連云飛，王　利

（中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原　030051）

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引信慣性加速度開關(guān)的設(shè)計

連云飛，王利

（中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原030051）

摘要：針對引信中的普通開關(guān)無法滿足在碰靶時高過載下可靠接通電路，設(shè)計了一種機械式慣性加速度開關(guān)，利用炮彈發(fā)射時的后座加速度過載使其閉合并且自鎖，在碰靶的反向高過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，該開關(guān)可以實現(xiàn)可靠閉合自鎖。

關(guān)鍵詞：慣性加速度開關(guān)，自鎖，慣性過載

0　引言

引信用接電開關(guān)作用于引信電源及其后續(xù)供給電路之間，其中一項功能是控制電路的工作狀態(tài)，平時接電開關(guān)處于常開狀態(tài)，在發(fā)射或碰擊目標(biāo)過程中開關(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，王利設(shè)計了一種新型機械式加速度開關(guān)［2］、陳智鋒等對閉鎖式接電開關(guān)的接觸可靠性進行改進［1］，都可以利用發(fā)射過載使開關(guān)可靠閉合，但沒有考慮開關(guān)在碰靶時高過載下的穩(wěn)定性。以往用于引信上的開關(guān)也很難保證在碰靶高過載環(huán)境下不被破壞或者保證接電的可靠性。本文探討設(shè)計一種體積小且適用于引信的慣性自鎖開關(guān)，在平時開關(guān)處于斷開狀態(tài)，利用炮彈發(fā)射時的后座過載加速度使其閉合自鎖，并且在碰靶的反向高過載下也能保證有效、可靠地自鎖，使電路持續(xù)可靠接通。

1慣性加速度開關(guān)的設(shè)計

1.1開關(guān)的組成及原理

開關(guān)結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示。

該開關(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。

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

圖2　開關(guān)自鎖機構(gòu)示意圖

1.2開關(guān)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計

由于慣性驅(qū)動具有制作簡單、和無源等優(yōu)點，釆用慣性驅(qū)動時，開關(guān)動作所需能量來自于引信后坐環(huán)境能，即開關(guān)只需要慣性加速度過載觸發(fā)，可將上述自鎖開關(guān)抽象為質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)進行分析［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，開關(guān)按下到底時彈簧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估計彈簧大致的取值范圍。由計算公式K=ma/x可知，質(zhì)量一定時，彈簧的剛度和加速度成正比；彈簧剛度一定時，質(zhì)量和加速度成反比。所以在得到開關(guān)承受過載加速度的環(huán)境后，可以計算出彈簧剛度的取值范圍。

以膛內(nèi)最大后座過載加速度為1 000×9.8 m·s2情況下對有關(guān)參數(shù)進行計算，彈簧剛度的計算式為：

K為彈簧剛度；F為壓彈簧時的抗力；m為按鈕和質(zhì)量塊的總質(zhì)量，m=0.55 g；a為開關(guān)受到的過載加速度。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:

為了在平時跌落時開關(guān)不至于閉合，要求開關(guān)在5 000×9.8 m·s2的最高加速度過載情況下按扭不能壓縮到開關(guān)閉合位置。假設(shè)質(zhì)量塊不會解除保險，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仿真和實驗

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

2.1簡化結(jié)構(gòu)建模

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

圖3　開關(guān)的簡單模型

該簡化模型由按鈕，質(zhì)量塊，彈簧鉤，外殼，構(gòu)成。

2.2對按鈕和質(zhì)量塊的仿真驅(qū)動函數(shù)設(shè)計

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具有強大的參數(shù)化建模功能，建模時可以根據(jù)需要設(shè)計相關(guān)的設(shè)計變量。這樣在進行參數(shù)化分析時，根據(jù)建立的設(shè)計變量，使用ADAMS中的設(shè)計研究（DS），可以采用不同的參數(shù)值進行一系列的仿真。如圖4所示為后座過載加速度變化曲線，由圖可知簡化加速度變化方程：

其中k為最大后過載系數(shù)（發(fā)射時單位重力的引信零件所受的最大后坐力）；tm為達到最大加速度彈丸膛內(nèi)運動時間；tg為到炮口處彈丸的膛內(nèi)運動時間。

圖4　發(fā)射后座過載加速度曲線

創(chuàng)建最大后過載系數(shù)K為設(shè)計變量DV_1，將變量與對按鈕和質(zhì)量塊施加的驅(qū)動進行關(guān)聯(lián)，這樣隨著變量的改變按鈕和質(zhì)量塊受到的驅(qū)動也會改變。

設(shè)k=DV_1;tm=3 ms;tg=10 ms;時

則為質(zhì)量塊施加的運動函數(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））

同時為按鈕施加的運動函數(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對按鈕設(shè)計研究（DS）和結(jié)果分析

在發(fā)射時，開關(guān)要求在最大后座過載系數(shù)K小于1 000情況下閉合，為了得到在不同K值情況下開關(guān)的閉合情況，以測量彈簧位移的最大量為優(yōu)化分析目標(biāo)，將研究等級設(shè)為9，設(shè)計變量為DV_1，對其進行設(shè)計研究。仿真可得在不同的K值下，彈簧的位移及開關(guān)的閉合情況如表1所示。

由表1可得知開關(guān)在K值大于550的過載力下時，彈簧位移達到最大，按鈕被壓縮到位，開關(guān)實現(xiàn)自鎖。

表1　最大后座過載系數(shù)與開關(guān)閉合關(guān)系

2.4開關(guān)受到勤務(wù)跌落過載仿真

在勤務(wù)過程中，引信必然要被搬動、運輸，因而會遇到偶然的磕碰、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構(gòu)提前作用［6］。因此，在ADAMS軟件中建模仿真開關(guān)在1.5 m高處跌落到鐵板上，觀察開關(guān)的閉合情況。由彈簧2的運動位移可知按鈕是否運動到位。開關(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，按鈕沒有運動到位，開關(guān)沒有自鎖。開關(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，使開關(guān)自鎖，在碰靶時彈簧鉤承受按鈕帶來向上的慣性過載。按鈕的質(zhì)量雖然很小，但在碰靶時上萬個g值加速度的情況下依然會對鉤子造成高過載力。彈簧勾在高過載下是否被破壞決定著開關(guān)能不能可靠自鎖。所以利用有限元軟件Ansys對關(guān)鍵部件彈簧勾進行仿真，從而得知在預(yù)定的條件下彈簧鉤是否變形、變形的程度會不會使開關(guān)斷開。

3.1建模與仿真

彈簧鉤模型結(jié)構(gòu)簡單，可用ANSYS直接建模。進行網(wǎng)格劃分后，生成的有限元模型如下頁圖6所示。

碰靶加速度為4萬個加速度值，碰靶時間為60 us，分別對直徑為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm的彈簧鉤進行對比驗證，計算模型采用實體單元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4萬個加速度值，碰靶時間為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，所以對鉤子處1/6的圓柱表面施加力來模擬按鈕對彈簧鉤的壓力。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鉤子變形前后對比

圖8　0.6 mm鉤子變形前后對比

圖9　0.8 mm鉤子變形前后對比

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，彈簧鉤可以滿足在4萬個重力加速度值的過載下不變形。因此，彈簧鉤的直徑R＞0.8 mm時，開關(guān)可靠自鎖。

4　結(jié)論

本文的慣性加速度開關(guān)平時處于斷開狀態(tài)，并且滿足在發(fā)射和碰靶的雙向過載下開關(guān)持續(xù)可靠閉合。在設(shè)計的開關(guān)參數(shù)下，慣性加速度開關(guān)不僅能滿足在發(fā)射時最大過載為550～1 000個g重力加速度下的可靠閉合自鎖，而且在彈丸碰靶時4萬個g反向高過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)射后全彈道過程中開關(guān)可靠自鎖接電。

參考文獻：

［1］陳智鋒，王發(fā)林，房春虎.閉鎖式接電開關(guān)接觸可靠性改進措施［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30（4）:85-88.

［2］王利，周百令.一種新型機械式加速度慣性開關(guān)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2005，27（2）:40-43.

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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

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

收稿日期：2015-02-11修回日期：2015-04-18

文章編號：1002-0640（2016）03-0154-04

中圖分類號：TJ430.3

文獻標(biāo)識碼：A