摘 要：微動開關(guān)是一種使用微小的力度和行程就可實(shí)現(xiàn)動作轉(zhuǎn)換的機(jī)械開關(guān)，在航天、航空、艦船、兵器等軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，起著不可替代的作用。傳統(tǒng)微動開關(guān)通常為非密封或水密封類型，密封通常采用橡膠密封圈結(jié)構(gòu)，其耐溫性、耐環(huán)境性能較差，最高僅能滿足125 ℃的高溫要求。傳統(tǒng)微動開關(guān)不具備耐高溫、耐腐蝕、防爆、氣密封功能，因而不適用于一些高溫、高腐蝕性、可燃性、污染性的特殊環(huán)境中。鑒于此，介紹了一種金屬波紋管密封結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到傳統(tǒng)的微動開關(guān)中，可使微動開關(guān)兼?zhèn)涿芊?、耐高溫、耐鹽霧功能。

關(guān)鍵詞：微動開關(guān);金屬波紋管;耐600 ℃高溫;氣密封

0 引言

微動開關(guān)是一種使用微小的力度和行程就可實(shí)現(xiàn)動作轉(zhuǎn)換的機(jī)械開關(guān)，具有觸點(diǎn)間距小、動作行程短、按動力小、通斷迅速等特點(diǎn)。作為機(jī)械電氣開關(guān)，微動開關(guān)廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、儀器儀表、礦山、電力系統(tǒng)、家用電器、電氣設(shè)備等民用領(lǐng)域以及航天、航空、艦船、兵器等軍事領(lǐng)域，對于需頻繁換接電路的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動控制及安全保護(hù)等。開關(guān)雖小，但起著不可替代的作用。當(dāng)前，國際形勢變幻莫測，各國科技、經(jīng)濟(jì)、軍事實(shí)力競爭激烈，傳統(tǒng)微動開關(guān)已經(jīng)不能適應(yīng)先進(jìn)武器裝備的應(yīng)用環(huán)境，例如在太空環(huán)境、高溫環(huán)境、污染性較大的自然環(huán)境中，傳統(tǒng)微動開關(guān)均難以滿足使用要求。而將金屬波紋管應(yīng)用于微動開關(guān)，在傳統(tǒng)微動開關(guān)基礎(chǔ)上用金屬波紋管結(jié)構(gòu)代替常規(guī)的橡膠密封圈結(jié)構(gòu)，可使微動開關(guān)兼?zhèn)涿芊?、耐高溫、耐鹽霧功能。

1 結(jié)構(gòu)組成

1.1? ? 典型波紋管在微動開關(guān)中的應(yīng)用

典型結(jié)構(gòu)應(yīng)用如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由金屬外殼、波紋管、底座、按鈕、推桿及微動開關(guān)瞬動機(jī)構(gòu)組成，金屬波紋管兩端分別與按鈕和底座焊接，底座與套筒之間焊接實(shí)現(xiàn)密封，套筒與殼體之間焊接實(shí)現(xiàn)密封。采用波紋管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橡膠密封圈結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)軸向的動態(tài)密封，最終實(shí)現(xiàn)柱塞驅(qū)動式微動開關(guān)的密封功能。

與傳統(tǒng)的微動開關(guān)相比，該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

（1）常規(guī)的微動開關(guān)基體和殼體通常由塑料制成，封裝采用粘膠等工藝;高溫密封開關(guān)基體和殼體采用金屬材料，各部位的封裝根據(jù)材料和結(jié)構(gòu)差異，采用不同的焊接工藝。（2）驅(qū)動機(jī)構(gòu)是微動開關(guān)將外部的作用力或行程傳遞給開關(guān)內(nèi)部機(jī)構(gòu)的裝置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的動態(tài)密封，是高溫微動開關(guān)的結(jié)構(gòu)和工藝難點(diǎn)，也是最核心的技術(shù)[1]。（3）開關(guān)的接線端子是和外部電路的連接端口，常規(guī)的非密封型微動開關(guān)采用樹脂或塑封端子;高溫密封微動開關(guān)要同時(shí)兼顧與金屬底板間的密封性能和絕緣性能，需要采用玻璃封接或陶瓷封接工藝才能實(shí)現(xiàn)。

1.2? ? 優(yōu)勢

傳統(tǒng)的密封微動開關(guān)通常為橡膠密封圈結(jié)構(gòu)，橡膠由于耐溫性差、易老化、不耐腐蝕，通常僅能滿足125 ℃高溫環(huán)境，并且貯存、使用壽命周期較短，不能在環(huán)境溫度較高的一些特殊場合下使用。而采用波紋管結(jié)構(gòu)的微動開關(guān)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）密封性高。采用波紋管結(jié)構(gòu)的微動開關(guān)應(yīng)用激光熔焊等焊接技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)氣密封功能，密封性（漏率）可達(dá)1×10-5 Pa·cm3/s。（2）耐溫性能優(yōu)越。波紋管采用不銹鋼金屬材料，能耐600 ℃高溫。（3）可靠性高。波紋管具有類似于彈簧的力學(xué)性能，具有較高的重復(fù)精度和疲勞強(qiáng)度，具有較長的使用壽命[2]。（4）耐環(huán)境性能好。采用波紋管結(jié)構(gòu)的微動開關(guān)能耐酸、堿性大氣環(huán)境。（5）具有電磁屏蔽功能。開關(guān)采用全密封金屬外殼，能有效防止電磁干擾。（6）具有防爆功能。波紋管結(jié)構(gòu)為金屬材料，密封等級可以達(dá)到氣密封，可以實(shí)現(xiàn)防爆功能。（7）貯存周期長。波紋管為金屬材料，相對于傳統(tǒng)的塑料、橡膠材料密封結(jié)構(gòu)而言，金屬材料具有更好的穩(wěn)定性和抗老化能力，貯存周期更長。

1.3? ? 涉及的工藝及現(xiàn)狀

金屬波紋管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用所涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)如釬焊、激光焊、電子束焊、電阻焊等，國內(nèi)起步較晚，相關(guān)設(shè)備主要依靠國外進(jìn)口，工藝和關(guān)鍵原材料缺少基礎(chǔ)支撐，精密焊接工藝缺少設(shè)備硬件和工藝參數(shù)積累，開展相應(yīng)的焊接工藝研制難度大、周期長，所需的超薄彈性材料相對缺乏。

2 波紋管設(shè)計(jì)

波紋管參數(shù)的設(shè)計(jì)決定波紋管的使用壽命，而波紋管的使用壽命也決定著微動開關(guān)的使用壽命。因此，要保證波紋管的允許壓縮量能滿足要求。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，波紋管在動作過程中單純承受軸向負(fù)荷，其允許的壓縮位移可取其有效長度的30%～40%。

2.1? ? 波紋管的輸出力計(jì)算

波紋管要求采用彈性優(yōu)良、疲勞極限高、耐腐蝕、加工性能好、焊接/釬焊優(yōu)良的金屬材料，一般采用磷青銅、鈹青銅、不銹鋼等[3]。波紋管具有類似彈簧的力學(xué)性能，在使用時(shí)，往往由于受壓變形，超過材料的屈服點(diǎn)會出現(xiàn)較大的滯后，因此設(shè)計(jì)時(shí)需校核波紋管的輸出力和伸縮位移。

波紋管的輸出力（N）：

F=p×106×A

式中：p為作用在波紋管的壓力（MPa）;A為有效截面積（m2）。

波紋管的有效截面積（m2）：

式中：D為波紋管的外徑（mm）;d為波紋管的內(nèi)徑（mm）。

2.2? ? 波紋管的彈簧常數(shù)計(jì)算

波紋管具有類似于彈簧的力學(xué)性能，其伸縮量δ（mm）與波紋管的彈簧常數(shù)K和作用在波紋管上的力W有關(guān)。

其中，K由波紋管的形狀尺寸計(jì)算確定：

式中：E為波紋管材料的彈性模量（MPa）;D為波紋管外徑（mm）;d為波紋管內(nèi)徑（mm）;n為波紋數(shù);t為波紋管壁厚（mm）;h為溝深（mm）;R為平均半徑（mm），R。

2.3? ? 波紋管的允許壓縮位移計(jì)算

波紋管的允許壓縮位移計(jì)算公式如下：

式中：Wy為允許壓縮位移（mm）;δs為波紋管材料的屈服強(qiáng)度（N/mm2）;R為波紋管的外半徑（mm）;n為波紋管的波紋數(shù)，需要根據(jù)波紋管設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算確定;E為波紋管材料彈性模量（MPa）;t為波紋管的壁厚（mm）;Ka為波紋管的波紋厚度系數(shù)，Ka=，a、d意義如圖2所示;Kb為相對波深系數(shù)，由波紋管外、內(nèi)徑的比值K查表1可得。

3 應(yīng)用

該結(jié)構(gòu)可以推廣應(yīng)用于柱塞式微動開關(guān)結(jié)構(gòu)中，通過改變波紋管的長度及波數(shù)，可滿足不同的行程要求。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)也能推廣應(yīng)用到其他柱塞式運(yùn)動的耐高溫、密封型特種開關(guān)、行程開關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中[4]。

4 結(jié)語

當(dāng)前，國內(nèi)整機(jī)所需要的高溫密封微動開關(guān)配套主要依賴國外進(jìn)口，絕大多數(shù)市場仍然由國外占據(jù)。隨著國內(nèi)航天、航空裝備的快速發(fā)展，該類密封開關(guān)的需求量日益增大，但供貨周期、進(jìn)貨渠道、技術(shù)服務(wù)等方面受限突出。將波紋管結(jié)構(gòu)應(yīng)用到微動開關(guān)中，可實(shí)現(xiàn)耐高溫、密封功能，同時(shí)提高了開關(guān)的耐環(huán)境性能，可以將其應(yīng)用到對耐溫性和密封性要求較高的航天、航空、兵器、船舶、電子等軍工裝備行業(yè)和民用裝備中，具有廣闊的市場前景，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 朱蒙，李明，李剛，等.不同環(huán)境下微動開關(guān)腐蝕形貌及接觸電阻變化對比分析研究[J].裝備環(huán)境工程，2019，16（4）：87-92.

[2] 宋琪琦.微動開關(guān)的熱性能研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2018.

[3] 安徽普眾機(jī)電有限公司.一種高壓絕緣陶瓷真空開關(guān)管：CN202010982046.3[P].2020-12-04.

[4] 寧占虎，姚曉飛，劉學(xué)，等.高氣壓環(huán)境真空開關(guān)分閘速度對波紋管疲勞壽命影響[J].高壓電器，2019，55（12）：46-53.

收稿日期：2021-01-28

作者簡介：侯星舟（1987—），男，貴州榕江人，工程師，研究方向：微動開關(guān)、行程開關(guān)類電子元器件。