寧曉斌，司昕璐，石彩玲，王竹萍

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安　710065)

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引信用懸臂梁式單向高過(guò)載閉合慣性開(kāi)關(guān)

寧曉斌，司昕璐，石彩玲，王竹萍

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

針對(duì)以往慣性開(kāi)關(guān)閉合過(guò)載小，無(wú)法滿足無(wú)線電引信鈍感度要求的問(wèn)題，提出了懸臂梁式單向高過(guò)載閉合慣性開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)由殼體、接觸片、分離支架、碰炸簧片及蓋板組成，碰炸簧片以懸臂梁的形式出現(xiàn)，閉合過(guò)載較高，并且僅對(duì)軸向過(guò)載敏感，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于裝配。參數(shù)驗(yàn)算及試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該慣性開(kāi)關(guān)性能穩(wěn)定，對(duì)復(fù)雜彈道環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，同時(shí)對(duì)裝甲目標(biāo)的瞬發(fā)度也足夠高，滿足使用要求。

引信；慣性開(kāi)關(guān)；懸臂梁

0　引言

無(wú)線電引信配用于迫榴炮多用途彈時(shí)，要求引信在彈道上對(duì)一定厚度的膠合板具備抗沖擊能力即鈍感度要求，同時(shí)具備對(duì)硬質(zhì)目標(biāo)具有快速響應(yīng)能力即瞬發(fā)度要求，這就需求引信必須安裝有合適的碰炸開(kāi)關(guān)。為保證引信具有良好的瞬發(fā)度，對(duì)于觸發(fā)引信，開(kāi)關(guān)通常安裝在引信頭部，采用碰合類或慣性類觸發(fā)機(jī)構(gòu)，而對(duì)于非觸發(fā)引信尤其是無(wú)線電引信來(lái)說(shuō)，因?yàn)橐徘岸藶樘綔y(cè)器，前端結(jié)構(gòu)布局不當(dāng)會(huì)對(duì)其探測(cè)效果產(chǎn)生影響，并且通常沒(méi)有瞬發(fā)度要求，所以一般選用慣性結(jié)構(gòu)碰炸開(kāi)關(guān)[1]。目前，國(guó)內(nèi)多種引信使用的慣性開(kāi)關(guān)，有不少采用了文獻(xiàn)《美國(guó)軍用手冊(cè) 引信》中或PF1炮彈無(wú)線電引信的結(jié)構(gòu)形式，這些開(kāi)關(guān)最低閉合閾值為170g，最高的達(dá)到幾百g[2]。此類開(kāi)關(guān)為金屬外殼，依靠離心力將碰炸桿壓緊在安全位置，當(dāng)碰擊目標(biāo)時(shí)，由于前沖力矩的作用使開(kāi)關(guān)閉合，此類開(kāi)關(guān)為“萬(wàn)向”開(kāi)關(guān)，由于結(jié)構(gòu)的限制，閉合過(guò)載不能設(shè)計(jì)的太大。

引信在全壽命周期中經(jīng)受的環(huán)境激勵(lì)分為儲(chǔ)存環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、外彈道環(huán)境等[3],而引信在外彈道環(huán)境飛行過(guò)程中要經(jīng)受空氣阻力、爬行力、章動(dòng)力等[4]，這些力作用于引信上可能會(huì)造成引信內(nèi)部活動(dòng)零部件的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)受到上述環(huán)境力的影響，甚至在彈道惡劣的極端環(huán)境下，會(huì)造成碰炸開(kāi)關(guān)碰炸桿的誤閉合，使引信的安全性和可靠性得不到保障。本文針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了懸臂梁式單向高過(guò)載閉合慣性開(kāi)關(guān)。

1　低過(guò)載萬(wàn)向慣性開(kāi)關(guān)

無(wú)線電引信在總體設(shè)計(jì)時(shí)，其配用的多用途彈要求對(duì)硬質(zhì)鋼板具有快速響應(yīng)能力，開(kāi)關(guān)需要安裝在引信前端，選擇慣性類碰炸開(kāi)關(guān)，配合高瞬發(fā)的電雷管，可以使彈丸在瞬間產(chǎn)生射流穿透鋼板，滿足引信瞬發(fā)度需求；還要求引信在彈道上對(duì)膠合板具有一定的鈍感度，這就需要有能抗擊膠合板沖擊過(guò)載的碰炸開(kāi)關(guān)。下面列舉一種典型的慣性開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　慣性開(kāi)關(guān)典型結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Typical structure ofinertia switch

慣性開(kāi)關(guān)采用金屬殼體，由殼體、碰炸簧、碰炸桿、絕緣套、導(dǎo)電套組成，其中殼體、碰炸簧、碰炸桿組成碰炸開(kāi)關(guān)的一個(gè)極，導(dǎo)電套構(gòu)成另一個(gè)極，平時(shí)兩極分離。開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)開(kāi)關(guān)軸線沿引信徑向放置，碰炸桿靠碰炸簧的壓力使其停留在平衡位置，當(dāng)引信在彈道飛行過(guò)程中碰到目標(biāo)時(shí)，碰炸桿受前沖慣性力圍繞底部向前擺動(dòng)，碰炸桿與導(dǎo)電套接觸，從而起到開(kāi)關(guān)作用。

開(kāi)關(guān)與磁電機(jī)和碰炸電路形成回路，在彈丸發(fā)射時(shí)后坐過(guò)載使磁電機(jī)磁芯后坐，開(kāi)始供電，同時(shí)接電開(kāi)關(guān)閉合，引信碰炸電路導(dǎo)通。為防止引信膛炸的風(fēng)險(xiǎn)，需為引信設(shè)計(jì)閉鎖電路，從而增加了電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性(已定型破甲彈引信多采用這種電路模式)。此開(kāi)關(guān)閉合過(guò)載小，閉合過(guò)載系數(shù)下限為200。文獻(xiàn)[2]仿真了彈丸著速為480 m/s時(shí)，碰擊3 mm厚水曲柳膠合板過(guò)載系數(shù)為2 276，碰擊3 mm厚鋼板過(guò)載系數(shù)為146 020[5]。開(kāi)關(guān)閉合過(guò)載小于仿真結(jié)果過(guò)載值，在彈道上不能抵抗碰膠合板的沖擊，開(kāi)關(guān)不能滿足鈍感度的要求。

2　懸臂梁式單向高過(guò)載閉合慣性開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)依據(jù)是引信對(duì)法向角為60°放置的鋼板有良好的瞬發(fā)性能，鑒于在此要求下，當(dāng)開(kāi)關(guān)碰擊鋼板時(shí)開(kāi)關(guān)受到的軸向過(guò)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向過(guò)載，所以開(kāi)關(guān)閉合形式不必使用周向閉合形式，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)形式開(kāi)關(guān)既能減少離心力、振動(dòng)力等彈道早炸的產(chǎn)生因素，同時(shí)解決安裝位置受限制的問(wèn)題，還可以不受牽扯地單純調(diào)整閉合過(guò)載。簡(jiǎn)單的懸臂梁簧片可以滿足上述全部要求。為了滿足引信彈道鈍感度的要求，開(kāi)關(guān)閉合過(guò)載值較高，此慣性開(kāi)關(guān)一般不用作擦地炸開(kāi)關(guān)，在引信中安裝有單獨(dú)的擦地炸開(kāi)關(guān)，與此慣性開(kāi)關(guān)并聯(lián)使用發(fā)揮各自的性能。

懸臂梁式單向高過(guò)載閉合慣性開(kāi)關(guān)由殼體、接觸片、分離支架、碰炸簧片及蓋板組成。碰炸簧片為懸臂梁結(jié)構(gòu)，在慣性作用下產(chǎn)生彈性變性與接觸片接觸，從而形成碰炸回路。該開(kāi)關(guān)采用熱固性塑料殼體，閉合形式采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，碰炸簧片材料為QBe2。QBe2是力學(xué)、物理、化學(xué)綜合性能良好的一種合金，經(jīng)過(guò)淬火調(diào)質(zhì)后，具有高的強(qiáng)度、彈性、耐疲勞性、耐熱性、導(dǎo)電性和耐寒性，可在高溫(100～250 ℃)和低溫(-70 ℃)下長(zhǎng)期使用。慣性開(kāi)關(guān)安裝方式如圖2所示，殼體朝上，指向彈頭。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)的閉合方向朝前，與引信所受后坐力及引信電源激活的方向相反，在勤務(wù)處理時(shí)幾乎不可能同時(shí)受到兩個(gè)方向相反的大過(guò)載，從而保證了勤務(wù)處理過(guò)程中的安全。慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2　碰炸開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of inertia switch

在武器系統(tǒng)射擊時(shí)，引信受到后坐過(guò)載，碰炸簧片與蓋板接觸，開(kāi)關(guān)不作用，保證電路部件的正常充電過(guò)程；在彈道上，當(dāng)引信撞擊樹(shù)枝、草叢等薄弱目標(biāo)時(shí)，因?yàn)樗芮皼_過(guò)載小于開(kāi)關(guān)閉合過(guò)載，開(kāi)關(guān)不閉合，引信不作用；在彈道末段，引信碰擊硬質(zhì)目標(biāo)時(shí)，引信所獲取的負(fù)加速度使開(kāi)關(guān)碰炸簧片產(chǎn)生撓性變形，與接觸片接觸，開(kāi)關(guān)兩極導(dǎo)通，使電雷管可靠起爆。

3　開(kāi)關(guān)參數(shù)驗(yàn)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

要求碰硬質(zhì)目標(biāo)時(shí)有高瞬發(fā)度，對(duì)于慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)而言，在保證可靠性的前提下盡量縮短慣性運(yùn)動(dòng)件的行程可提高瞬發(fā)度。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]慣性開(kāi)關(guān)在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，閉合過(guò)載系數(shù)應(yīng)當(dāng)大于2 276而小于146 020。慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)圖及碰炸簧片平面參數(shù)圖如圖3所示。

圖3　慣性開(kāi)關(guān)參數(shù)Fig.3　Parameters of inertia switch

文中慣性開(kāi)關(guān)懸臂梁的受力分析近似假設(shè)為受到瞬間均勻載荷作用。假設(shè)當(dāng)開(kāi)關(guān)受到過(guò)載系數(shù)為K的過(guò)載時(shí)慣性開(kāi)關(guān)臨界閉合，這時(shí)懸臂梁撓度為fB，碰炸簧片與接觸片的間隙距離d與fB滿足：

d=fB

(1)

即:

(2)

則：

(3)

式中，h為懸臂梁的厚度，b為懸臂梁寬度，l為懸臂梁長(zhǎng)度，碰炸簧片材料選取為QBe2。為確保引信的安全性，提高引信的作用可靠性，以參考文獻(xiàn)[2]為依據(jù)，開(kāi)關(guān)閉合過(guò)載值取對(duì)水曲柳膠合板閉合過(guò)載的三倍裕量。參數(shù)h取0.18 mm，b取1.2 mm，l取7.5 mm，d取0.65 mm，常量k3=1.3,常量彈性模量E=95 GPa，將參數(shù)代入式(3)，得出K=6 736,滿足閉合過(guò)載系數(shù)大于2 276而小于146 020的要求。

為考核開(kāi)關(guān)的性能，將慣性開(kāi)關(guān)安裝在無(wú)線電引信上進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證主要從兩方面進(jìn)行，一是在彈道上能穿透3 mm厚水曲柳膠合板而引信不作用，二是在彈道末段對(duì)100 mm厚法向角為60°放置的鋼板能瞬發(fā)作用，從而充分發(fā)揮彈丸的射流威力。為此進(jìn)行了碰炸性能動(dòng)態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)。

第一項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)是開(kāi)關(guān)安裝在無(wú)線電引信上對(duì)3 mm厚水曲柳膠合板射擊并觀察試驗(yàn)情況，試驗(yàn)結(jié)果是引信未在膠合板上作用，說(shuō)明開(kāi)關(guān)滿足設(shè)計(jì)要求；第二項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)是開(kāi)關(guān)安裝在無(wú)線電引信上對(duì)100 mm厚法向角為60°放置的鋼板做動(dòng)破甲試驗(yàn)并觀察射流孔情況，結(jié)果照片示例見(jiàn)圖4，試驗(yàn)情況見(jiàn)表1。

圖4　瞬發(fā)度試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4　Test photo of instantaneity

兩項(xiàng)試驗(yàn)慣性開(kāi)關(guān)均滿足要求。此后將慣性開(kāi)關(guān)應(yīng)用在引信上隨引信研制進(jìn)行了上千發(fā)的靶場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)穿過(guò)水曲柳膠合板時(shí)慣性開(kāi)關(guān)不閉合，說(shuō)明開(kāi)關(guān)可以抵抗一定的前沖過(guò)載，保證了引信在彈道上的安全性； 著靶時(shí)開(kāi)關(guān)快速閉合使得

戰(zhàn)斗部對(duì)裝甲鋼板產(chǎn)生約165 mm深的射流孔，保證了引信在彈道末段的毀傷可靠性，結(jié)果證明慣性開(kāi)關(guān)滿足使用要求。

4　結(jié)論

本文提出了引信用懸臂梁式單向高過(guò)載閉合慣性開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)閉合形式采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，閉合過(guò)載較高，行程短，對(duì)離心力和橫向振動(dòng)不敏感，安裝位置不受限制；單方向前沖接觸，在發(fā)射時(shí)開(kāi)關(guān)兩極不會(huì)因?yàn)楹笞^(guò)載接觸而導(dǎo)致電路導(dǎo)通，從而對(duì)于要求全彈道作用的引信省略了前端閉鎖電路設(shè)計(jì)。計(jì)算與試驗(yàn)表明，開(kāi)關(guān)放置于引信前端，其閉合過(guò)載可以抵抗有鈍感度要求的彈道環(huán)境，在彈道末段當(dāng)引信碰擊硬質(zhì)目標(biāo)時(shí)，開(kāi)關(guān)能快速閉合，彈丸形成射流穿透硬質(zhì)鋼板，從而很好地發(fā)揮了彈丸的威力。

[1]尚雅玲，馬寶華.基于計(jì)算機(jī)仿真的引信慣性開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2004，26(2)：44-50.

[2]房春虎，賈瑾，陳智鋒.等帶加重塊的周向安裝慣性觸發(fā)開(kāi)關(guān)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2010，32(4)：21-24.

[3]席占穩(wěn)，張平.聶偉榮圓形質(zhì)量塊/柔性電極MEMS萬(wàn)向觸發(fā)開(kāi)關(guān)[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2013，35(2)：10-14.

[4]GJB/Z 135-2002,引信工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2003：303.

[5]陳勇軍，王雨時(shí)，聞泉.炮射穿甲爆破彈彈底引信前沖過(guò)載系數(shù)仿真方法[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2015，37(2)：40-45.

Cantilever Beam Based Uni-direction High-Overload Closing Inertia Switch

NING Xiaobin，SI Xinlu,SHI Cailing，WANG Zhuping

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065 , China)

Aiming at the problem that the former inertia switch can’t meet the requirements of the sensitivity of radio fuze, a switch of cantilever beam type single direction high overload closing was brought out. The switch consisted of shell, contact piece, separating bracket, touch fried reed and cover plate, which took advantages on simple structure and installed easily. A touch fried reed took the form of contact beam, which was high overload closing and only sensitive to the axial overload. The test proved that the switch performed stably, and was adaptive to complex ballistic environment with enough high instantanity?to the armored target to meet the requirements of the application.

fuze; inertia switch; cantilever beam

2016-03-03

寧曉斌(1979—)，男，山西河津人，工程師，研究方向：引信總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail:nxblfh@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0024-03