閉鎖式接電開(kāi)關(guān)接觸可靠性改進(jìn)措施＊

陳智鋒，王發(fā)林，房春虎

（西安機(jī)電信息研究所，西安 710065）

0 引言

接電開(kāi)關(guān)是引信重要部件之一，其中一項(xiàng)功能是控制電路的工作狀態(tài)，平時(shí)接電開(kāi)關(guān)處于常開(kāi)狀態(tài)，在發(fā)射或碰擊目標(biāo)過(guò)程中開(kāi)關(guān)閉合，連通電路使其工作。它一般由絕緣體、運(yùn)動(dòng)體、彈簧、接電體、開(kāi)關(guān)座、開(kāi)關(guān)帽、開(kāi)關(guān)體等組成，這一系統(tǒng)可以抽象為質(zhì)量- 彈簧系統(tǒng)去研究［1］。文獻(xiàn)［2］對(duì)引信開(kāi)關(guān)裝置及其試驗(yàn)進(jìn)行了研究，國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況表明，各種環(huán)境力都有可能造成開(kāi)關(guān)裝置閉合，因此應(yīng)保證接電開(kāi)關(guān)有好的抗干擾能力，使用時(shí)動(dòng)作可靠。

在研究中需要一種接電用閉鎖式接電開(kāi)關(guān)，它利用發(fā)射時(shí)的高過(guò)載，在發(fā)射瞬間就立刻閉合，而且一經(jīng)閉合即可靠鎖死。查詢公開(kāi)資料，查得由牛蘭杰等設(shè)計(jì)的一種閉鎖式接電開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)為試驗(yàn)用，未做過(guò)可靠性考核，文中以這種開(kāi)關(guān)為基礎(chǔ)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改型，考慮到閉合時(shí)間短的要求，減小了內(nèi)接電片支耳的寬度；并針對(duì)開(kāi)關(guān)仍有導(dǎo)電不可靠的現(xiàn)象，對(duì)內(nèi)接電片和慣性銷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)后閉鎖式接電開(kāi)關(guān)的可行性。

1 閉鎖式接電開(kāi)關(guān)及應(yīng)用中存在問(wèn)題的分析

閉鎖式接電開(kāi)關(guān)的使用環(huán)境是高過(guò)載、高轉(zhuǎn)速的彈丸發(fā)射狀態(tài)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作可以利用的力有慣性力和離心力［3］，但開(kāi)關(guān)動(dòng)作僅依靠慣性力的作用。根據(jù)目前常用各種接電開(kāi)關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)和使用環(huán)境，采用內(nèi)接電片受力產(chǎn)生彈塑性變形的方式來(lái)保證接觸可靠。平時(shí)慣性銷靠?jī)?nèi)接電片支撐，在彈丸發(fā)射時(shí)，慣性銷在慣性力作用下將內(nèi)接電片支耳向外擠壓使其產(chǎn)生彈塑性變形并與外接電環(huán)可靠接觸，達(dá)到電路導(dǎo)通的目的。開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)接電片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 開(kāi)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 內(nèi)接電片結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在20000g的過(guò)載下，開(kāi)關(guān)沒(méi)有達(dá)到100%閉合。對(duì)試驗(yàn)后的開(kāi)關(guān)進(jìn)行分解，可以看到有些內(nèi)接電片向外變形不到位，沒(méi)有與外接電環(huán)可靠接觸。分析有以下幾種原因：

1）彈丸在發(fā)射過(guò)程中開(kāi)關(guān)內(nèi)接電片受到自身離心力Fc、后坐力Fs、切向力Ft和慣性銷的慣性力F作用，發(fā)射過(guò)程中自身力的變化如圖3所示。內(nèi)接電片本身質(zhì)量小，所以后座力?。辉谔艃?nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)零件切向力的大小約為后坐力的10%～15%，所以切向力也較小；又由于處于彈軸位置，而且結(jié)構(gòu)對(duì)稱，尺寸很小離心力也很??；這樣離心力、切向力、后坐力的作用可以忽略不計(jì)。慣性銷慣性力是內(nèi)接電片產(chǎn)生變形的主要原因。因此，閉鎖式接電開(kāi)關(guān)可以簡(jiǎn)化為只利用慣性銷慣性力來(lái)作為動(dòng)作的動(dòng)力，在此情況下慣性銷簡(jiǎn)化受力情況如圖4所示，內(nèi)接電片的簡(jiǎn)化受力情況如圖5所示。因此內(nèi)接電片在慣性銷慣性力的作用下使其產(chǎn)生向外和向下變形，內(nèi)接電片向外變形不到位的原因之一是受到的作用力不足所致。

圖3 膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)內(nèi)接電片受力示意圖

圖4 慣性銷簡(jiǎn)化受力示意圖

2）由于結(jié)構(gòu)密封，開(kāi)關(guān)中運(yùn)動(dòng)部分還會(huì)受到空氣阻尼的作用。慣性銷和開(kāi)關(guān)內(nèi)壁之間縫隙較小，不利于空氣流動(dòng)，慣性銷向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的阻尼，慣性銷的慣性力和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣阻尼之差就是作用在內(nèi)接電片上的力，空氣阻尼存在也會(huì)對(duì)內(nèi)接電片變形產(chǎn)生不利影響。

3）在相同力的作用下，內(nèi)接電片自身結(jié)構(gòu)及材料特性對(duì)其向外變形不到位也有影響。

圖5 內(nèi)接電片簡(jiǎn)化受力示意圖

2 閉鎖式接電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及仿真驗(yàn)證

2.1 改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，開(kāi)關(guān)中慣性銷的質(zhì)量，慣性銷頭部的角度，內(nèi)接電片支耳的數(shù)量，每個(gè)支耳的寬度、薄厚都是決定接電開(kāi)關(guān)特性的關(guān)鍵因素。在總體結(jié)構(gòu)不變的前提下，調(diào)整以上參數(shù)，以滿足引信安全性和作用可靠性要求［4］。為使內(nèi)接電片更容易產(chǎn)生變形，可以從增加內(nèi)接電片所受到的外力和使其自身更易產(chǎn)生變形兩方面去采取改進(jìn)措施。采取的主要措施為：

1）增加慣性銷的質(zhì)量。在同樣大小過(guò)載值情況下，增加質(zhì)量則會(huì)增大作用到內(nèi)接電片上的力。在開(kāi)關(guān)內(nèi)部尺寸不能改變和慣性銷總長(zhǎng)不變的情況下，通過(guò)增加慣性銷底部的厚度和增大錐部直徑來(lái)增加其質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算后調(diào)整增加的慣性銷質(zhì)量，既增大了作用到內(nèi)接電片上的力也不會(huì)影響開(kāi)關(guān)可靠性方面的要求。質(zhì)量增加后，慣性力提高30%。

2）在慣性銷的底部?jī)蓚?cè)各開(kāi)一個(gè)槽以利于壓縮時(shí)氣體的流動(dòng)，減少因氣體阻力阻礙慣性銷的運(yùn)動(dòng)，由于槽較淺而且對(duì)稱，不會(huì)對(duì)慣性銷的質(zhì)量及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。慣性銷結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后示意圖如圖6所示。

圖6 慣性銷改進(jìn)前后示意圖

3）對(duì)內(nèi)接電片進(jìn)行改進(jìn)，減小每個(gè)支耳的寬度，同時(shí)適量減少支耳的厚度，使其內(nèi)接電片更容易變形，內(nèi)接電片改進(jìn)前后示意圖如圖7所示。

4）由于慣性銷結(jié)構(gòu)變化的需要，合理的調(diào)整了錐角尺寸，以滿足可靠性和安全性要求。

2.2 受力分析

根據(jù)圖4慣性銷的力平衡方程為：

圖7 內(nèi)接電片改進(jìn)前后示意圖

式中：P為慣性力；N為內(nèi)接電片每個(gè)支耳上作用于慣性銷錐面正壓力；F為慣性銷錐面摩擦力，F(xiàn)＝fN；f為慣性銷錐面摩擦系數(shù)。

根據(jù)圖4、圖5，則有平衡：

則：

式中，F(xiàn)x為內(nèi)接電片每個(gè)支耳側(cè)向水平作用力。

由式（1）、式（2）得：

根據(jù)式（3）可以看出，角度的改變對(duì)側(cè)向受力有一定影響，而側(cè)向受力不是呈線性變化的。因此改進(jìn)時(shí)對(duì)接電開(kāi)關(guān)各參數(shù)進(jìn)行了綜合優(yōu)化、合理選擇，改進(jìn)后內(nèi)接電片側(cè)向力提高了16%。

圖8 慣性銷的加速度歷程曲線

2.3 仿真驗(yàn)證

為了比較接電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)修改后對(duì)開(kāi)關(guān)工作的有效性，建立與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同的開(kāi)關(guān)裝置幾何模型。采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性特點(diǎn)，因此建立了接電開(kāi)關(guān)1／4對(duì)稱模型，計(jì)算了開(kāi)關(guān)在如圖8所示的加速度歷程下的應(yīng)力和變形，開(kāi)關(guān)各個(gè)構(gòu)件的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，在相同的加速度歷程（最大過(guò)載20000g）作用下，改進(jìn)后內(nèi)接電片向外的變形更大，張開(kāi)程度更好，這樣會(huì)更可靠的貼緊外接電環(huán)。

圖9 接電開(kāi)關(guān)改進(jìn)前后的仿真結(jié)果對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖10 試驗(yàn)方法示意圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性，對(duì)改進(jìn)前后接電開(kāi)關(guān)進(jìn)行了馬歇特試驗(yàn)。馬歇特模擬測(cè)試裝置如圖10，圖中閉鎖式接電開(kāi)關(guān)頭部固定一個(gè)測(cè)量過(guò)載的傳感器。為了得到近似發(fā)射時(shí)的加速度，在實(shí)際應(yīng)用中將帶有傳感器的接電開(kāi)關(guān)安裝在馬歇特實(shí)驗(yàn)裝置上，通過(guò)示波器可以測(cè)量過(guò)載峰值，過(guò)載時(shí)間及觸發(fā)閉合時(shí)間，還可以檢測(cè)到開(kāi)關(guān)閉合后是否出現(xiàn)抖動(dòng)導(dǎo)致電路信號(hào)中斷。首先模擬勤務(wù)處理情況下施加在內(nèi)接電片上的力，選用其中最大值并給出足夠冗余，測(cè)試開(kāi)關(guān)是否會(huì)閉合，開(kāi)關(guān)不閉合則證明改進(jìn)后開(kāi)關(guān)對(duì)勤務(wù)處理安全性沒(méi)有影響；如不閉合再對(duì)同一開(kāi)關(guān)施加20000g的過(guò)載，測(cè)試開(kāi)關(guān)是否能達(dá)到可靠閉合，如開(kāi)關(guān)閉合則證明改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期要求。為了更直觀的反映改進(jìn)效果，分別用新舊開(kāi)關(guān)30個(gè)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 馬歇特試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)前后開(kāi)關(guān)閉合可靠率從83.3%提高到100%，同時(shí)勤務(wù)處理的安全性也能得到可靠保證，在開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程中也未出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，證明改進(jìn)措施合理有效。隨后經(jīng)靶場(chǎng)實(shí)彈試驗(yàn)證明，改進(jìn)后觸發(fā)開(kāi)關(guān)閉合成功率也達(dá)到了100%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)閉鎖式接電開(kāi)關(guān)在應(yīng)用中工作可靠性不高的問(wèn)題進(jìn)行分析，指出了內(nèi)接電片受力后不能與外接電環(huán)可靠接觸的原因，并針對(duì)性的采取增加慣性銷質(zhì)量、在慣性銷底部?jī)蓚?cè)開(kāi)透氣槽、改進(jìn)慣性銷頭部圓錐角度、減小內(nèi)接電片支耳寬度等措施。改進(jìn)方案經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)以及實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證，證明采用上述改進(jìn)措施可以改善內(nèi)接電片受力狀態(tài)，有利使其內(nèi)接電片產(chǎn)生有效變形，提高了接電開(kāi)關(guān)的工作可靠性，對(duì)類似裝置設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

［1］曹柏楨.飛航導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部與引信［M］.北京：中國(guó)宇航出版社，1995.

［2］譚惠民.引信開(kāi)關(guān)裝置及其試驗(yàn)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.

［3］彭長(zhǎng)清.引信機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1994.

［4］高社生，張零霞.可靠性理論與工程應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.