机械式惯性开关设计*

周小淞，张 亚，连云飞

(中北大学机电工程学院，山西太原 030051)

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［1］。开关作用于引信电源及其后续供给电路之间，既可以提高引信后续电路工作的安全性，又能保证电路被持续可靠的接通。近年来，牛兰杰等设计的一种闭锁式接电开关，可以利用发射过载使开关可靠闭合，但没有考虑开关在碰靶时候高过载的稳定性。以往用于引信上的开关也很能保证在碰靶高过载环境下不被破坏或者保证接电的可靠性［2－3］。笔者探讨采用借鉴一种民用自锁开关结构设计一种体积小且适用于引信的惯性自锁开关，应用在军事上作为一种过载惯性开关，利用炮弹发射时的后座过载加速度使其闭合并且锁定，接通电路。用Solidworks建立开关的简化结构模型，并导入Adams中进行运动学分析和仿真验证开关的闭合情况。

1 惯性加速度开关的设计

1．1 开关的组成及原理

自锁开关一般是指开关自带机械锁定功能，按下去，松手后按钮是不会完全跳起来的，处于锁定状态，它的主要原理是利用一弹簧勾沿一心形槽滑动，心形槽的两个尖对应开关的锁定与释放位置。通过借鉴市面上的普通民用6脚接电开关的设计，开关结构形状如图1所示，开关主要在普通民用开关的基础上减轻按钮质量并加上质量块，同时去除了开关的释放位置，使开关闭合之后再次受到过载也不会断开。该开关主要有质量块、按钮、顶盖、底座、接电片、弹簧钩、引脚、弹簧。惯性开关的质量块上联接高强度弹簧作用于按钮，既可以使开关有效闭合又能避免在碰靶时质量块的附加过载使机构损坏。顶盖与底座支撑和固定各个零部件，质量块受到发射过载时向下移动压缩弹簧，使按钮向下移动到预定位置实现自锁。同时接电片随着按钮移动接通或者断开电路。

图1 开关结构图

由图2可知，自锁机构的关键部件是弹簧钩，它连接底座和按钮。开关未闭合时，弹簧钩与按钮相接触处位于在心形槽下部的凹槽内，当开关受外界环境力作用闭合过程中，按钮开始向下运动，处在心形槽下凹槽内的弹簧钩开始沿着凹槽滑动，由于卡槽边沿的阻挡，弹簧钩沿着斜坡滑动到心形槽上边凹槽内。当外界环境力消失后，按钮受弹簧力开始向上运动，弹簧钩又会沿着斜坡的边沿向下滑动到心形槽内，开关维持闭合状态，从而实现自锁。

图2 开关自锁机构示意图

1．2 开关的相关参数设计

由于惯性驱动具有制作简单、反应速度快和无源等优点，釆用惯性驱动时，开关动作所需能量来自于引信后坐环境能，即开关只需要加速度过载触发，因此，可将上述自锁开关简化为质量—弹簧系统进行分析［4］。

按钮与质量块的质量为1．2 g，弹簧的自由高度为8 mm，装配好高度为6 mm，开关按下到底时弹簧总压缩高度为4．2 mm。由计算公式K=ma/x可知，质量一定时，弹簧的刚度和加速度成正比;弹簧刚度一定时，质量和加速度成反比。所以在得到外界达到的加速度范围后，可以计算出弹簧刚度的取值范围。

以膛内最大后座过载加速度为:1000×9．8 m·s2情况下对有关参数进行计算，弹簧刚度的计算公式为:

式中:K为弹簧刚度;F为压弹簧时的抗力;m为按钮的质量，m=1．2 g;a为按钮的加速度。

则弹簧的最大抗力为F＜12 N，为使开关可以闭合当F=12 N时，即弹簧压缩量为X1=4．2 mm时

为了在平时跌落时开关不至于闭合，要求开关在300×9．8 m·s2的加速度情况下弹簧不能压缩到开关闭合位置。即弹簧的最小抗力:F＞3．528 N，压缩量为 X2＜4 mm

K＞0．882 N/mm

计算开关在300～1 000个重力加速度要闭合的弹簧的刚度范围为:K=ma/x

得:0．882 N/mm＜K＜2．857 N/mm

在对市场上的6脚自锁开关的实验中，开关进行的静压实验表明开关在至少4 N的静压力可以闭合，有F=ma可知，开关闭合需要的最小加速度约为333．3 g符合要求范围，又由F=kx

得K=0．952 N/mm符合要求，选用该开关的弹簧作为实验弹簧。

2 Adam s仿真和实验

软件SolidWorks有强大的建模功能，但是它的分析能力比较弱小，而Adams具有强大的动力学仿真和分析功能，它可以分析复杂机械系统的运动和动力学模型，但是它的几何建模功能却有很多不足之处。由于Solidworks软件建立好的模型可以很方便的导入Adams软件，本文用Solidworks建立开关的三维实体机械结构模型，并导入Adams中进行运动学分析和仿真［5－7］。获得开关在炮膛内不同加速度下的闭合情况。

2．1 简化结构建模

用Adams仿真时，建立的运动学模型，不必过分追求构件的几何、形体同实际构件完全一致，只需保证各运动之间的相对尺寸正确即可。这样既可以获得理想的运动学仿真结果，又可以简化几何建模。由程序的求解原理来看，只要仿真构件的质量、质心位置、惯性矩、惯性积同实际构件相同，就可以保证仿真结果的真实性［8］。经初步设计后，用Solidworks建立简单的模型如图3。该简化模型有按钮(质量块)，弹簧钩，外壳，弹簧四部分。

图3 开关的简单模型

2．2 对按钮的仿真驱动函数设计

Adams具有强大的参数化建模功能，建模时可以根据需要设计相关的设计变量。这样在进行参数化分析时，根据建立的设计变量，使用Adams中的设计研究(DS)，可以采用不同的参数值进行一系列的仿真。如图4所示为后座过载加速度变化曲线。

图4 后座过载加速度曲线

由图4可知简化加速度变化方程［9］为:

式中:K1为最大后过载系数;tm为达到最大加速度弹丸膛内运动时间;tg为到炮口处弹丸的膛内运动时间。

创建设计变量DV_1，将变量与对按钮施加的约束进行关联，这样随着变量的改变按钮受到的驱动也会改变。

设k1=DV_1;tm=3 ms;tg=10 ms;时

则为按钮施加的运动函数IF函数为:F=IF(time－0．003:DV_1*0．0012*10/0．003*time ，DV_1*0．012，IF(time－0．01:－0．0012*DV_1*10/0．007*time+0．0012*DV_1*10*0．01/0．007，0，0))

2．3 设计研究(DS)和结果分析

开关加速度要求在300～1000个重力加速度下闭合，为了得到不同加速度情况下开关的闭合情况，设计变量为DV_1，以测量弹簧位移的最大量为优化分析目标，将研究等级设为9，对其进行设计研究。仿真可得在不同的加速度下，弹簧的闭合如表1所列。

表1 仿真时开关加速度与闭合关系

由表1可得知开关在质量块为1．2 g，弹簧刚度为0．952 N/mm时，在大于360个重力加速度时下可以闭合。

2．4 实验研究

在实际操作中，把按钮加上质量块使其质为1．2 g，把开关固定到跌落冲击试验台(见图5)上，利用试验台跌落冲击产生的加速度对开关的作用，模拟发射时的加速值。在跌落冲击试验台得到的最大加速度与开关闭合关系如表2。

图5 跌落冲击试验台

表2 实验时关加速度与闭合关系

由仿真和实验结果对比可知，此开关在350个最小重力加速度条件下可以闭合。两次结果有一定的误差，误差可能是来自于实验仪器难于理想的模拟炮弹的发射状态，但整体上测量值和仿真值基本接近。

3 结语

文中的惯性加速度开关利用发射过载使其闭合并且自锁。在设计的开关参数下，惯性加速度开关不仅能满足在发射过载为300～1000个g加速度下的可靠闭合自锁。参数的设计和实验仿真结果为开关在实际中的应用提供了一定的理论指导。

［1］ 陈智锋，王发林，房春虎．闭锁式接电开关接触可靠性改进措施［J］．弹箭与制导学报，2010，30(4):85－88．

［2］ 王 薇，张 瑜，祖 静．微型脉冲供电式倒置接电开关可靠性试验装置［J］．探测与控制学报，2012，34(4):67－70．

［3］ 程健健．微机械惯性闭锁开关设计［D］．南京:南京理工大学，2014．

［4］ 陈强强．引信发射后坐与旋转双环境模拟技术研究与模拟系统设计［D］．南京:南京理工大学2006．

［5］ 王在伟，焦 青．SolidWorks与ANSYS之间的数据交换方法研究［J］．煤矿机械，2012，32(9):248－250．

［6］ 常 虹，时杉杉，宁国河．应用SolidWorks和ANSYS的零件有限元分析对比［J］．广西大学学报，2013(6):4－7．

［7］ 田文涛，贺小华．SolidWorks与ANSYS软件数据交换文件应用研究［J］．现代制造工程，2008(7):43－46．

［8］ 陈立平，张云清，任卫群．机械系统动力学及 ADAMS应用教程［M］．北京:清华大学出版社，2005．

［9］ 王 利，周百令．一种新型机械式加速度惯性开关［J］．火炮发射与控制学报，2005(2):40－43．