煙火隔離開關(guān)的設(shè)計(jì)

梁 珂，達(dá)選良 ，索 亮

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煙火隔離開關(guān)的設(shè)計(jì)

梁 珂，達(dá)選良 ，索 亮

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西西安，710061）

為控制小尺寸下煙火隔離開關(guān)多對(duì)端子的開合，設(shè)計(jì)了一種十字交叉結(jié)構(gòu)整體注塑中間體與底座端子對(duì)配合的開關(guān)體，解決蹺板結(jié)構(gòu)開關(guān)尺寸大、接觸面積小的問(wèn)題，并采用鈍感電起爆器作為動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)端子間的開合控制。通過(guò)選用0.2mm厚的鈹青銅帶鍍金制作接觸簧片與鍍金的端子壓合，有效控制界面電阻，使開關(guān)閉合端子電阻控制在0.25mΩ內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了端子對(duì)耐大電流沖擊的性能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本開關(guān)具有尺寸小、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、端子電阻小、耐大電流沖擊性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一定參考。

煙火隔離開關(guān)；鈍感電起爆器；界面電阻；大電流

隨著武器彈藥的發(fā)展，對(duì)彈藥在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力越來(lái)越高要求，彈藥使用的電子開關(guān)裝置成為薄弱環(huán)節(jié)。鈍感火工裝置具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、能力質(zhì)量比高、體積小而結(jié)實(shí)、長(zhǎng)期貯存、起爆及輸出能量可控等特點(diǎn)[1]，因而設(shè)計(jì)火工品驅(qū)動(dòng)的開關(guān)裝置成為現(xiàn)實(shí)要求。

武器彈藥內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了節(jié)省彈藥內(nèi)部有限的空間，發(fā)揮火工品體積小的特點(diǎn)[2]，通常要求煙火隔離開關(guān)體積應(yīng)盡可能地小。本文所述的小尺寸（9.5mm×9.5mm×44mm）開關(guān)具有3對(duì)常開和2對(duì)常閉共5對(duì)端子，在30ms內(nèi)應(yīng)實(shí)現(xiàn)多對(duì)端子的開合，閉合端子均能承載電流8A、5min大電流的沖擊，承載電流后閉合端子的電阻應(yīng)小于等于40mΩ。

目前，電器常用金屬材料很難克服界面電阻的影響而滿足大電流沖擊要求，傳統(tǒng)開關(guān)的蹺板結(jié)構(gòu)尺寸大、接觸面積率小，很難在規(guī)定尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)5組端子的開合控制。為了滿足煙火隔離開關(guān)小尺寸下多路端子耐大電流沖擊要求，本研究采用鍍金鈹青銅制作接觸簧片，4J29鍍金制作接觸端子，同時(shí)采用十字交叉整體注塑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開關(guān)體，有效地解決了接觸簧片的定位和接觸電阻問(wèn)題。

1 煙火隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 煙火隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)

煙火隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其作用原理是：安裝在開關(guān)體上的電起爆器作用產(chǎn)生壓力，驅(qū)動(dòng)活塞桿在活塞筒內(nèi)做線性機(jī)械運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)開關(guān)體內(nèi)的中間體移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)端子對(duì)中的常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換為常開觸點(diǎn)，常開觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換為常閉觸點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈藥電氣安全保險(xiǎn)和供電進(jìn)行控制的功能。

圖1 煙火隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

1.2 電起爆器設(shè)計(jì)

電起爆器為鈍感、小尺寸結(jié)構(gòu)電火工品，具有較高的安全性和可靠性，以及發(fā)火作用時(shí)間短、產(chǎn)氣量大、作用殘?jiān)俚忍攸c(diǎn)。電起爆器結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 電起爆器結(jié)構(gòu)圖

電起爆器采用玻璃封接電極塞，具有強(qiáng)度高、密封性好、絕緣強(qiáng)度高、散熱性良好等特點(diǎn)。在腳線根部設(shè)計(jì)焊接孔，將多股軟線焊接在腳線根部，從而實(shí)現(xiàn)極小尺寸下的硬軟線轉(zhuǎn)接。電橋?yàn)閳A片“Z”字形橋帶，橋帶兩端設(shè)計(jì)為散熱面，中間細(xì)腰部位為加熱區(qū)。橋帶圓形邊緣與金屬盂為靜電泄放通道，配合絕緣環(huán)的靜電保護(hù)通道共同構(gòu)成產(chǎn)品的防靜電設(shè)計(jì)。

1.3 活塞桿設(shè)計(jì)

活塞桿是隔離開關(guān)作動(dòng)實(shí)現(xiàn)端子開、合轉(zhuǎn)換的重要部件，在隔離開關(guān)未轉(zhuǎn)換前活塞桿由底部的定位環(huán)固定在開關(guān)本體活塞筒內(nèi)的初始位置，同時(shí)定位中間體防止開關(guān)轉(zhuǎn)換。開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，高壓氣體推動(dòng)活塞桿在本體活塞筒內(nèi)做線性運(yùn)動(dòng)，活塞桿定位環(huán)被活塞筒擠壓變形推入活塞筒內(nèi)，在止退位置固定，同時(shí)推動(dòng)中間體移動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)端子開、合轉(zhuǎn)換?；钊麠U采用強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的硬鋁材料加工。活塞桿一端為連接中間體的粗細(xì)圓柱槽，另一端為阻止中間體在開關(guān)裝置內(nèi)移動(dòng)的圓盤，在盤底有1個(gè)0.2mm厚的定位環(huán)。

1.4 推力驗(yàn)證計(jì)算

作用于活塞桿上的推力由電起爆器作用產(chǎn)生的壓力與活塞桿受力面積決定。已知活塞桿采用鋁合金2A12的材料，其材料抗拉強(qiáng)度=42 kgf/mm2 [3]，材料許用剪切應(yīng)力=0.7б=29.4 kgf/mm2，定位環(huán)的厚度為0.2mm，直徑為6.3mm，則活塞桿定位環(huán)的剪切應(yīng)力：

1==29.4×6.3×3.14×0.2=116.3kg （1）

因此，想要推動(dòng)活塞桿則要求電起爆器產(chǎn)生的推力大于1。活塞桿受力面為圓盤型，圓盤直徑為6.3mm，則受力面積為：

=π2/4=3.14×6.32/4=31.16mm2（2）

根據(jù)燃?xì)鈮毫?=PS可以推導(dǎo)出所需燃?xì)鈮毫椋?/p>

P= F0116.3×9.8/31.16=36.6MPa （3）

由于電起爆器發(fā)火后在隔離開關(guān)本體密閉容腔內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，?dāng)壓力不高時(shí)，壓力符合諾貝爾-阿爾貝方程[4]：

式（4）中：為火藥力；ρ為火藥密度；為裝填密度；為氣體冗余；為火藥燃燒質(zhì)量比；P為火藥燃燒到的瞬間壓力。

假設(shè)總裝藥質(zhì)量為，在某一瞬間燃燒的質(zhì)量為M，則燃燒質(zhì)量比=M/，本體密閉容腔容積為，則裝藥密度=/。當(dāng)裝藥完全燃燒時(shí)=1，密閉容腔中的壓力達(dá)到最大值P，既=P，根據(jù)式（4）推導(dǎo)出電起爆器最小裝藥量公式為：

式（5）中已知=0.43×106J/kg，氣體冗余=0.974,容腔容積=0.128cm3。在隔離開關(guān)開、合轉(zhuǎn)換過(guò)程中燃?xì)獠粌H推動(dòng)活塞桿剪切變形，同時(shí)需要克服滑動(dòng)摩擦力、端子與接觸簧片的壓力、變形薄弱端的塑性屈服抗力。式（5）計(jì)算出的結(jié)果只滿足活塞桿剪切變形的推力要求，為了保證隔離開關(guān)開、合轉(zhuǎn)換的可靠性，進(jìn)行了電起爆器裝藥量試驗(yàn)，確定裝藥量為30mg。

根據(jù)藥劑氣體裝填密度公式：

=/=(0.03×1)/0.128=0.234g/cm3（6）

式（6）中：為電起爆器藥量，30mg；為生成氣體質(zhì)量系數(shù)，取1；為密閉容積，0.128cm3。

則氣體冗余為：

電起爆器點(diǎn)火壓力計(jì)算公式為：

（8）

式（8）中：為火藥力（某點(diǎn)火藥的火藥力取0.43MJ/kg）；為密閉容積，0.128cm3。則電起爆器點(diǎn)火壓強(qiáng)為：

=0.03×0.43/(0.128-0.03×0.911)=128.1MPa （9）

＞P（10）

由式（10）可以看出，電起爆器實(shí)際點(diǎn)火壓力遠(yuǎn)大于活塞桿剪切變形所需壓力，由此可見，在該設(shè)計(jì)藥量下，活塞桿推力遠(yuǎn)大于定位環(huán)的剪切應(yīng)力，可保證活塞桿被可靠剪切并推動(dòng)到位，并保證了產(chǎn)品性能可靠及工藝的可操作性，滿足裝藥裕度設(shè)計(jì)要求。

1.5 開關(guān)體設(shè)計(jì)

開關(guān)體主要包括中間體和底座，中間體是實(shí)現(xiàn)端子開、合設(shè)計(jì)的核心部件，為了實(shí)現(xiàn)5對(duì)端子在小尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)開、合轉(zhuǎn)換，中間體采用十字交叉結(jié)構(gòu)將5個(gè)接觸簧片用尼龍整體注塑成型，中間體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 中間體結(jié)構(gòu)圖

為了盡可能地減小端子間的電阻同時(shí)考慮材料的延展性和抗拉強(qiáng)度，選用0.2mm厚的鈹青銅帶作為接觸簧片材料。接觸簧片與開關(guān)端子之間采用壓力接觸，在接觸壓力一定的情況下，影響接觸電阻的主要因素就是接觸面積和界面電阻。為了增大接觸面積，接觸簧片接觸端寬度設(shè)計(jì)為1.7mm，并將端子接觸端打扁使其寬度達(dá)到1.4mm。

因?yàn)樵诖髿庵薪饘俦砻鏁?huì)很快生成幾微米的初期氧化膜層，從而使接觸電阻增大。由于穩(wěn)定的貴重金屬表面難于形成氧化層膜，因此在接觸簧片和端子表面鍍金。鍍金前后端子接觸電阻檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 鍍金前后端子接觸電阻檢測(cè)結(jié)果

Tab.1 Switch contact resistance test results before and after gilding

在30mm×8mm的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)初始端子對(duì)1和2常閉，端子對(duì)3、4和5常開，作用后端子對(duì)1和2常開，端子對(duì)3、4和5常閉。中間體和底座之間的尺寸配合是實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)順利轉(zhuǎn)換及端子間絕緣強(qiáng)度的關(guān)鍵，對(duì)中間體和底座尺寸鏈進(jìn)行驗(yàn)證。本體與底座配合結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 中間體與底座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

已知尺寸配合數(shù)據(jù)見表2。

表2 配合尺寸數(shù)據(jù)

Tab.2 Fit dimension data

根據(jù)尺寸鏈方程：

X1/2=A1/2-A2/2 （11）

計(jì)算中間體與底座之間的配合尺寸，中間體與底座裝配基本間隙X=X1/2×2=0mm；中間體與底座裝配最大間隙Xmax=X1/2max×2=0.1mm；中間體與底座裝配最小間隙Xmin=X1/2min×2=0mm。驗(yàn)證中間體與底座過(guò)渡配合X滿足0～0.1mm。

2 產(chǎn)品性能試驗(yàn)

2.1 端子接觸電阻及開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)裝配5套隔離開關(guān)，分別檢測(cè)隔離開關(guān)作用前、作用后及經(jīng)歷8A、5min大電流沖擊后的端子接觸電阻及開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間，檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 端子接觸電阻檢測(cè)結(jié)果

Tab.3 Switch contact resistance test results

由表3試驗(yàn)結(jié)果可以得出，隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間最大=3.5ms，遠(yuǎn)小于技術(shù)要求的30ms；開關(guān)轉(zhuǎn)換前后端子接觸電阻最大19mΩ，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大電流沖擊后接觸電阻最大24mΩ，有一定的變化，但變化不大，滿足對(duì)其大電流沖擊后不大于40mΩ的指標(biāo)要求，并有一定的裕度。

2.2 長(zhǎng)貯接觸電阻試驗(yàn)

裝配10套隔離開關(guān)，測(cè)得常閉端子接觸電阻后，按照GJB 736.8-1990 火工品試驗(yàn)方法71℃試驗(yàn)法[5]進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)30.8d（740h,常溫11a），試驗(yàn)后再對(duì)常閉端子接觸電阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表4。

由表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，長(zhǎng)貯后接觸電阻有一定的升高，長(zhǎng)貯后接觸電阻最大18.4mΩ，升高率不超過(guò)7%，隔離開關(guān)端子接觸電阻穩(wěn)定，能夠滿足軍用火工品長(zhǎng)期貯存的使用要求，安定性好，具有較高的安全性和可靠性。

表4 長(zhǎng)貯接觸電阻的試驗(yàn)結(jié)果 （mΩ）

Tab.4 Contact resistance test results after long storage

3 結(jié)論

本研究的煙火隔離開關(guān)采用了一種新穎的開關(guān)開合控制結(jié)構(gòu)，在小尺寸（9.5mm×9.5mm×44mm）下設(shè)計(jì)十字交叉結(jié)構(gòu)，將5個(gè)接觸簧片用尼龍材料整體注塑成中間體，解決了小尺寸下多對(duì)端子實(shí)現(xiàn)開、合的要求。選用0.2mm厚的鈹青銅帶鍍金制作接觸簧片，與鍍金的端子壓合，有效控制界面電阻，使開關(guān)閉合端子電阻控制在0.25mΩ內(nèi)。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，表明該開關(guān)能夠滿足開合轉(zhuǎn)換時(shí)間小于30ms，閉合端子經(jīng)受8A、5min大電流的沖擊直流電阻應(yīng)小于等于40mΩ的指標(biāo)要求。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了工作前端子3開2閉向工作后3閉2開轉(zhuǎn)換的功能要求。該開關(guān)具有尺寸小、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、端子電阻小、耐大電流沖擊性能強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一定參考。

[1] 王凱民.火工品工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2014.

[2] 蔡瑞嬌.火工品設(shè)計(jì)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2002.

[3] 賈耀卿.夏恭忱.機(jī)械零件手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

[4] 王凱民.張學(xué)舜.火工品設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[5] GJB 736.8-1990 火工品試驗(yàn)方法71℃試驗(yàn)法[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1990.

The Design of Pyrotechnic Isolating Switch

LIANG Ke，DA Xuan-liang，SUO Liang

(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

In order to control the opening and closing process of multiple pairs of terminals equipped on small size isolating switch, a new switch body was designed, in which cross structure intermediates produced by integral injection were cooperated with several pairs of terminals, the design solved the problem that big bulk size and small contact area of rocker switch. Meanwhile, the insensitive electric initiator was used as power plant to achieve open-close controlling between a pair of terminals, the contact spring which was made by 0.2mm thick gold-plated beryllium bronze belts was pressed with the gold-plated terminal, so the interface resistance was effectively controlled, the resistance of the switch closed terminal less than 0.25mΩ would be realized, as well as the terminal pair can resist to high current shock. By verification, this design has characters such as small size, short switching time, small switch as well as terminal resistance, strong resistance to heavy current and stable performance, which would provid certain reference for the other products design.

Pyrotechnic isolating switch；Insensitive electric initiator；Interface resistance；High current

1003-1480（2017）03-0006-04

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.002

2017-03-21

梁珂（1981-），男，工程師，主要從事火工品設(shè)計(jì)研究。