基于高過載環(huán)境的機(jī)械過載開關(guān)設(shè)計

劉 辰，王 宇，吳志強(qiáng)

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 引言

智能彈藥通過獲取本身的角速度、加速度等傳感器數(shù)據(jù)，解算自身的姿態(tài)及位置信息，并將其送入控制系統(tǒng)實現(xiàn)增程、精確打擊等功能。在研發(fā)測試階段，需要對智能彈藥的外彈道傳感器數(shù)據(jù)及解算數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[1]。

通常的傳感器難以經(jīng)受高過載沖擊的環(huán)境，極易損壞或不能正常工作。若過載試驗前對傳感器上電，帶電工作的傳感器經(jīng)歷高過載沖擊后結(jié)構(gòu)易損壞，性能無法得到保障[2]。因此，過載沖擊后上電是彈載傳感器正常工作的必要條件。使用非接觸式的機(jī)械過載開關(guān)，利用沖擊過程激發(fā)其機(jī)械觸點，為傳感器供電電路提供信號，用于對傳感器延時上電，避免了傳感器帶電經(jīng)歷高過載過程，達(dá)到保護(hù)傳感器的目的。

目前，國內(nèi)過載開關(guān)主要基于彈簧振子及微機(jī)械結(jié)構(gòu)?；趶椈烧褡拥倪^載開關(guān)直接或間接地使開關(guān)的觸點狀態(tài)發(fā)生變化，實現(xiàn)觸點切換；但觸點狀態(tài)改變后難以維持且加工程序復(fù)雜，不易制作?；谖C(jī)械結(jié)構(gòu)的過載開關(guān)由微機(jī)械系統(tǒng)和電路組成，在承受的加速度達(dá)到規(guī)定值時可使內(nèi)部觸點動作；但此類開關(guān)難以承受高過載，在高過載試驗過程中開關(guān)性能無法得到保障。

本文針對高過載環(huán)境的機(jī)械過載開關(guān)設(shè)計開展了研究。該開關(guān)采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，能承受膛內(nèi)高過載沖擊，且觸發(fā)后狀態(tài)可維持，加工簡單、可靠性高。首先，根據(jù)試驗要求分析開關(guān)原理及工作方式，給出機(jī)械過載開關(guān)整體設(shè)計方案，設(shè)計機(jī)械過載開關(guān)結(jié)構(gòu)組成與裝配方式。然后，進(jìn)行理論計算，確定機(jī)械過載開關(guān)元件相關(guān)參數(shù)；確定研制材料并對機(jī)械過載開關(guān)的簡化模型進(jìn)行力學(xué)仿真。力學(xué)仿真達(dá)到理論結(jié)果后制作實物。最后，進(jìn)行馬希特錘擊試驗和發(fā)射過載試驗。試驗結(jié)果表明，設(shè)計的機(jī)械過載開關(guān)在達(dá)到指定過載時可以有效和可靠地提供信號，為正確采集智能彈藥外彈道傳感器數(shù)據(jù)提供保障。

1 方案設(shè)計

工作原理流程如圖1所示。

圖1 工作原理流程圖Fig.1 The flowchart of working principle

機(jī)械過載開關(guān)觸發(fā)過程的本質(zhì)是一個剪切過程。因此，采用何種方式有效實現(xiàn)對引線的剪切是設(shè)計中需要考慮的問題。設(shè)計中可通過改變激發(fā)部件材料密度與直徑大小，達(dá)到剪切不同線徑引線的目的。但改變材料密度極易受限，改變直徑則影響激發(fā)部件質(zhì)量和機(jī)械過載開關(guān)外形尺寸，進(jìn)而影響機(jī)械過載開關(guān)的觸發(fā)效率。

為提高觸發(fā)效率，提出以柱形桿作為激發(fā)部件，在激發(fā)部件頭端嵌入高硬度十字形刀片作為觸點的創(chuàng)新方法。在不改變機(jī)械過載開關(guān)外殼的情況下，通過選取合適的刀片，配合激發(fā)部件及不同質(zhì)量的質(zhì)量塊即可剪切不同線徑的引線，解決了機(jī)械過載開關(guān)工作過程中失效的問題。彈簧在機(jī)械過載開關(guān)中起保險和復(fù)位的作用。彈簧的選取是本次設(shè)計的難點。

根據(jù)外彈道測試中傳感器上電要求，設(shè)計機(jī)械過載開關(guān)、供電模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體工作方式。

干擾條件是指運輸、撞擊、跌落過程所帶來的過載沖擊。這種沖擊一般表現(xiàn)為脈沖形式，沖擊時間非常短，基本為100～300 μs。在干擾條件下，過載開關(guān)必須不工作、不改變其引線狀態(tài)；正常的沖擊過載表現(xiàn)為近似半正弦曲線形式，沖擊時間可達(dá)10～20 ms。設(shè)計要求沖擊過載過程中加速度峰值大于15 000g(g為重力加速度)時，過載開關(guān)能夠正確工作。在達(dá)到該過載條件后，過載開關(guān)正確給出沖擊指示信號，傳感器供電模塊根據(jù)沖擊指示信號，經(jīng)過延時后對傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電。

機(jī)械過載開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械過載開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of mechanical overload switch

圖2中：①為機(jī)械過載開關(guān)激發(fā)部件，用于敏感沖擊過載，實現(xiàn)開關(guān)觸發(fā)；②為觸點，設(shè)計為刀片形式，用于提高開關(guān)觸發(fā)效率；③為過載開關(guān)外殼，用于支承和保護(hù)激發(fā)部件及開關(guān)引線；④為過載開關(guān)外殼蓋，用于限位；⑤為質(zhì)量塊，固定在激發(fā)部件頭部，用于提高激發(fā)部件工作效率；⑥為供電模塊，用于向傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供電能；⑦為開關(guān)引線，兩端與供電模塊相連，其被激發(fā)部件切斷時，給供電模塊提供信號[3]；⑧為彈簧，用于支撐和復(fù)位激發(fā)部件，防止誤觸發(fā)和誤連通[4]；⑨為螺紋孔，用于固定開關(guān)引線；⑩為軸肩，用于支撐復(fù)位彈簧；為過載開關(guān)外殼凸臺，用于支撐復(fù)位彈簧。

機(jī)械過載開關(guān)工作原理為：質(zhì)量塊通過螺紋安裝在激發(fā)部件遠(yuǎn)離觸點的一端，質(zhì)量塊在沖擊過載條件下同激發(fā)部件一起壓縮機(jī)械過載開關(guān)外殼內(nèi)的彈簧，質(zhì)量塊與激發(fā)部件在沖擊過載下產(chǎn)生的剪切力可剪切引線，使引線的通斷狀態(tài)改變。沖擊過載消失后，彈簧回復(fù)力使激發(fā)部件與質(zhì)量塊復(fù)位，觸點遠(yuǎn)離已斷引線，防止誤觸接通引線。當(dāng)引線由通到斷時，供電模塊根據(jù)引線的斷開狀態(tài)延時向傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電，使采集系統(tǒng)正確采集傳感器數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了在經(jīng)歷高過載沖擊后對傳感器非接觸上電的功能[5-6]。選取合適的彈簧，可避免干擾條件造成機(jī)械過載開關(guān)誤觸發(fā)。

2 開關(guān)相關(guān)參數(shù)設(shè)計

2.1 機(jī)械過載開關(guān)外殼設(shè)計

根據(jù)供電模塊僅通過判斷引線的通斷狀態(tài)，決定機(jī)械過載開關(guān)外殼材料必須是具有一定強(qiáng)度的絕緣材料。聚甲醛是一種性能優(yōu)良的工程塑料，具有類似金屬的硬度、強(qiáng)度和鋼性，在很寬的溫度和濕度范圍內(nèi)都具有良好的自潤滑性、耐疲勞性、耐化學(xué)品性，并富有彈性[7]。在滿足絕緣材料的條件下，鑒于聚甲醛硬度、強(qiáng)度等性能可適應(yīng)過載試驗過程中的惡劣環(huán)境，因此，選取聚甲醛作為外殼及外殼蓋材料。

2.2 激發(fā)部件和質(zhì)量塊設(shè)計

根據(jù)機(jī)械過載開關(guān)的工作原理，激發(fā)部件和質(zhì)量塊應(yīng)采用強(qiáng)度高、密度大的材料制成。從試驗要求、材料成本、加工難度及后續(xù)保護(hù)等方面考慮，銅為合適的金屬材料。其密度符合試驗要求、材料易得、成本相對較低、加工簡單，且后續(xù)保存不易生銹[8]。

利用Solidworks設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸，確定質(zhì)量塊及激發(fā)部件總質(zhì)量為12 g。

2.3 觸點設(shè)計

在干擾條件及過載試驗過程中，柱形激發(fā)部件受到加速度沖擊在外殼內(nèi)轉(zhuǎn)動，如采用單片刀片則無法保證刀片與引線方向垂直或相交，機(jī)械過載開關(guān)將失效。為解決激發(fā)部件隨機(jī)轉(zhuǎn)動導(dǎo)致機(jī)械過載開關(guān)失效的問題，刀片采用十字交叉鑲嵌分布的創(chuàng)新方法，降低了觸點安裝要求，提高了觸發(fā)可靠性，確保激發(fā)部件在扭轉(zhuǎn)時也能全角度剪切引線。

制造刀片的材料必須具有高硬度、高耐磨性，以及必要的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和良好的工藝性，并且不易變形。鎢鋼具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，即使在500 ℃的溫度下也基本保持不變[9]。其高沖擊韌性、耐熱等性能經(jīng)受高過載沖擊，是刀片材料的不二之選。鎢鋼刀片鑲嵌在激發(fā)部件頭端，并通過高強(qiáng)度耐高溫膠固定。

設(shè)計的激發(fā)部件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 激發(fā)部件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of excited component

2.4 彈簧設(shè)計

胡克定律由R.胡克于1678年提出。胡克定律指出：在彈性限度內(nèi)，彈簧在發(fā)生彈性形變時，彈簧的彈力F和彈簧的伸長量(或壓縮量)x成正比，即F=-kx。其中：k為彈簧的彈性系數(shù)[10]。

彈簧在機(jī)械過載開關(guān)中提供兩種功能。一是保險功能，用于支承激發(fā)部件，防止在干擾環(huán)境下誤打開；二是復(fù)位功能，引線剪切后，彈簧復(fù)位激發(fā)部件，防止激發(fā)部件與引線粘連，造成開關(guān)失效。

功能一的目的是防止在運輸、跌落過程的干擾加速度作用下，機(jī)械過載開關(guān)誤觸發(fā)。

跌落過程產(chǎn)生的加速度脈沖占主要因素。跌落產(chǎn)生的加速度與彈丸跌落高度、質(zhì)量、目標(biāo)面材料、包裝方式等有關(guān)。意外跌落加速度脈沖幅值為10 000～15 000g，加速度脈沖作用時間大約為100～300 μs[11]。假設(shè)干擾加速度幅值為10 000g，脈沖作用時間為100 μs。意外跌落加速度脈沖波形可近似由半正弦波代替[12]。意外跌落情況下的加速度曲線如圖4所示。

圖4 意外跌落情況下的加速度曲線Fig.4 Acceleration curve in the case of an accidental drop

(1)

(2)

設(shè)計觸點距離引線為8 mm，即干擾條件下彈簧壓縮量x1最大可為8 mm。此時，彈簧彈性勢能Wk0為:

(3)

假設(shè)在干擾加速度情況下，只有在質(zhì)量塊和激發(fā)部件具有的動能應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能時，才能確保機(jī)械過載開關(guān)在干擾條件下不打開。根據(jù)式(2)與式(3)，需滿足Wk0≥W0，即彈簧彈性系數(shù)k≥2 083 N/m。

功能二的目的是防止開關(guān)失效，確保其可靠性。激發(fā)部件復(fù)位可防止觸點、激發(fā)部件接觸兩端已斷引線，使得引線兩端仍保持連通狀態(tài)。沖擊過載消失后使激發(fā)部件復(fù)位，只需要彈簧在壓縮后的彈性勢能大于克服質(zhì)量塊及激發(fā)部件重力所需做的功即可。經(jīng)歷高過載之后，根據(jù)前述設(shè)計彈簧壓縮量x2最小為8 mm，即克服重力最少需要做功：

W2=m1gx2=0.000 96

(4)

此時，彈簧彈性勢能為：

(5)

根據(jù)式(4)與式(5)，需滿足W1≥W2，解得彈簧彈性系數(shù)k≥30 N/m。

在實際應(yīng)用中，彈簧彈性系數(shù)選取還需考慮過載試驗中加速度的變化。沖擊過載加速度曲線如圖5所示。

圖5 沖擊過載加速度曲線Fig.5 Impact overload acceleration curves

由圖5可知，簡化加速度變化方程為：

(6)

式中：p1為最大沖擊過載系數(shù)；tm為達(dá)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[13-14]。

根據(jù)應(yīng)用需求:指定過載幅值a1為15 000g，tm=3 ms，tg=10 ms，即3 ms達(dá)到最大加速度15 000g。當(dāng)t=tm時，過載達(dá)到最大。根據(jù)膛壓簡化曲線上升段及式(6)，計算可得p1=15 000。

為確保過載試驗中機(jī)械過載開關(guān)能在設(shè)計指標(biāo)的情況下準(zhǔn)確地打開，設(shè)置安全閾值為500g，即機(jī)械過載開關(guān)設(shè)計指標(biāo)為過載14 500g。計算可得t為2.9 ms，即經(jīng)過2.9 ms沖擊過載達(dá)到機(jī)械過載開關(guān)指標(biāo)加速度值。

根據(jù)沖擊過載加速度曲線，質(zhì)量塊與激發(fā)部件總質(zhì)量的質(zhì)心加速度是線性變化的。假設(shè)經(jīng)過時間t1觸點接觸引線，即質(zhì)心運動距離與彈簧壓縮量均為x3=8 mm。則在此過程中，質(zhì)心的加速度可用平均加速度a3表示，質(zhì)心運動所做的功W3(忽略重力與摩擦力做功)需大于彈簧被壓縮后所具有的彈性勢能W4。g取10 m/s2。

(7)

(8)

沖擊過載達(dá)到機(jī)械過載開關(guān)設(shè)計指標(biāo)的時間為2.9 ms,設(shè)計觸點接觸引線所需時間t1=0.9 ms。在0.9 ms時，W3≥W4,即需滿足k≤67 500 N/m。

由上述分析可知，彈簧彈性系數(shù)選取范圍為2 083≤k≤67 500 N/m。

彈簧彈性系數(shù)選取與被切割引線直徑及材料也存在一定關(guān)系。若彈簧彈性系數(shù)增大，則激發(fā)部件與質(zhì)量塊所做的功將更大一部分轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，進(jìn)而影響切割引線效果。

選取彈簧彈性系數(shù)k為2 200 N/m。根據(jù)確定的彈簧彈性系數(shù)，結(jié)合實際情況，可確定彈簧參數(shù)為:線徑1 mm，外徑8 mm，總?cè)?shù)15圈，高度35 mm，材料為65 Mn彈簧鋼；激發(fā)部件及質(zhì)量塊總質(zhì)量為12 g，觸點選用鎢鋼材料刀片，呈十字交叉狀鑲嵌于激發(fā)部件上；觸點距離引線邊緣8 mm；機(jī)械過載開關(guān)外殼選用聚甲醛絕緣材料。

2.5 彈簧力學(xué)仿真

為了降低研發(fā)風(fēng)險，在試制前應(yīng)盡可能地發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足之處，并進(jìn)行完善。這就需要對機(jī)械過載開關(guān)進(jìn)行力學(xué)分析[15]。彈簧對機(jī)械過載開關(guān)起關(guān)鍵作用，沖擊過載加速度作用于激發(fā)部件、質(zhì)量塊及觸點上所產(chǎn)生的效果能通過彈簧的壓縮量間接反映。因此，建立彈簧等效模型進(jìn)行力學(xué)仿真，即可間接反映引線在沖擊過載過程中的通斷狀態(tài)。對機(jī)械過載開關(guān)進(jìn)行模型簡化，可將激發(fā)部件及質(zhì)量塊在加速度沖擊下的做功簡化為質(zhì)量塊在受加速度沖擊下對彈簧做功。分析彈簧的壓縮量即可知彈簧彈性系數(shù)的選取是否符合要求。

彈簧有限元等效模型如圖6所示。

圖6 彈簧有限元等效模型Fig.6 Spring equivalent fimite element model

當(dāng)干擾加速度曲線及沖擊過載加速度曲線已知時，可直接對質(zhì)量塊施以按曲線變化的加速度。彈簧在加速度沖擊下的壓縮量即可用質(zhì)量塊位移近似替代。不同狀態(tài)彈簧等效模型如圖7所示。

圖7 不同狀態(tài)彈簧等效模型Fig.7 Spring equivalent model diagram under different states

變載荷下位移、質(zhì)量塊位移曲線如圖8、圖9所示。

圖8 變載荷下位移曲線Fig.8 Displacement curve under variable load

圖9 質(zhì)量塊位移曲線Fig.9 Mass displacement curve

由圖8可知，彈簧在干擾條件(10 000g)下壓縮量為0.3 mm；由圖9可知，在過載峰值(15 000g)情況下(3 ms處)，彈簧壓縮量為166 mm。在過載加速度峰值點時，彈簧理論壓縮量為166 mm。顯然，彈簧已不在彈性極限內(nèi)。而實際情況中，因機(jī)械過載開關(guān)外殼有外殼蓋的存在，當(dāng)質(zhì)量塊在加速度沖擊下到達(dá)外殼邊緣時便無法再行進(jìn)，可確保彈簧在壓縮過程中不會被無限壓縮，從而保護(hù)了彈簧。

在干擾條件下，因干擾加速度沖擊時間極短，彈簧的壓縮量遠(yuǎn)小于8 mm，證明機(jī)械過載開關(guān)不存在打開的情況。在過載峰值情況下，彈簧壓縮量遠(yuǎn)大于觸點與引線邊緣距離和引線直徑之和，說明激發(fā)部件及質(zhì)量塊在沖擊過載加速度下能壓縮彈簧至引線邊緣，并將加速度沖擊下帶來的剩余能量全部用于剪切引線。

經(jīng)過力學(xué)仿真和應(yīng)力分析可知，上述設(shè)計的機(jī)械過載開關(guān)結(jié)構(gòu)合理，能在發(fā)射過載過程中可靠工作。

3 試驗與結(jié)果

3.1 馬希特錘擊試驗與結(jié)果

在高過載條件下，為驗證不同直徑引線對機(jī)械過載開關(guān)工作的影響以及零部件強(qiáng)度的可靠性，對機(jī)械過載開關(guān)實物進(jìn)行馬希特錘擊試驗。馬希特錘擊試驗是常用的檢查引信安全性和零部件強(qiáng)度等耐過載性能的方法。馬希特錘擊試驗臺通過重力作用，使試驗臺重錘的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，打擊在待測目標(biāo)上，產(chǎn)生沖擊過載。馬希特錘能夠產(chǎn)生的加速度脈沖幅值最高可以達(dá)到40 000g以上，但作用力持續(xù)時間短，一般脈沖寬度在120 μs[16]。

本次試驗使用的馬希特錘擊試驗臺齒數(shù)與沖擊加速度值對應(yīng)表如表1所示。

表1 齒數(shù)與沖擊加速度值對應(yīng)表Tab.1 Correspondence table between the number of teeth and the impact acceleration value

試驗中，選取若干不同外徑聚四氟乙烯絕緣鍍銀銅芯高溫引線進(jìn)行馬希特錘擊試驗。引線外徑與引線是否切斷關(guān)系如表2所示。

表2 引線外徑與引線是否切斷關(guān)系表Table 2 Relationship between the outer diameter of the wire and whether the wire is cut off

經(jīng)馬希特錘擊試驗測試可知，該開關(guān)在受到加速度沖擊約為13 000g時，能將外徑在1.18 mm以下的引線切斷，并能在沖擊加速度消失后使激發(fā)部件及質(zhì)量塊復(fù)位。

3.2 發(fā)射過載試驗與結(jié)果

試驗分兩組共搭載4個機(jī)械過載開關(guān)。試驗中，利用銅柱測壓法測得膛壓并計算膛內(nèi)過載峰值，得到過載峰值分別為15 425g、16 041g，過載持續(xù)時間tg分別為14 ms 、16 ms。

搭載試驗前，引線穿過機(jī)械過載開關(guān)，并將開關(guān)裝入彈體。引線兩端用于連接傳感器供電模塊。搭載試驗完成后，進(jìn)行彈體回收，檢查機(jī)械過載開關(guān)狀況。其引線均已成功被剪切，實現(xiàn)了引線由通到斷的狀態(tài)切換。對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取可知，采集系統(tǒng)均已成功采集到外彈道傳感器數(shù)據(jù)，即傳感器在經(jīng)歷高過載階段后正常工作。同時，激發(fā)部件已復(fù)位。

4 結(jié)論

本文根據(jù)外彈道測試中傳感器需在高過載沖擊消失后上電的要求，設(shè)計了經(jīng)仿真及試驗驗證均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的機(jī)械過載開關(guān)。利用非接觸式的控制開關(guān)控制供電模塊，解決了在經(jīng)歷膛內(nèi)高過載惡劣環(huán)境后對傳感器上電的問題，實現(xiàn)了電池在膛外對傳感器上電及利用采集系統(tǒng)采集外彈道傳感器數(shù)據(jù)的功能。同時，過載試驗后機(jī)械過載開關(guān)結(jié)構(gòu)的完整性證實，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得機(jī)械過載開關(guān)可重復(fù)利用。

根據(jù)設(shè)計過程中彈簧參數(shù)的選取規(guī)則，針對不同量級的沖擊過載，只需選配對應(yīng)的彈簧及引線即可實現(xiàn)機(jī)械過載開關(guān)在沖擊過載下觸發(fā)，為供電模塊提供觸發(fā)信號的功能。