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應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

文檔作者：佟雪梅王炅王新杰唐玉娟文檔來(lái)源：南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月31日
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· 電氣與自動(dòng)化· 佟雪梅，等·應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
佟雪梅，王炅，王新杰，唐玉娟
(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)受機(jī)械機(jī)構(gòu)本身固有特性限制，通用性差，難以充分利用各種
環(huán)境信息的問(wèn)題．提出了利用近年來(lái)頗受關(guān)注的壓電驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)隔爆機(jī)構(gòu)，以解除保險(xiǎn)的安
全與解除保險(xiǎn)裝置 根據(jù)安全與解除保險(xiǎn)裝置的尺寸要求，借助ANSYS對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行詳
細(xì)的設(shè)計(jì)。并以所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器為基礎(chǔ)．分析了運(yùn)用壓電驅(qū)動(dòng)器的引信安全與解除保險(xiǎn)裝置
的優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：引信：安全與解除保險(xiǎn)裝置；壓電驅(qū)動(dòng)器；模態(tài)分析
中圖分類號(hào)：TJ430．3 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1671—5276(2015)05—0164-04
Design 0f Piezoelectric Actuator for Electromechanical Fuze Safety System
TONG Xuemei．WANG Jiong，WANG Xinjie，TANG Yujuan
(School of Mechanical Engineering，Naniing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)
Abstract：The traditional fuse s~ety system is limited by its inherent characteristics of the mechanical structure，and has lack of gen—
erality．It is dificult to make full use of all kinds of environmental information．Aiming at the above problem this paper puts forward the
fuse safety and arming device that is used with a piezoelectric actuator given attention to in recent years to drive the flame— pmof in。。
stitutions．According to the size requirements of the safety and arming device，the detailed design of the piezoelectric actuators is
done with the help of ANSYS．And on the basis of the designed drive，the advantages and existing problems of the fuse safety and
arming device used with the piezoelectric actu~om are analyzed．
Keywords：fuse；fuse safety and arming device；piezoelectric actuator；modal analysis
0 引言
引信技術(shù)向來(lái)具有良好的包容性。越來(lái)越多的新材料
新技術(shù)不斷的應(yīng)用其中。傳統(tǒng)的安全與解除保險(xiǎn)裝置一
般為機(jī)械式的．承擔(dān)了感受慣性力和執(zhí)行保險(xiǎn)邏輯兩種功
能，其利用環(huán)境力解除保險(xiǎn)并使隔爆部件運(yùn)動(dòng)到位，以此
實(shí)現(xiàn)引信由保險(xiǎn)狀態(tài)向解除保險(xiǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變.。此種安
全與解除保險(xiǎn)裝置由于受到機(jī)械機(jī)構(gòu)本身固有特性的限
制，難以充分利用各種環(huán)境信息解除保險(xiǎn)，在一些新技術(shù)
彈藥中通用性不強(qiáng)。因此，機(jī)電式引信安全系統(tǒng)成為發(fā)展
的主流，而機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的發(fā)展更為新技術(shù)新材料
的引人提供了空間。
壓電驅(qū)動(dòng)器是運(yùn)用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性
體的微幅振動(dòng)，并通過(guò)定、動(dòng)子之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)
換成動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)，輸出功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的機(jī)構(gòu)l2。]。近幾
十年來(lái)，壓電驅(qū)動(dòng)器在精密驅(qū)動(dòng)和精密定位領(lǐng)域取得了廣
泛的應(yīng)用．國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究也越來(lái)越多。壓電驅(qū)動(dòng)器具
有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活、響應(yīng)快，位置與速度控制性好，不
受磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。鑒于壓電驅(qū)動(dòng)器的以上優(yōu)勢(shì)，基
于壓電驅(qū)動(dòng)器所設(shè)計(jì)的安全與解除保險(xiǎn)裝置，容易實(shí)現(xiàn)體
積的微小型化，并可根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)和尺寸?？?
基金項(xiàng)目：南京理_[大學(xué)自主科研專項(xiàng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(201IYBXM02)
作者簡(jiǎn)介：佟雪梅(1988一)，女，河北唐山人，碩士。
· l64 ·
見(jiàn)，壓電驅(qū)動(dòng)器在引信中的應(yīng)用相對(duì)靈活，具有良好的
前景
1 壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及原理
1．1 壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)
壓電驅(qū)動(dòng)器的工作模態(tài)。定子的一階縱振提供驅(qū)動(dòng)面
質(zhì)點(diǎn)Y方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，二階彎振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn) 方向
上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，若一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以同一頻率在
相互垂直的兩個(gè)方向上振動(dòng)時(shí)，則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)
橢圓 在設(shè)計(jì)定子時(shí)，使一階縱振和二階彎振頻率基本達(dá)
到一致，就能在定子的驅(qū)動(dòng)面上合成橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓運(yùn)動(dòng)
的水平分量提供動(dòng)子的平動(dòng)速度，再通過(guò)定子和動(dòng)子間的
摩擦作用。輸出運(yùn)動(dòng)和力。
文中設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器為直線駐波型壓電驅(qū)動(dòng)器，主
要由定子和動(dòng)子組成。定子可近似為一個(gè)矩形薄板，南定
子基體、兩塊壓電陶瓷和兩個(gè)楔塊組成．結(jié)構(gòu)如圖1(a)所
示。動(dòng)子為一個(gè)L形滑塊，如圖l(b)所示，其沿固定軌道
做直線運(yùn)動(dòng)。定子的驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子接觸，動(dòng)子和定子兩者
間施加一定的預(yù)壓力，使定子和動(dòng)子能夠有效的摩擦接
觸，以傳遞速度和力。
http：fZZHD．chinajourna1．net．cn E-mail：ZZHD@chainajourna1．net．cn《機(jī)械制造與自動(dòng)化》
· 電氣與自動(dòng)化· 佟雪梅，等·應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
壓電陶
驅(qū)動(dòng)足
相對(duì)定子的接觸面
(a) (b)
圖1 定子、動(dòng)子結(jié)構(gòu)
l-2 壓電驅(qū)動(dòng)器的原理
文中設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器的基本原理是利用逆壓電效
應(yīng)，將壓電陶瓷和金屬材料復(fù)合成一個(gè)彈性體作為定
子．通過(guò)施加電壓信號(hào)，使定子產(chǎn)生超聲波頻段內(nèi)的微
幅振動(dòng)，并在定子表面特定區(qū)域形成質(zhì)點(diǎn)的特定軌跡運(yùn)
動(dòng)，將轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)與定子壓緊，通過(guò)兩者摩擦作用將微
觀振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)的宏觀旋轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動(dòng)，輸出
功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在此，選取定子的一階面內(nèi)縱向伸縮
振動(dòng)模態(tài)和二階面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)作為壓電驅(qū)動(dòng)器的
工作模態(tài)，定子的一階縱振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)Y方向的往
復(fù)運(yùn)動(dòng)。二階彎振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn) 方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
從運(yùn)動(dòng)學(xué)可知。若一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以同一頻率在相互垂直的兩
個(gè)方向上振動(dòng)時(shí)．則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓。在設(shè)
計(jì)定子時(shí)，使一階縱振和二階彎振頻率基本達(dá)到一致，
就能在定子的驅(qū)動(dòng)面上合成橢圓運(yùn)動(dòng)．橢圓運(yùn)動(dòng)的水平
分量提供動(dòng)子的平動(dòng)速度，再通過(guò)定子和動(dòng)子問(wèn)的摩擦
作用，輸出運(yùn)動(dòng)和力。
1．3 橢圓軌跡的形成過(guò)程
壓電驅(qū)動(dòng)器能夠運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是如何形成定子和動(dòng)子
表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓軌跡的好壞直接影響驅(qū)動(dòng)器的
輸出性能|6]。而橢圓軌跡的形成與施加于壓電驅(qū)動(dòng)器電
壓信號(hào)有直接相關(guān)。根據(jù)定子表面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)形成的
原理，為定子施加相位差為9O。的兩相電壓信號(hào)，如圖2
所示，此時(shí)在定子驅(qū)動(dòng)面上形成標(biāo)準(zhǔn)的橢圓軌跡，驅(qū)動(dòng)器
的輸出性能最好。在圖2所示的電壓信號(hào)下，定子表面橢
圓軌跡的形成過(guò)程如圖3所示，由n到d為橢圓軌跡的一
個(gè)周期。
2 定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
2．1 定子材料參數(shù)
在定子的模態(tài)分析中．需要對(duì)材料的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置對(duì)
于文中涉及的壓電陶瓷，其材料參數(shù)如下：
Machine Building 8 Automation，Oct 2015，44(5)：164～167
-
／／ csionstot ∞1
0 l ／ 2尢
4 2 2 ／4 ／
圖2 兩相電壓信號(hào)
圖3 橢圓軌跡的形成過(guò)程
a)柔度系數(shù)矩陣
l_6l —Q547 一n707
一Q54 1．61 -0．704
一Q704 一Q704 207 0
0 0 0
0 0 0
『0 0 0
b)壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣
O
O
O
0
l1．884
0
O
O
0
4628
0
0
O
O
O
11．884
0
0
0
0
0
0
4 6=猖
0
- 7．534
- 7．534
14．2O1
O
0
0
0
0
O
0
0
4315
f-8．006 0 0 ]
∥fl 0。 8 0 7． 0。95 1
2．2 定子模態(tài)分析
在自由一自由邊界條件下，無(wú)法通過(guò)解析計(jì)算得到彈
· 165 ·

· 電氣與自動(dòng)化· 佟雪梅，等·應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
89 0oO
88 000
87 00o
86 000
85 000
世84 000
83 000
82 000
8l 000
80 000
l／mm
2200
2 000
1 800
l 600
1 400
jlllI
1 200褂
l O00
800
6o0
400
圖8 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨Z的變化規(guī)律
bl／mm
圖9 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨6 的變化規(guī)律
a／ram
圖1O 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨a的變化規(guī)律
褂
聯(lián)
表1 優(yōu)化前后定子的結(jié)構(gòu)參數(shù) 舢
優(yōu)化設(shè)計(jì)后，定子兩相工作模態(tài)的頻率差如表2所
示。由表可知，定子優(yōu)化后兩相工作模態(tài)頻率差大大減
?。軌驖M足兩相工作模態(tài)頻率一致性設(shè)計(jì)要求。
表2 參數(shù)優(yōu)化前后兩相工作模態(tài)頻率比較
Machine Building 8 Automation，Oct 2015，44(5)：』 ～167
3 壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全與解
除保險(xiǎn)裝置的分析
鑒于壓電驅(qū)動(dòng)器的諸多優(yōu)點(diǎn)，分析其應(yīng)用于引信安全
系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)如下：
1)壓電精密驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活．轉(zhuǎn)矩密度大
的特點(diǎn)，決定了壓電驅(qū)動(dòng)器是一種易于小型化和多樣化的
驅(qū)動(dòng)裝置，滿足引信安全與解除保險(xiǎn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，小型
化的需求。
2)壓電驅(qū)動(dòng)器無(wú)電磁干擾、可無(wú)輸入自鎖、動(dòng)態(tài)響應(yīng)
快、控制性能好等卓越特性。滿足引信無(wú)電磁干擾及對(duì)隔
爆機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)要求，有利于精確控制解除保險(xiǎn)時(shí)間．提高
炮口保險(xiǎn)距離的可控性。
3)以壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的隔
爆機(jī)構(gòu)(動(dòng)子)，并以環(huán)境傳感器代替機(jī)械環(huán)境敏感裝置，
可充分利用各種環(huán)境信息．因此在非旋或微旋彈中具有明
顯的優(yōu)勢(shì)。
4)由于壓電精密驅(qū)動(dòng)器可往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此應(yīng)用壓電
精密驅(qū)動(dòng)器的引信安全與解除保險(xiǎn)裝置可實(shí)現(xiàn)待發(fā)狀態(tài)
和安全狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。
壓電驅(qū)動(dòng)器在引信安全系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很多的優(yōu)勢(shì)，
但是也存在一些問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)發(fā)展比較成熟的壓電驅(qū)動(dòng)
器主要是行波型壓電驅(qū)動(dòng)器，而對(duì)于駐波型壓電驅(qū)動(dòng)器的研
究相對(duì)并不很深入：國(guó)內(nèi)對(duì)于微小型壓電驅(qū)動(dòng)器的研究較
少，輸出性能較難滿足工程應(yīng)用的要求，仍有待提高。
4 結(jié)語(yǔ)
分析了壓電驅(qū)動(dòng)器的原理及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于
引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的壓電驅(qū)動(dòng)器．為之后制作樣機(jī)
做好了準(zhǔn)備工作。通過(guò)分析壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全
系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，解釋了此方案的可行性及壓電驅(qū)動(dòng)器在引信
中的應(yīng)用前景；同時(shí)也提出了將壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信中
的一些阻礙。目前，將壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全系統(tǒng)的
研究處于起步階段．任重而道遠(yuǎn)，需要針對(duì)不同引信安全
系統(tǒng)，研究滿足使用要求的壓電驅(qū)動(dòng)器。
參考文獻(xiàn)：
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收稿日期：2014—03—04
· 167 ·
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應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
佟雪梅，王炅，王新杰，唐玉娟
(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094)
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)受機(jī)械機(jī)構(gòu)本身固有特性限制，通用性差，難以充分利用各種
環(huán)境信息的問(wèn)題．提出了利用近年來(lái)頗受關(guān)注的壓電驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)隔爆機(jī)構(gòu)，以解除保險(xiǎn)的安
全與解除保險(xiǎn)裝置 根據(jù)安全與解除保險(xiǎn)裝置的尺寸要求，借助ANSYS對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行詳
細(xì)的設(shè)計(jì)。并以所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器為基礎(chǔ)．分析了運(yùn)用壓電驅(qū)動(dòng)器的引信安全與解除保險(xiǎn)裝置
的優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：引信：安全與解除保險(xiǎn)裝置；壓電驅(qū)動(dòng)器；模態(tài)分析
中圖分類號(hào)：TJ430．3 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1671—5276(2015)05—0164-04
Design 0f Piezoelectric Actuator for Electromechanical Fuze Safety System
TONG Xuemei．WANG Jiong，WANG Xinjie，TANG Yujuan
(School of Mechanical Engineering，Naniing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)
Abstract：The traditional fuse s~ety system is limited by its inherent characteristics of the mechanical structure，and has lack of gen—
erality．It is dificult to make full use of all kinds of environmental information．Aiming at the above problem this paper puts forward the
fuse safety and arming device that is used with a piezoelectric actuator given attention to in recent years to drive the flame— pmof in。。
stitutions．According to the size requirements of the safety and arming device，the detailed design of the piezoelectric actuators is
done with the help of ANSYS．And on the basis of the designed drive，the advantages and existing problems of the fuse safety and
arming device used with the piezoelectric actu~om are analyzed．
Keywords：fuse；fuse safety and arming device；piezoelectric actuator；modal analysis
0 引言
引信技術(shù)向來(lái)具有良好的包容性。越來(lái)越多的新材料
新技術(shù)不斷的應(yīng)用其中。傳統(tǒng)的安全與解除保險(xiǎn)裝置一
般為機(jī)械式的．承擔(dān)了感受慣性力和執(zhí)行保險(xiǎn)邏輯兩種功
能，其利用環(huán)境力解除保險(xiǎn)并使隔爆部件運(yùn)動(dòng)到位，以此
實(shí)現(xiàn)引信由保險(xiǎn)狀態(tài)向解除保險(xiǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變.。此種安
全與解除保險(xiǎn)裝置由于受到機(jī)械機(jī)構(gòu)本身固有特性的限
制，難以充分利用各種環(huán)境信息解除保險(xiǎn)，在一些新技術(shù)
彈藥中通用性不強(qiáng)。因此，機(jī)電式引信安全系統(tǒng)成為發(fā)展
的主流，而機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的發(fā)展更為新技術(shù)新材料
的引人提供了空間。
壓電驅(qū)動(dòng)器是運(yùn)用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性
體的微幅振動(dòng)，并通過(guò)定、動(dòng)子之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)
換成動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)，輸出功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的機(jī)構(gòu)l2。]。近幾
十年來(lái)，壓電驅(qū)動(dòng)器在精密驅(qū)動(dòng)和精密定位領(lǐng)域取得了廣
泛的應(yīng)用．國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究也越來(lái)越多。壓電驅(qū)動(dòng)器具
有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活、響應(yīng)快，位置與速度控制性好，不
受磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。鑒于壓電驅(qū)動(dòng)器的以上優(yōu)勢(shì)，基
于壓電驅(qū)動(dòng)器所設(shè)計(jì)的安全與解除保險(xiǎn)裝置，容易實(shí)現(xiàn)體
積的微小型化，并可根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)和尺寸。可
基金項(xiàng)目：南京理_[大學(xué)自主科研專項(xiàng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(201IYBXM02)
作者簡(jiǎn)介：佟雪梅(1988一)，女，河北唐山人，碩士。
· l64 ·
見(jiàn)，壓電驅(qū)動(dòng)器在引信中的應(yīng)用相對(duì)靈活，具有良好的
前景
1 壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)及原理
1．1 壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)
壓電驅(qū)動(dòng)器的工作模態(tài)。定子的一階縱振提供驅(qū)動(dòng)面
質(zhì)點(diǎn)Y方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，二階彎振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn) 方向
上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，若一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以同一頻率在
相互垂直的兩個(gè)方向上振動(dòng)時(shí)，則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)
橢圓 在設(shè)計(jì)定子時(shí)，使一階縱振和二階彎振頻率基本達(dá)
到一致，就能在定子的驅(qū)動(dòng)面上合成橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓運(yùn)動(dòng)
的水平分量提供動(dòng)子的平動(dòng)速度，再通過(guò)定子和動(dòng)子間的
摩擦作用。輸出運(yùn)動(dòng)和力。
文中設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器為直線駐波型壓電驅(qū)動(dòng)器，主
要由定子和動(dòng)子組成。定子可近似為一個(gè)矩形薄板，南定
子基體、兩塊壓電陶瓷和兩個(gè)楔塊組成．結(jié)構(gòu)如圖1(a)所
示。動(dòng)子為一個(gè)L形滑塊，如圖l(b)所示，其沿固定軌道
做直線運(yùn)動(dòng)。定子的驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子接觸，動(dòng)子和定子兩者
間施加一定的預(yù)壓力，使定子和動(dòng)子能夠有效的摩擦接
觸，以傳遞速度和力。
http：fZZHD．chinajourna1．net．cn E-mail：ZZHD@chainajourna1．net．cn《機(jī)械制造與自動(dòng)化》
· 電氣與自動(dòng)化· 佟雪梅，等·應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
壓電陶
驅(qū)動(dòng)足
相對(duì)定子的接觸面
(a) (b)
圖1 定子、動(dòng)子結(jié)構(gòu)
l-2 壓電驅(qū)動(dòng)器的原理
文中設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器的基本原理是利用逆壓電效
應(yīng)，將壓電陶瓷和金屬材料復(fù)合成一個(gè)彈性體作為定
子．通過(guò)施加電壓信號(hào)，使定子產(chǎn)生超聲波頻段內(nèi)的微
幅振動(dòng)，并在定子表面特定區(qū)域形成質(zhì)點(diǎn)的特定軌跡運(yùn)
動(dòng)，將轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)與定子壓緊，通過(guò)兩者摩擦作用將微
觀振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)的宏觀旋轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動(dòng)，輸出
功率，驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在此，選取定子的一階面內(nèi)縱向伸縮
振動(dòng)模態(tài)和二階面內(nèi)彎曲振動(dòng)模態(tài)作為壓電驅(qū)動(dòng)器的
工作模態(tài)，定子的一階縱振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)Y方向的往
復(fù)運(yùn)動(dòng)。二階彎振提供驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn) 方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
從運(yùn)動(dòng)學(xué)可知。若一個(gè)質(zhì)點(diǎn)以同一頻率在相互垂直的兩
個(gè)方向上振動(dòng)時(shí)．則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)橢圓。在設(shè)
計(jì)定子時(shí)，使一階縱振和二階彎振頻率基本達(dá)到一致，
就能在定子的驅(qū)動(dòng)面上合成橢圓運(yùn)動(dòng)．橢圓運(yùn)動(dòng)的水平
分量提供動(dòng)子的平動(dòng)速度，再通過(guò)定子和動(dòng)子問(wèn)的摩擦
作用，輸出運(yùn)動(dòng)和力。
1．3 橢圓軌跡的形成過(guò)程
壓電驅(qū)動(dòng)器能夠運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是如何形成定子和動(dòng)子
表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，橢圓軌跡的好壞直接影響驅(qū)動(dòng)器的
輸出性能|6]。而橢圓軌跡的形成與施加于壓電驅(qū)動(dòng)器電
壓信號(hào)有直接相關(guān)。根據(jù)定子表面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)形成的
原理，為定子施加相位差為9O。的兩相電壓信號(hào)，如圖2
所示，此時(shí)在定子驅(qū)動(dòng)面上形成標(biāo)準(zhǔn)的橢圓軌跡，驅(qū)動(dòng)器
的輸出性能最好。在圖2所示的電壓信號(hào)下，定子表面橢
圓軌跡的形成過(guò)程如圖3所示，由n到d為橢圓軌跡的一
個(gè)周期。
2 定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
2．1 定子材料參數(shù)
在定子的模態(tài)分析中．需要對(duì)材料的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置對(duì)
于文中涉及的壓電陶瓷，其材料參數(shù)如下：
Machine Building 8 Automation，Oct 2015，44(5)：164～167
-
／／ csionstot ∞1
0 l ／ 2尢
4 2 2 ／4 ／
圖2 兩相電壓信號(hào)
圖3 橢圓軌跡的形成過(guò)程
a)柔度系數(shù)矩陣
l_6l —Q547 一n707
一Q54 1．61 -0．704
一Q704 一Q704 207 0
0 0 0
0 0 0
『0 0 0
b)壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣
O
O
O
0
l1．884
0
O
O
0
4628
0
0
O
O
O
11．884
0
0
0
0
0
0
4 6=猖
0
- 7．534
- 7．534
14．2O1
O
0
0
0
0
O
0
0
4315
f-8．006 0 0 ]
∥fl 0。 8 0 7． 0。95 1
2．2 定子模態(tài)分析
在自由一自由邊界條件下，無(wú)法通過(guò)解析計(jì)算得到彈
· 165 ·

· 電氣與自動(dòng)化· 佟雪梅，等·應(yīng)用于機(jī)電式引信安全系統(tǒng)的壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)
89 0oO
88 000
87 00o
86 000
85 000
世84 000
83 000
82 000
8l 000
80 000
l／mm
2200
2 000
1 800
l 600
1 400
jlllI
1 200褂
l O00
800
6o0
400
圖8 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨Z的變化規(guī)律
bl／mm
圖9 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨6 的變化規(guī)律
a／ram
圖1O 兩相模態(tài)頻率及頻率差隨a的變化規(guī)律
褂
聯(lián)
表1 優(yōu)化前后定子的結(jié)構(gòu)參數(shù) 舢
優(yōu)化設(shè)計(jì)后，定子兩相工作模態(tài)的頻率差如表2所
示。由表可知，定子優(yōu)化后兩相工作模態(tài)頻率差大大減
?。軌驖M足兩相工作模態(tài)頻率一致性設(shè)計(jì)要求。
表2 參數(shù)優(yōu)化前后兩相工作模態(tài)頻率比較
Machine Building 8 Automation，Oct 2015，44(5)：』 ～167
3 壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全與解
除保險(xiǎn)裝置的分析
鑒于壓電驅(qū)動(dòng)器的諸多優(yōu)點(diǎn)，分析其應(yīng)用于引信安全
系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)如下：
1)壓電精密驅(qū)動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活．轉(zhuǎn)矩密度大
的特點(diǎn)，決定了壓電驅(qū)動(dòng)器是一種易于小型化和多樣化的
驅(qū)動(dòng)裝置，滿足引信安全與解除保險(xiǎn)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，小型
化的需求。
2)壓電驅(qū)動(dòng)器無(wú)電磁干擾、可無(wú)輸入自鎖、動(dòng)態(tài)響應(yīng)
快、控制性能好等卓越特性。滿足引信無(wú)電磁干擾及對(duì)隔
爆機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)要求，有利于精確控制解除保險(xiǎn)時(shí)間．提高
炮口保險(xiǎn)距離的可控性。
3)以壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的隔
爆機(jī)構(gòu)(動(dòng)子)，并以環(huán)境傳感器代替機(jī)械環(huán)境敏感裝置，
可充分利用各種環(huán)境信息．因此在非旋或微旋彈中具有明
顯的優(yōu)勢(shì)。
4)由于壓電精密驅(qū)動(dòng)器可往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此應(yīng)用壓電
精密驅(qū)動(dòng)器的引信安全與解除保險(xiǎn)裝置可實(shí)現(xiàn)待發(fā)狀態(tài)
和安全狀態(tài)的可逆轉(zhuǎn)換。
壓電驅(qū)動(dòng)器在引信安全系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很多的優(yōu)勢(shì)，
但是也存在一些問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)發(fā)展比較成熟的壓電驅(qū)動(dòng)
器主要是行波型壓電驅(qū)動(dòng)器，而對(duì)于駐波型壓電驅(qū)動(dòng)器的研
究相對(duì)并不很深入：國(guó)內(nèi)對(duì)于微小型壓電驅(qū)動(dòng)器的研究較
少，輸出性能較難滿足工程應(yīng)用的要求，仍有待提高。
4 結(jié)語(yǔ)
分析了壓電驅(qū)動(dòng)器的原理及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于
引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的壓電驅(qū)動(dòng)器．為之后制作樣機(jī)
做好了準(zhǔn)備工作。通過(guò)分析壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全
系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，解釋了此方案的可行性及壓電驅(qū)動(dòng)器在引信
中的應(yīng)用前景；同時(shí)也提出了將壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信中
的一些阻礙。目前，將壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于引信安全系統(tǒng)的
研究處于起步階段．任重而道遠(yuǎn)，需要針對(duì)不同引信安全
系統(tǒng)，研究滿足使用要求的壓電驅(qū)動(dòng)器。
參考文獻(xiàn)：
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[7]曾亮，沈萌紅，錢孝華，等．ANSYS在超聲波電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)
用[J]．機(jī)電工程，2009，26(3)：84-86．
收稿日期：2014—03—04
· 167 ·

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