机械式惯性加速度开关的设计

山西中北大学　　李龙星　李波　连云飞

机械式惯性加速度开关的设计

山西中北大学李龙星李波连云飞

针对引信中的普通开关无法满足在勤务和碰靶时双向高过载下可靠接通电路，设计了一种机械式惯性加速度开关。利用炮弹的旋转加速度过载使其解除保险，后效期结束后闭合自锁。在碰靶的反向高过载下能保持锁定状态，使电路有效、可靠地接通。仿真结果表明，本开关可以实现在发射后效期结束后可靠闭合自锁。

机械式；惯性加速度开关；自锁；惯性过载

1　引言

引信用接电开关的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，在受到特定的环境力后开关闭合，连通电路使其工作［1］。弹丸在发射过程中所经历的膛内环境非常恶劣，从几千个g重力加速度到几万个g重力加速度的后坐过载以及离心过载。在这样的环境下，通常的电路难以经受这么高的过载，极易损坏或不能正常工作，这就需要炮弹在膛外接通电路［2］，而且以往用于引信的接电开关也很难保证在碰靶高过载下接电的可靠性。本文探讨设计一种体积小且适用于引信的自锁接电开关。在平时以及勤务状态，开关处于断开状态。在工作时利用炮弹发射时的旋转加速度过载使其解除保险，在弹丸飞出炮口后坐过载消失后开关自锁，并且在碰靶的反向高过载下不断开。保证开关在全弹道有效、可靠地自锁。

2　惯性加速度开关的设计

2.1开关的组成及原理

图1　开关1/4剖面结构图

开关的离心销和限位板、限位槽采用对称结构。开关1/4剖面结构如图1所示，该开关的结构有外壳、内筒、限位板、上接电片、下接电片、弹簧片、离心销、内筒簧。上下接电片的材料为导电材料。外壳、内筒的材料为非导电材料。

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，开关动作可以利用惯性力和离心力。本开关主要依靠离心力的作用解除保险。图1为开关的初始状态，开关自锁后各结构位置如图2所示。在炮弹发射后，离心销受到开关旋转的离心过载压缩弹簧，解除保险。内筒在发射时受到向上的惯性加速度过载，随着后座过载加速度的减小，同时离心销已经解除保险，内筒受弹簧力运动到底部。上下接电片接通电路，限位板进入限位槽内，开关自锁。

图2　开关自锁后结构位置图

2.2开关的相关参数设计

惯性驱动具有制作简单和无源等优点，炮弹在发射时受到后坐过载和离心过载，均是受到质量块的惯性力压缩弹簧。因此，可将上述自锁开关简化为质量—弹簧系统进行分析。为了离心销能可靠解除保险，要求在弹丸出炮口时离心鞘所受的离心力不仅大于解除保险时弹簧抗力，还必须有20%的裕量系数［3］。设炮弹最大旋转角速度w=200r/s，离心销的质量为m=0.1g，内筒质量为0.5g，离心簧的自由高度l=3mm，装配好高度为l1=1.8mm，离心销运动到解除保险时弹簧的高度为l2=0.8mm，离心销质心在保险状态偏心距为r=3mm。由公式：

其中Fa为离心销解除保险时弹簧的抗力；K为离心簧刚度；Fb为离心销解除保险的离心力。

内筒受到内筒弹簧的力运动到底部使接电片可靠接电，同时在勤务使内筒弹簧会通过内筒对离心销有压力。设内筒弹簧刚度K=1，自由高度X=10mm，装配好高度X1=4mm。内筒运动到底内筒弹簧高度为X2=6.2mm。

3　 ADAMS仿真

软件SolidWorks有强大的建模功能，而ADAMS具有强大的动力学仿真功能。SolidWorks软件建立好的模型可以很方便地导入ADAMS软件，用SolidWorks建立开关的三维实体机械结构模型，导入ADAMS中进行运动学分析和仿真。从而获得开关在炮弹发射后的运动参数。

3.1建立仿真模型

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。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［4］。经初步设计后，用SolidWorks建立的模型如图3。该简化模型由外壳、内筒、离心销、挡板构成。

图3　开关的1/4模型剖面图

3.2仿真模型的参数设计

在ADAMS中选用单位为毫米（mm）、千克（kg）、秒（s）。按钮和质量块的质量已知，离心销的质量为1E-01g，内筒的质量为5E-01g。图4为炮弹发射时膛内的后坐过载加速度曲线。

图4　发射后坐过载加速度曲线

其中tm=3ms（达到最大后坐过载的时间），tg=10ms（到达出炮口时间），amax=1000g，开关受到旋转离心力和后坐过载力，所以对开关施加绕轴心的旋转约束，转速为w＞60r/s，对内筒施加的运动函数IF函数为F=IF（time-0.003：5/0.003*time，5，IF（time-0. 01：-5/0.007*time+0.05/0.007，0，0）。

仿真可知内筒运动到底部的时间历程如图5所示。

图5　内筒运动历程图

由图5可知，内筒在t=18ms时运动到底部，开关接通电路。同时开关在勤务过程中可能受到向下的跌落冲击力，离心销要满足在勤务过程中受到冲击时不会发生大量变形，使离心销卡死不能可靠解除保险。

4　结论

本文的惯性加速度开关平时处于断开状态，并且满足在发射和碰靶的双向过载下开关可靠闭合不断开。在设计的开关参数下，惯性加速度开关不仅能满足在发射时最大过载为550～1000个g加速度下的可靠闭合自锁，而且在弹丸碰靶时4万个g反向高过载下也能保持锁定状态，使引信在发射前不接通电路，发射后全弹道过程中开关可靠自锁接电。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，（02）：40-43.

［3］彭长清.引信机构动力学［M］.北京：兵器工业出版社，1994.

［4］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.