機械式慣性加速度開關(guān)的設(shè)計

山西中北大學(xué)　　李龍星　李波　連云飛

機械式慣性加速度開關(guān)的設(shè)計

山西中北大學(xué)李龍星李波連云飛

針對引信中的普通開關(guān)無法滿足在勤務(wù)和碰靶時雙向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)。利用炮彈的旋轉(zhuǎn)加速度過載使其解除保險，后效期結(jié)束后閉合自鎖。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，本開關(guān)可以實現(xiàn)在發(fā)射后效期結(jié)束后可靠閉合自鎖。

機械式；慣性加速度開關(guān)；自鎖；慣性過載

1　引言

引信用接電開關(guān)的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)，在受到特定的環(huán)境力后開關(guān)閉合，連通電路使其工作［1］。彈丸在發(fā)射過程中所經(jīng)歷的膛內(nèi)環(huán)境非常惡劣，從幾千個g重力加速度到幾萬個g重力加速度的后坐過載以及離心過載。在這樣的環(huán)境下，通常的電路難以經(jīng)受這么高的過載，極易損壞或不能正常工作，這就需要炮彈在膛外接通電路［2］，而且以往用于引信的接電開關(guān)也很難保證在碰靶高過載下接電的可靠性。本文探討設(shè)計一種體積小且適用于引信的自鎖接電開關(guān)。在平時以及勤務(wù)狀態(tài)，開關(guān)處于斷開狀態(tài)。在工作時利用炮彈發(fā)射時的旋轉(zhuǎn)加速度過載使其解除保險，在彈丸飛出炮口后坐過載消失后開關(guān)自鎖，并且在碰靶的反向高過載下不斷開。保證開關(guān)在全彈道有效、可靠地自鎖。

2　慣性加速度開關(guān)的設(shè)計

2.1開關(guān)的組成及原理

圖1　開關(guān)1/4剖面結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)的離心銷和限位板、限位槽采用對稱結(jié)構(gòu)。開關(guān)1/4剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，該開關(guān)的結(jié)構(gòu)有外殼、內(nèi)筒、限位板、上接電片、下接電片、彈簧片、離心銷、內(nèi)筒簧。上下接電片的材料為導(dǎo)電材料。外殼、內(nèi)筒的材料為非導(dǎo)電材料。

閉鎖式接電開關(guān)的使用環(huán)境是高過載、高轉(zhuǎn)速的彈丸發(fā)射狀態(tài)，開關(guān)動作可以利用慣性力和離心力。本開關(guān)主要依靠離心力的作用解除保險。圖1為開關(guān)的初始狀態(tài)，開關(guān)自鎖后各結(jié)構(gòu)位置如圖2所示。在炮彈發(fā)射后，離心銷受到開關(guān)旋轉(zhuǎn)的離心過載壓縮彈簧，解除保險。內(nèi)筒在發(fā)射時受到向上的慣性加速度過載，隨著后座過載加速度的減小，同時離心銷已經(jīng)解除保險，內(nèi)筒受彈簧力運動到底部。上下接電片接通電路，限位板進入限位槽內(nèi)，開關(guān)自鎖。

圖2　開關(guān)自鎖后結(jié)構(gòu)位置圖

2.2開關(guān)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計

慣性驅(qū)動具有制作簡單和無源等優(yōu)點，炮彈在發(fā)射時受到后坐過載和離心過載，均是受到質(zhì)量塊的慣性力壓縮彈簧。因此，可將上述自鎖開關(guān)簡化為質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)進行分析。為了離心銷能可靠解除保險，要求在彈丸出炮口時離心鞘所受的離心力不僅大于解除保險時彈簧抗力，還必須有20%的裕量系數(shù)［3］。設(shè)炮彈最大旋轉(zhuǎn)角速度w=200r/s，離心銷的質(zhì)量為m=0.1g，內(nèi)筒質(zhì)量為0.5g，離心簧的自由高度l=3mm，裝配好高度為l1=1.8mm，離心銷運動到解除保險時彈簧的高度為l2=0.8mm，離心銷質(zhì)心在保險狀態(tài)偏心距為r=3mm。由公式：

其中Fa為離心銷解除保險時彈簧的抗力；K為離心簧剛度；Fb為離心銷解除保險的離心力。

內(nèi)筒受到內(nèi)筒彈簧的力運動到底部使接電片可靠接電，同時在勤務(wù)使內(nèi)筒彈簧會通過內(nèi)筒對離心銷有壓力。設(shè)內(nèi)筒彈簧剛度K=1，自由高度X=10mm，裝配好高度X1=4mm。內(nèi)筒運動到底內(nèi)筒彈簧高度為X2=6.2mm。

3　 ADAMS仿真

軟件SolidWorks有強大的建模功能，而ADAMS具有強大的動力學(xué)仿真功能。SolidWorks軟件建立好的模型可以很方便地導(dǎo)入ADAMS軟件，用SolidWorks建立開關(guān)的三維實體機械結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)入ADAMS中進行運動學(xué)分析和仿真。從而獲得開關(guān)在炮彈發(fā)射后的運動參數(shù)。

3.1建立仿真模型

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［4］。經(jīng)初步設(shè)計后，用SolidWorks建立的模型如圖3。該簡化模型由外殼、內(nèi)筒、離心銷、擋板構(gòu)成。

圖3　開關(guān)的1/4模型剖面圖

3.2仿真模型的參數(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，離心銷的質(zhì)量為1E-01g，內(nèi)筒的質(zhì)量為5E-01g。圖4為炮彈發(fā)射時膛內(nèi)的后坐過載加速度曲線。

圖4　發(fā)射后坐過載加速度曲線

其中tm=3ms（達到最大后坐過載的時間），tg=10ms（到達出炮口時間），amax=1000g，開關(guān)受到旋轉(zhuǎn)離心力和后坐過載力，所以對開關(guān)施加繞軸心的旋轉(zhuǎn)約束，轉(zhuǎn)速為w＞60r/s，對內(nèi)筒施加的運動函數(shù)IF函數(shù)為F=IF（time-0.003：5/0.003*time，5，IF（time-0. 01：-5/0.007*time+0.05/0.007，0，0）。

仿真可知內(nèi)筒運動到底部的時間歷程如圖5所示。

圖5　內(nèi)筒運動歷程圖

由圖5可知，內(nèi)筒在t=18ms時運動到底部，開關(guān)接通電路。同時開關(guān)在勤務(wù)過程中可能受到向下的跌落沖擊力，離心銷要滿足在勤務(wù)過程中受到?jīng)_擊時不會發(fā)生大量變形，使離心銷卡死不能可靠解除保險。

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)可靠閉合不斷開。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550～1000個g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。參數(shù)的設(shè)計和實驗仿真結(jié)果為開關(guān)在實際中的應(yīng)用提供了一定的理論指導(dǎo)。

［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，（02）：40-43.

［3］彭長清.引信機構(gòu)動力學(xué)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1994.

［4］陳立平，張云清，任衛(wèi)群.機械系統(tǒng)動力學(xué)及ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.