不完全解除保险,安全和解除保险机构仍然处于隔爆状态,从而保证了检测的安全性。试验结果表明:安全和解除保险机构受外界环境影响低、可靠性高,实现了安全和解除保险机构的部分可逆检测。由于步进电机尺寸相对较大,只能应用于低发射过载、外形尺寸较大的导弹引信。

[1]周平,牟洪刚,刘勇,等.机电引信串联和并联模型可靠性评估方法[J].探测与控制学报,2009,31(6):54-54.ZHOU Ping,MOU Honggang,LIU Yong,et al.Reliability evaluation for electromechanical fuze based on series model and parallel model[J].Journal of Detection&Control,2009,31(6):54-54.

[2]尚雅玲,张贤彪,倪保航.运动可逆式引信安全系统控制分析[C]//中国兵工学会第16届引信学术会议论文集.西安:中国兵工学会引信专业委员会,2009:493-497.

[3]王孝福,尚雅玲,张贤彪.运动可逆式引信安全系统控制电路设计[C]//中国兵工学会第16届引信学术会议论文集.西安:中国兵工学会引信专业委员会,2009:512-516.

[4]姜飞,赵广波.引信安保机构复位功能设计探讨[C]//中国兵工学会第16届引信学术会议论文集.西安:中国兵工学会引信专业委员会,2009:647-649.

[5]李广超,尚雅玲,刘华文.我国鱼雷爆发器的发展趋势[C]//中国兵工学会第16届引信学术会议论文集.西安:中国兵工学会引信专业委员会,2009:498-501.

[6]张贤彪,尚雅玲,倪保航.运动可逆式引信安全系统定位精度分析[J].探测与控制学报,2009,31(增刊):16-19.ZHANG Xianbiao,SHANG Yaling,NI Baohang.Analysis of the positioning accuracy for a reversing fuzesafety system[J].Journal of Detection&Control,2009,31(增刊):16-19.

[7]陈理壁.步进电动机及其应用[M].上海:国防工业出版社,1978.