引信用懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關(guān)

寧曉斌，司昕璐，石彩玲，王竹萍

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安　710065)

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引信用懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關(guān)

寧曉斌，司昕璐，石彩玲，王竹萍

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

針對以往慣性開關(guān)閉合過載小，無法滿足無線電引信鈍感度要求的問題，提出了懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關(guān)。該開關(guān)由殼體、接觸片、分離支架、碰炸簧片及蓋板組成，碰炸簧片以懸臂梁的形式出現(xiàn)，閉合過載較高，并且僅對軸向過載敏感，其結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配。參數(shù)驗算及試驗驗證表明：該慣性開關(guān)性能穩(wěn)定，對復雜彈道環(huán)境適應能力強，同時對裝甲目標的瞬發(fā)度也足夠高，滿足使用要求。

引信；慣性開關(guān)；懸臂梁

0　引言

無線電引信配用于迫榴炮多用途彈時，要求引信在彈道上對一定厚度的膠合板具備抗沖擊能力即鈍感度要求，同時具備對硬質(zhì)目標具有快速響應能力即瞬發(fā)度要求，這就需求引信必須安裝有合適的碰炸開關(guān)。為保證引信具有良好的瞬發(fā)度，對于觸發(fā)引信，開關(guān)通常安裝在引信頭部，采用碰合類或慣性類觸發(fā)機構(gòu)，而對于非觸發(fā)引信尤其是無線電引信來說，因為引信前端為探測器，前端結(jié)構(gòu)布局不當會對其探測效果產(chǎn)生影響，并且通常沒有瞬發(fā)度要求，所以一般選用慣性結(jié)構(gòu)碰炸開關(guān)[1]。目前，國內(nèi)多種引信使用的慣性開關(guān)，有不少采用了文獻《美國軍用手冊 引信》中或PF1炮彈無線電引信的結(jié)構(gòu)形式，這些開關(guān)最低閉合閾值為170g，最高的達到幾百g[2]。此類開關(guān)為金屬外殼，依靠離心力將碰炸桿壓緊在安全位置，當碰擊目標時，由于前沖力矩的作用使開關(guān)閉合，此類開關(guān)為“萬向”開關(guān)，由于結(jié)構(gòu)的限制，閉合過載不能設計的太大。

引信在全壽命周期中經(jīng)受的環(huán)境激勵分為儲存環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、外彈道環(huán)境等[3],而引信在外彈道環(huán)境飛行過程中要經(jīng)受空氣阻力、爬行力、章動力等[4]，這些力作用于引信上可能會造成引信內(nèi)部活動零部件的運動。當開關(guān)受到上述環(huán)境力的影響，甚至在彈道惡劣的極端環(huán)境下，會造成碰炸開關(guān)碰炸桿的誤閉合，使引信的安全性和可靠性得不到保障。本文針對此問題，設計了懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關(guān)。

1　低過載萬向慣性開關(guān)

無線電引信在總體設計時，其配用的多用途彈要求對硬質(zhì)鋼板具有快速響應能力，開關(guān)需要安裝在引信前端，選擇慣性類碰炸開關(guān)，配合高瞬發(fā)的電雷管，可以使彈丸在瞬間產(chǎn)生射流穿透鋼板，滿足引信瞬發(fā)度需求；還要求引信在彈道上對膠合板具有一定的鈍感度，這就需要有能抗擊膠合板沖擊過載的碰炸開關(guān)。下面列舉一種典型的慣性開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　慣性開關(guān)典型結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Typical structure ofinertia switch

慣性開關(guān)采用金屬殼體，由殼體、碰炸簧、碰炸桿、絕緣套、導電套組成，其中殼體、碰炸簧、碰炸桿組成碰炸開關(guān)的一個極，導電套構(gòu)成另一個極，平時兩極分離。開關(guān)應用時開關(guān)軸線沿引信徑向放置，碰炸桿靠碰炸簧的壓力使其停留在平衡位置，當引信在彈道飛行過程中碰到目標時，碰炸桿受前沖慣性力圍繞底部向前擺動，碰炸桿與導電套接觸，從而起到開關(guān)作用。

開關(guān)與磁電機和碰炸電路形成回路，在彈丸發(fā)射時后坐過載使磁電機磁芯后坐，開始供電，同時接電開關(guān)閉合，引信碰炸電路導通。為防止引信膛炸的風險，需為引信設計閉鎖電路，從而增加了電路的設計復雜性(已定型破甲彈引信多采用這種電路模式)。此開關(guān)閉合過載小，閉合過載系數(shù)下限為200。文獻[2]仿真了彈丸著速為480 m/s時，碰擊3 mm厚水曲柳膠合板過載系數(shù)為2 276，碰擊3 mm厚鋼板過載系數(shù)為146 020[5]。開關(guān)閉合過載小于仿真結(jié)果過載值，在彈道上不能抵抗碰膠合板的沖擊，開關(guān)不能滿足鈍感度的要求。

2　懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關(guān)

開關(guān)的設計依據(jù)是引信對法向角為60°放置的鋼板有良好的瞬發(fā)性能，鑒于在此要求下，當開關(guān)碰擊鋼板時開關(guān)受到的軸向過載遠遠大于徑向過載，所以開關(guān)閉合形式不必使用周向閉合形式，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)形式開關(guān)既能減少離心力、振動力等彈道早炸的產(chǎn)生因素，同時解決安裝位置受限制的問題，還可以不受牽扯地單純調(diào)整閉合過載。簡單的懸臂梁簧片可以滿足上述全部要求。為了滿足引信彈道鈍感度的要求，開關(guān)閉合過載值較高，此慣性開關(guān)一般不用作擦地炸開關(guān)，在引信中安裝有單獨的擦地炸開關(guān)，與此慣性開關(guān)并聯(lián)使用發(fā)揮各自的性能。

懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關(guān)由殼體、接觸片、分離支架、碰炸簧片及蓋板組成。碰炸簧片為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在慣性作用下產(chǎn)生彈性變性與接觸片接觸，從而形成碰炸回路。該開關(guān)采用熱固性塑料殼體，閉合形式采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，碰炸簧片材料為QBe2。QBe2是力學、物理、化學綜合性能良好的一種合金，經(jīng)過淬火調(diào)質(zhì)后，具有高的強度、彈性、耐疲勞性、耐熱性、導電性和耐寒性，可在高溫(100～250 ℃)和低溫(-70 ℃)下長期使用。慣性開關(guān)安裝方式如圖2所示，殼體朝上，指向彈頭。因為開關(guān)的閉合方向朝前，與引信所受后坐力及引信電源激活的方向相反，在勤務處理時幾乎不可能同時受到兩個方向相反的大過載，從而保證了勤務處理過程中的安全。慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2　碰炸開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of inertia switch

在武器系統(tǒng)射擊時，引信受到后坐過載，碰炸簧片與蓋板接觸，開關(guān)不作用，保證電路部件的正常充電過程；在彈道上，當引信撞擊樹枝、草叢等薄弱目標時，因為所受前沖過載小于開關(guān)閉合過載，開關(guān)不閉合，引信不作用；在彈道末段，引信碰擊硬質(zhì)目標時，引信所獲取的負加速度使開關(guān)碰炸簧片產(chǎn)生撓性變形，與接觸片接觸，開關(guān)兩極導通，使電雷管可靠起爆。

3　開關(guān)參數(shù)驗算及試驗驗證

要求碰硬質(zhì)目標時有高瞬發(fā)度，對于慣性觸發(fā)機構(gòu)而言，在保證可靠性的前提下盡量縮短慣性運動件的行程可提高瞬發(fā)度。根據(jù)參考文獻[2]慣性開關(guān)在參數(shù)設計時，閉合過載系數(shù)應當大于2 276而小于146 020。慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)圖及碰炸簧片平面參數(shù)圖如圖3所示。

圖3　慣性開關(guān)參數(shù)Fig.3　Parameters of inertia switch

文中慣性開關(guān)懸臂梁的受力分析近似假設為受到瞬間均勻載荷作用。假設當開關(guān)受到過載系數(shù)為K的過載時慣性開關(guān)臨界閉合，這時懸臂梁撓度為fB，碰炸簧片與接觸片的間隙距離d與fB滿足：

d=fB

(1)

即:

(2)

則：

(3)

式中，h為懸臂梁的厚度，b為懸臂梁寬度，l為懸臂梁長度，碰炸簧片材料選取為QBe2。為確保引信的安全性，提高引信的作用可靠性，以參考文獻[2]為依據(jù)，開關(guān)閉合過載值取對水曲柳膠合板閉合過載的三倍裕量。參數(shù)h取0.18 mm，b取1.2 mm，l取7.5 mm，d取0.65 mm，常量k3=1.3,常量彈性模量E=95 GPa，將參數(shù)代入式(3)，得出K=6 736,滿足閉合過載系數(shù)大于2 276而小于146 020的要求。

為考核開關(guān)的性能，將慣性開關(guān)安裝在無線電引信上進行了外場試驗驗證。外場試驗驗證主要從兩方面進行，一是在彈道上能穿透3 mm厚水曲柳膠合板而引信不作用，二是在彈道末段對100 mm厚法向角為60°放置的鋼板能瞬發(fā)作用，從而充分發(fā)揮彈丸的射流威力。為此進行了碰炸性能動態(tài)驗證試驗。

第一項驗證試驗是開關(guān)安裝在無線電引信上對3 mm厚水曲柳膠合板射擊并觀察試驗情況，試驗結(jié)果是引信未在膠合板上作用，說明開關(guān)滿足設計要求；第二項驗證試驗是開關(guān)安裝在無線電引信上對100 mm厚法向角為60°放置的鋼板做動破甲試驗并觀察射流孔情況，結(jié)果照片示例見圖4，試驗情況見表1。

圖4　瞬發(fā)度試驗照片F(xiàn)ig.4　Test photo of instantaneity

兩項試驗慣性開關(guān)均滿足要求。此后將慣性開關(guān)應用在引信上隨引信研制進行了上千發(fā)的靶場試驗，試驗結(jié)果表明：當穿過水曲柳膠合板時慣性開關(guān)不閉合，說明開關(guān)可以抵抗一定的前沖過載，保證了引信在彈道上的安全性； 著靶時開關(guān)快速閉合使得

戰(zhàn)斗部對裝甲鋼板產(chǎn)生約165 mm深的射流孔，保證了引信在彈道末段的毀傷可靠性，結(jié)果證明慣性開關(guān)滿足使用要求。

4　結(jié)論

本文提出了引信用懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關(guān)。該開關(guān)閉合形式采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，閉合過載較高，行程短，對離心力和橫向振動不敏感，安裝位置不受限制；單方向前沖接觸，在發(fā)射時開關(guān)兩極不會因為后坐過載接觸而導致電路導通，從而對于要求全彈道作用的引信省略了前端閉鎖電路設計。計算與試驗表明，開關(guān)放置于引信前端，其閉合過載可以抵抗有鈍感度要求的彈道環(huán)境，在彈道末段當引信碰擊硬質(zhì)目標時，開關(guān)能快速閉合，彈丸形成射流穿透硬質(zhì)鋼板，從而很好地發(fā)揮了彈丸的威力。

[1]尚雅玲，馬寶華.基于計算機仿真的引信慣性開關(guān)結(jié)構(gòu)設計[J].探測與控制學報，2004，26(2)：44-50.

[2]房春虎，賈瑾，陳智鋒.等帶加重塊的周向安裝慣性觸發(fā)開關(guān)[J].探測與控制學報，2010，32(4)：21-24.

[3]席占穩(wěn)，張平.聶偉榮圓形質(zhì)量塊/柔性電極MEMS萬向觸發(fā)開關(guān)[J].探測與控制學報，2013，35(2)：10-14.

[4]GJB/Z 135-2002,引信工程設計手冊[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2003：303.

[5]陳勇軍，王雨時，聞泉.炮射穿甲爆破彈彈底引信前沖過載系數(shù)仿真方法[J].探測與控制學報，2015，37(2)：40-45.

Cantilever Beam Based Uni-direction High-Overload Closing Inertia Switch

NING Xiaobin，SI Xinlu,SHI Cailing，WANG Zhuping

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065 , China)

Aiming at the problem that the former inertia switch can’t meet the requirements of the sensitivity of radio fuze, a switch of cantilever beam type single direction high overload closing was brought out. The switch consisted of shell, contact piece, separating bracket, touch fried reed and cover plate, which took advantages on simple structure and installed easily. A touch fried reed took the form of contact beam, which was high overload closing and only sensitive to the axial overload. The test proved that the switch performed stably, and was adaptive to complex ballistic environment with enough high instantanity?to the armored target to meet the requirements of the application.

fuze; inertia switch; cantilever beam

2016-03-03

寧曉斌(1979—)，男，山西河津人，工程師，研究方向：引信總體結(jié)構(gòu)設計。E-mail:nxblfh@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0024-03