闭锁式接电开关接触可靠性改进措施＊

陈智锋，王发林，房春虎

（西安机电信息研究所，西安 710065）

0 引言

接电开关是引信重要部件之一，其中一项功能是控制电路的工作状态，平时接电开关处于常开状态，在发射或碰击目标过程中开关闭合，连通电路使其工作。它一般由绝缘体、运动体、弹簧、接电体、开关座、开关帽、开关体等组成，这一系统可以抽象为质量- 弹簧系统去研究［1］。文献［2］对引信开关装置及其试验进行了研究，国内外的应用情况表明，各种环境力都有可能造成开关装置闭合，因此应保证接电开关有好的抗干扰能力，使用时动作可靠。

在研究中需要一种接电用闭锁式接电开关，它利用发射时的高过载，在发射瞬间就立刻闭合，而且一经闭合即可靠锁死。查询公开资料，查得由牛兰杰等设计的一种闭锁式接电开关，该开关为试验用，未做过可靠性考核，文中以这种开关为基础进行了设计改型，考虑到闭合时间短的要求，减小了内接电片支耳的宽度；并针对开关仍有导电不可靠的现象，对内接电片和惯性销结构进行了进一步改进，经仿真和实验验证了改进后闭锁式接电开关的可行性。

1 闭锁式接电开关及应用中存在问题的分析

闭锁式接电开关的使用环境是高过载、高转速的弹丸发射状态，开关动作可以利用的力有惯性力和离心力［3］，但开关动作仅依靠惯性力的作用。根据目前常用各种接电开关的优缺点和使用环境，采用内接电片受力产生弹塑性变形的方式来保证接触可靠。平时惯性销靠内接电片支撑，在弹丸发射时，惯性销在惯性力作用下将内接电片支耳向外挤压使其产生弹塑性变形并与外接电环可靠接触，达到电路导通的目的。开关内部结构如图1所示，内接电片结构如图2所示。

图1 开关内部结构示意图

图2 内接电片结构示意图

在实际应用中发现，在20000g的过载下，开关没有达到100%闭合。对试验后的开关进行分解，可以看到有些内接电片向外变形不到位，没有与外接电环可靠接触。分析有以下几种原因：

1）弹丸在发射过程中开关内接电片受到自身离心力Fc、后坐力Fs、切向力Ft和惯性销的惯性力F作用，发射过程中自身力的变化如图3所示。内接电片本身质量小，所以后座力小；在膛内运动时零件切向力的大小约为后坐力的10%～15%，所以切向力也较小；又由于处于弹轴位置，而且结构对称，尺寸很小离心力也很小；这样离心力、切向力、后坐力的作用可以忽略不计。惯性销惯性力是内接电片产生变形的主要原因。因此，闭锁式接电开关可以简化为只利用惯性销惯性力来作为动作的动力，在此情况下惯性销简化受力情况如图4所示，内接电片的简化受力情况如图5所示。因此内接电片在惯性销惯性力的作用下使其产生向外和向下变形，内接电片向外变形不到位的原因之一是受到的作用力不足所致。

图3 膛内运动内接电片受力示意图

图4 惯性销简化受力示意图

2）由于结构密封，开关中运动部分还会受到空气阻尼的作用。惯性销和开关内壁之间缝隙较小，不利于空气流动，惯性销向下运动时会产生一定的阻尼，惯性销的惯性力和运动产生的空气阻尼之差就是作用在内接电片上的力，空气阻尼存在也会对内接电片变形产生不利影响。

3）在相同力的作用下，内接电片自身结构及材料特性对其向外变形不到位也有影响。

图5 内接电片简化受力示意图

2 闭锁式接电开关的结构改进及仿真验证

2.1 改进措施

根据以上分析，开关中惯性销的质量，惯性销头部的角度，内接电片支耳的数量，每个支耳的宽度、薄厚都是决定接电开关特性的关键因素。在总体结构不变的前提下，调整以上参数，以满足引信安全性和作用可靠性要求［4］。为使内接电片更容易产生变形，可以从增加内接电片所受到的外力和使其自身更易产生变形两方面去采取改进措施。采取的主要措施为：

1）增加惯性销的质量。在同样大小过载值情况下，增加质量则会增大作用到内接电片上的力。在开关内部尺寸不能改变和惯性销总长不变的情况下，通过增加惯性销底部的厚度和增大锥部直径来增加其质量。经计算后调整增加的惯性销质量，既增大了作用到内接电片上的力也不会影响开关可靠性方面的要求。质量增加后，惯性力提高30%。

2）在惯性销的底部两侧各开一个槽以利于压缩时气体的流动，减少因气体阻力阻碍惯性销的运动，由于槽较浅而且对称，不会对惯性销的质量及运动的稳定性产生影响。惯性销结构改进前后示意图如图6所示。

图6 惯性销改进前后示意图

3）对内接电片进行改进，减小每个支耳的宽度，同时适量减少支耳的厚度，使其内接电片更容易变形，内接电片改进前后示意图如图7所示。

4）由于惯性销结构变化的需要，合理的调整了锥角尺寸，以满足可靠性和安全性要求。

2.2 受力分析

根据图4惯性销的力平衡方程为：

图7 内接电片改进前后示意图

式中：P为惯性力；N为内接电片每个支耳上作用于惯性销锥面正压力；F为惯性销锥面摩擦力，F＝fN；f为惯性销锥面摩擦系数。

根据图4、图5，则有平衡：

则：

式中，Fx为内接电片每个支耳侧向水平作用力。

由式（1）、式（2）得：

根据式（3）可以看出，角度的改变对侧向受力有一定影响，而侧向受力不是呈线性变化的。因此改进时对接电开关各参数进行了综合优化、合理选择，改进后内接电片侧向力提高了16%。

图8 惯性销的加速度历程曲线

2.3 仿真验证

为了比较接电开关结构修改后对开关工作的有效性，建立与实际结构相同的开关装置几何模型。采用有限元分析软件ANSYS对改进前后的结构进行了仿真计算，因为开关结构的对称性特点，因此建立了接电开关1／4对称模型，计算了开关在如图8所示的加速度历程下的应力和变形，开关各个构件的材料参数见表1。

表1 材料参数

仿真结果如图9所示。从图中可以看出，在相同的加速度历程（最大过载20000g）作用下，改进后内接电片向外的变形更大，张开程度更好，这样会更可靠的贴紧外接电环。

图9 接电开关改进前后的仿真结果对比

3 实验验证

图10 试验方法示意图

为进一步验证改进措施的有效性，对改进前后接电开关进行了马歇特试验。马歇特模拟测试装置如图10，图中闭锁式接电开关头部固定一个测量过载的传感器。为了得到近似发射时的加速度，在实际应用中将带有传感器的接电开关安装在马歇特实验装置上，通过示波器可以测量过载峰值，过载时间及触发闭合时间，还可以检测到开关闭合后是否出现抖动导致电路信号中断。首先模拟勤务处理情况下施加在内接电片上的力，选用其中最大值并给出足够冗余，测试开关是否会闭合，开关不闭合则证明改进后开关对勤务处理安全性没有影响；如不闭合再对同一开关施加20000g的过载，测试开关是否能达到可靠闭合，如开关闭合则证明改进达到了预期要求。为了更直观的反映改进效果，分别用新旧开关30个进行对比试验，测试结果见表2。

表2 马歇特试验结果

试验结果表明，改进前后开关闭合可靠率从83.3%提高到100%，同时勤务处理的安全性也能得到可靠保证，在开关闭合过程中也未出现抖动现象，证明改进措施合理有效。随后经靶场实弹试验证明，改进后触发开关闭合成功率也达到了100%。

4 结论

通过对闭锁式接电开关在应用中工作可靠性不高的问题进行分析，指出了内接电片受力后不能与外接电环可靠接触的原因，并针对性的采取增加惯性销质量、在惯性销底部两侧开透气槽、改进惯性销头部圆锥角度、减小内接电片支耳宽度等措施。改进方案经过数值仿真和实验室模拟试验以及实弹射击试验验证，证明采用上述改进措施可以改善内接电片受力状态，有利使其内接电片产生有效变形，提高了接电开关的工作可靠性，对类似装置设计具有一定的借鉴意义。

［1］曹柏桢.飞航导弹战斗部与引信［M］.北京：中国宇航出版社，1995.

［2］谭惠民.引信开关装置及其试验［M］.北京：北京理工大学出版社，1990.

［3］彭长清.引信机构动力学［M］.北京：兵器工业出版社，1994.

［4］高社生，张零霞.可靠性理论与工程应用［M］.北京：国防工业出版社，2002.