連云飛，王　利

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原　030051）

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引信慣性加速度開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

連云飛，王利

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051）

摘要：針對(duì)引信中的普通開(kāi)關(guān)無(wú)法滿足在碰靶時(shí)高過(guò)載下可靠接通電路，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式慣性加速度開(kāi)關(guān)，利用炮彈發(fā)射時(shí)的后座加速度過(guò)載使其閉合并且自鎖，在碰靶的反向高過(guò)載下能保持鎖定狀態(tài)，使電路有效、可靠地接通。仿真結(jié)果表明，該開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)可靠閉合自鎖。

關(guān)鍵詞：慣性加速度開(kāi)關(guān)，自鎖，慣性過(guò)載

0　引言

引信用接電開(kāi)關(guān)作用于引信電源及其后續(xù)供給電路之間，其中一項(xiàng)功能是控制電路的工作狀態(tài)，平時(shí)接電開(kāi)關(guān)處于常開(kāi)狀態(tài)，在發(fā)射或碰擊目標(biāo)過(guò)程中開(kāi)關(guān)閉合，連通電路使其工作［1］。這樣既可以提高引信后續(xù)電路工作的安全性，又能保證電路被持續(xù)可靠地接通。近年來(lái)，王利設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械式加速度開(kāi)關(guān)［2］、陳智鋒等對(duì)閉鎖式接電開(kāi)關(guān)的接觸可靠性進(jìn)行改進(jìn)［1］，都可以利用發(fā)射過(guò)載使開(kāi)關(guān)可靠閉合，但沒(méi)有考慮開(kāi)關(guān)在碰靶時(shí)高過(guò)載下的穩(wěn)定性。以往用于引信上的開(kāi)關(guān)也很難保證在碰靶高過(guò)載環(huán)境下不被破壞或者保證接電的可靠性。本文探討設(shè)計(jì)一種體積小且適用于引信的慣性自鎖開(kāi)關(guān)，在平時(shí)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，利用炮彈發(fā)射時(shí)的后座過(guò)載加速度使其閉合自鎖，并且在碰靶的反向高過(guò)載下也能保證有效、可靠地自鎖，使電路持續(xù)可靠接通。

1慣性加速度開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

1.1開(kāi)關(guān)的組成及原理

開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示。

該開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)有質(zhì)量塊（7）、按鈕（3）、頂蓋（1）、外殼（8）、底座（6）、彈簧鉤（9）、引腳（10）、接電片（5）、彈簧1（2）、彈簧2（4）。按鈕（3）、頂蓋（1）、外殼（8）、底座（6）的材料為非導(dǎo)電材料，接電片（5）與引腳（10）的材料為導(dǎo)電金屬。

開(kāi)關(guān)的自鎖原理如圖2所示，它的原理是：開(kāi)關(guān)未閉合時(shí)，彈簧鉤與按鈕相接觸處位于在心形槽下部的凹槽1內(nèi)，開(kāi)關(guān)受發(fā)射慣性過(guò)載作用閉合過(guò)程中，質(zhì)量塊沿著曲折槽運(yùn)動(dòng)然后作用于按鈕，按鈕受壓向下運(yùn)動(dòng)，彈簧勾由于卡槽邊沿的阻擋沿特定的槽滑動(dòng)（圖中向上箭頭），當(dāng)按鈕運(yùn)動(dòng)到底部時(shí)，彈簧鉤滑動(dòng)到心形槽上邊凹槽2內(nèi)。后座過(guò)載消失后，按鈕受彈簧力開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，彈簧鉤沿著斜坡的邊沿向下滑動(dòng)（圖中向右下箭頭）到心形槽內(nèi)，按鈕被鉤住不會(huì)彈起來(lái)，開(kāi)關(guān)自鎖，同時(shí)接電片接通電路。

圖2　開(kāi)關(guān)自鎖機(jī)構(gòu)示意圖

1.2開(kāi)關(guān)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

由于慣性驅(qū)動(dòng)具有制作簡(jiǎn)單、和無(wú)源等優(yōu)點(diǎn)，釆用慣性驅(qū)動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作所需能量來(lái)自于引信后坐環(huán)境能，即開(kāi)關(guān)只需要慣性加速度過(guò)載觸發(fā)，可將上述自鎖開(kāi)關(guān)抽象為質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)進(jìn)行分析［3］。

質(zhì)量塊的質(zhì)量為0.5 g，按鈕質(zhì)量為0.05 g，彈簧1的自由高度3 mm，裝配好高度為3.5 mm.彈簧2的自由高度為6 mm，裝配好高度為4 mm，開(kāi)關(guān)按下到底時(shí)彈簧1的總拉伸高度為4.2 mm，彈簧2總壓縮高度為4.2 mm。忽略曲折槽的影響來(lái)估計(jì)彈簧大致的取值范圍。由計(jì)算公式K=ma/x可知，質(zhì)量一定時(shí)，彈簧的剛度和加速度成正比；彈簧剛度一定時(shí)，質(zhì)量和加速度成反比。所以在得到開(kāi)關(guān)承受過(guò)載加速度的環(huán)境后，可以計(jì)算出彈簧剛度的取值范圍。

以膛內(nèi)最大后座過(guò)載加速度為1 000×9.8 m·s2情況下對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，彈簧剛度的計(jì)算式為：

K為彈簧剛度；F為壓彈簧時(shí)的抗力；m為按鈕和質(zhì)量塊的總質(zhì)量，m=0.55 g；a為開(kāi)關(guān)受到的過(guò)載加速度。則兩彈簧的最大抗力取值范圍為F＞5.5 N，為使開(kāi)關(guān)可以閉合，即彈簧1的拉伸量為x1=4.2 mm，彈簧2壓縮量為X2=4.2 mm時(shí):

為了在平時(shí)跌落時(shí)開(kāi)關(guān)不至于閉合，要求開(kāi)關(guān)在5 000×9.8 m·s2的最高加速度過(guò)載情況下按扭不能壓縮到開(kāi)關(guān)閉合位置。假設(shè)質(zhì)量塊不會(huì)解除保險(xiǎn)，即彈簧2的最小抗力：F＞2.45 N，壓縮量為X2＜4.2 mm

由式（1），式（2）可得彈簧的剛度范圍，取彈簧的剛度為K1=K2=0.6 N/mm。

2 ADAMS仿真和實(shí)驗(yàn)

軟件SolidWorks有強(qiáng)大的建模功能，而ADAMS具有強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真和分析功能。本文用SolidWorks建立開(kāi)關(guān)的三維實(shí)體機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，并導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真。從而獲得開(kāi)關(guān)在發(fā)射時(shí)，不同最大后過(guò)載系數(shù)下開(kāi)關(guān)的閉合情況，以及開(kāi)關(guān)在勤務(wù)時(shí)的安全性。這樣可以在早期設(shè)計(jì)階段完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短研制周期和降低研制成本［4］。

2.1簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)建模

用ADAMS仿真時(shí)，建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，不必過(guò)分追求構(gòu)件的幾何、形體同實(shí)際構(gòu)件完全一致，只需保證各運(yùn)動(dòng)之間的相對(duì)尺寸正確即可。由程序的求解原理來(lái)看，只要仿真構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩、慣性積同實(shí)際構(gòu)件相同，就可以保證仿真結(jié)果的真實(shí)性［5］。經(jīng)初步設(shè)計(jì)后，把不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的頂蓋、底座、外殼、引腳托簡(jiǎn)化成外殼模型。因接電片隨著按鈕運(yùn)動(dòng)，可看作是整體簡(jiǎn)化成按鈕模型。用SolidWorks建立的模型如圖3所示：

圖3　開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單模型

該簡(jiǎn)化模型由按鈕，質(zhì)量塊，彈簧鉤，外殼，構(gòu)成。

2.2對(duì)按鈕和質(zhì)量塊的仿真驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)計(jì)

在ADAMS中選用單位為毫米（mm）、千克（kg）、秒（s）。按鈕和質(zhì)量塊的質(zhì)量已知，修改按鈕質(zhì)量為5E-05 kg，質(zhì)量塊質(zhì)量為5E-04 kg。ADAMS具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，建模時(shí)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)變量。這樣在進(jìn)行參數(shù)化分析時(shí)，根據(jù)建立的設(shè)計(jì)變量，使用ADAMS中的設(shè)計(jì)研究（DS），可以采用不同的參數(shù)值進(jìn)行一系列的仿真。如圖4所示為后座過(guò)載加速度變化曲線，由圖可知簡(jiǎn)化加速度變化方程：

其中k為最大后過(guò)載系數(shù)（發(fā)射時(shí)單位重力的引信零件所受的最大后坐力）；tm為達(dá)到最大加速度彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間；tg為到炮口處彈丸的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

圖4　發(fā)射后座過(guò)載加速度曲線

創(chuàng)建最大后過(guò)載系數(shù)K為設(shè)計(jì)變量DV_1，將變量與對(duì)按鈕和質(zhì)量塊施加的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣隨著變量的改變按鈕和質(zhì)量塊受到的驅(qū)動(dòng)也會(huì)改變。

設(shè)k=DV_1;tm=3 ms;tg=10 ms;時(shí)

則為質(zhì)量塊施加的運(yùn)動(dòng)函數(shù)IF函數(shù)為：F=IF （time-0.003:DV_1*0.000 5*10/0.003*time，DV_1* 0.005，IF（time-0.01:-0.000 5*DV_1*10/0.007*time+ 0.000 5*DV_1*10*0.01/0.007，0，0））

同時(shí)為按鈕施加的運(yùn)動(dòng)函數(shù)IF函數(shù)為：F=IF （time-0.003:DV_1*0.0000 5*10/0.003*time，DV_1* 0.000 5，IF（time-0.01:-0.0000 5*DV_1*10/0.007* time+0.000 05*DV_1*10*0.01/0.007，0，0））

2.3對(duì)按鈕設(shè)計(jì)研究（DS）和結(jié)果分析

在發(fā)射時(shí)，開(kāi)關(guān)要求在最大后座過(guò)載系數(shù)K小于1 000情況下閉合，為了得到在不同K值情況下開(kāi)關(guān)的閉合情況，以測(cè)量彈簧位移的最大量為優(yōu)化分析目標(biāo)，將研究等級(jí)設(shè)為9，設(shè)計(jì)變量為DV_1，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。仿真可得在不同的K值下，彈簧的位移及開(kāi)關(guān)的閉合情況如表1所示。

由表1可得知開(kāi)關(guān)在K值大于550的過(guò)載力下時(shí)，彈簧位移達(dá)到最大，按鈕被壓縮到位，開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自鎖。

表1　最大后座過(guò)載系數(shù)與開(kāi)關(guān)閉合關(guān)系

2.4開(kāi)關(guān)受到勤務(wù)跌落過(guò)載仿真

在勤務(wù)過(guò)程中，引信必然要被搬動(dòng)、運(yùn)輸，因而會(huì)遇到偶然的磕碰、沖擊、跌落，這些情況使引信受到直線慣性力的干擾可能使引信機(jī)構(gòu)提前作用［6］。因此，在ADAMS軟件中建模仿真開(kāi)關(guān)在1.5 m高處跌落到鐵板上，觀察開(kāi)關(guān)的閉合情況。由彈簧2的運(yùn)動(dòng)位移可知按鈕是否運(yùn)動(dòng)到位。開(kāi)關(guān)跌落后彈簧2的位移如圖5所示。

圖5　彈簧2位移圖

由圖5可以看出，彈簧2被壓縮后又恢復(fù)到初始位置，按鈕沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到位，開(kāi)關(guān)沒(méi)有自鎖。開(kāi)關(guān)滿足1.5 m高跌落的勤務(wù)安全性。

3 Ansys仿真

由于彈簧鉤在心形槽內(nèi)勾著按鈕，使開(kāi)關(guān)自鎖，在碰靶時(shí)彈簧鉤承受按鈕帶來(lái)向上的慣性過(guò)載。按鈕的質(zhì)量雖然很小，但在碰靶時(shí)上萬(wàn)個(gè)g值加速度的情況下依然會(huì)對(duì)鉤子造成高過(guò)載力。彈簧勾在高過(guò)載下是否被破壞決定著開(kāi)關(guān)能不能可靠自鎖。所以利用有限元軟件Ansys對(duì)關(guān)鍵部件彈簧勾進(jìn)行仿真，從而得知在預(yù)定的條件下彈簧鉤是否變形、變形的程度會(huì)不會(huì)使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

3.1建模與仿真

彈簧鉤模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用ANSYS直接建模。進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，生成的有限元模型如下頁(yè)圖6所示。

碰靶加速度為4萬(wàn)個(gè)加速度值，碰靶時(shí)間為60 us，分別對(duì)直徑為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm的彈簧鉤進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算模型采用實(shí)體單元solid187劃分，材料彈性模量為2.12 e11Pa，密度，泊松比為0.3。

圖6　鉤子的有限元模型

開(kāi)關(guān)按鈕的質(zhì)量約為0.05 g，彈簧2提供的壓力為2.4 N，碰靶加速度為4萬(wàn)個(gè)加速度值，碰靶時(shí)間為60 us，則給彈簧鉤處施加的壓力22.4 N。彈簧鉤與按鈕是面接觸，所以對(duì)鉤子處1/6的圓柱表面施加力來(lái)模擬按鈕對(duì)彈簧鉤的壓力。然后用通用后處理器顯示變形后和變形前的對(duì)比圖，仿真結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7　0.4 mm鉤子變形前后對(duì)比

圖8　0.6 mm鉤子變形前后對(duì)比

圖9　0.8 mm鉤子變形前后對(duì)比

在不改變其他條件的情況下，彈簧鉤的直徑增大到0.8 mm時(shí)，彈簧鉤可以滿足在4萬(wàn)個(gè)重力加速度值的過(guò)載下不變形。因此，彈簧鉤的直徑R＞0.8 mm時(shí)，開(kāi)關(guān)可靠自鎖。

4　結(jié)論

本文的慣性加速度開(kāi)關(guān)平時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，并且滿足在發(fā)射和碰靶的雙向過(guò)載下開(kāi)關(guān)持續(xù)可靠閉合。在設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)參數(shù)下，慣性加速度開(kāi)關(guān)不僅能滿足在發(fā)射時(shí)最大過(guò)載為550～1 000個(gè)g重力加速度下的可靠閉合自鎖，而且在彈丸碰靶時(shí)4萬(wàn)個(gè)g反向高過(guò)載下也能保持鎖定狀態(tài)，使引信在發(fā)射前不接通電路，發(fā)射后全彈道過(guò)程中開(kāi)關(guān)可靠自鎖接電。

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Design of Inertial Acceleration Switch for Fuze

LIAN Yun-fei，WANG Li
（School of Mechatronics Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：Aiming at the problem that ordinary switch in the fuze can’t close the circuit reliably when hit the target under high overload circumstance，a mechanical inertial acceleration switch is designed by using of the artillery firing overload which makes it closed and locked.It can keep locked under the high overload caused by hitting，and make the circuit effectively and reliably closed.Experiments and simulation results demonstrate that the switch can achieve reliable auto-lock，which provides the theoretical basis for the actual application.

Key words：inertial acceleration switch，auto- lock，inertial overload

作者簡(jiǎn)介：連云飛（1990-），男，山西朔州人，在讀碩士。研究方向：機(jī)電系統(tǒng)控制。

收稿日期：2015-02-11修回日期：2015-04-18

文章編號(hào)：1002-0640（2016）03-0154-04

中圖分類號(hào)：TJ430.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A