引信惯性加速度开关的设计

连云飞，王　利

（中北大学机电工程学院，太原　030051）



引信惯性加速度开关的设计

连云飞，王利

（中北大学机电工程学院，太原030051）

摘要：针对引信中的普通开关无法满足在碰靶时高过载下可靠接通电路，设计了一种机械式惯性加速度开关，利用炮弹发射时的后座加速度过载使其闭合并且自锁，在碰靶的反向高过载下能保持锁定状态，使电路有效、可靠地接通。仿真结果表明，该开关可以实现可靠闭合自锁。

关键词：惯性加速度开关，自锁，惯性过载

0　引言

引信用接电开关作用于引信电源及其后续供给电路之间，其中一项功能是控制电路的工作状态，平时接电开关处于常开状态，在发射或碰击目标过程中开关闭合，连通电路使其工作［1］。这样既可以提高引信后续电路工作的安全性，又能保证电路被持续可靠地接通。近年来，王利设计了一种新型机械式加速度开关［2］、陈智锋等对闭锁式接电开关的接触可靠性进行改进［1］，都可以利用发射过载使开关可靠闭合，但没有考虑开关在碰靶时高过载下的稳定性。以往用于引信上的开关也很难保证在碰靶高过载环境下不被破坏或者保证接电的可靠性。本文探讨设计一种体积小且适用于引信的惯性自锁开关，在平时开关处于断开状态，利用炮弹发射时的后座过载加速度使其闭合自锁，并且在碰靶的反向高过载下也能保证有效、可靠地自锁，使电路持续可靠接通。

1惯性加速度开关的设计

1.1开关的组成及原理

开关结构形状如图1所示。

该开关的结构有质量块（7）、按钮（3）、顶盖（1）、外壳（8）、底座（6）、弹簧钩（9）、引脚（10）、接电片（5）、弹簧1（2）、弹簧2（4）。按钮（3）、顶盖（1）、外壳（8）、底座（6）的材料为非导电材料，接电片（5）与引脚（10）的材料为导电金属。

开关的自锁原理如图2所示，它的原理是：开关未闭合时，弹簧钩与按钮相接触处位于在心形槽下部的凹槽1内，开关受发射惯性过载作用闭合过程中，质量块沿着曲折槽运动然后作用于按钮，按钮受压向下运动，弹簧勾由于卡槽边沿的阻挡沿特定的槽滑动（图中向上箭头），当按钮运动到底部时，弹簧钩滑动到心形槽上边凹槽2内。后座过载消失后，按钮受弹簧力开始向上运动，弹簧钩沿着斜坡的边沿向下滑动（图中向右下箭头）到心形槽内，按钮被钩住不会弹起来，开关自锁，同时接电片接通电路。

图2　开关自锁机构示意图

1.2开关的相关参数设计

由于惯性驱动具有制作简单、和无源等优点，釆用惯性驱动时，开关动作所需能量来自于引信后坐环境能，即开关只需要惯性加速度过载触发，可将上述自锁开关抽象为质量-弹簧系统进行分析［3］。

质量块的质量为0.5 g，按钮质量为0.05 g，弹簧1的自由高度3 mm，装配好高度为3.5 mm.弹簧2的自由高度为6 mm，装配好高度为4 mm，开关按下到底时弹簧1的总拉伸高度为4.2 mm，弹簧2总压缩高度为4.2 mm。忽略曲折槽的影响来估计弹簧大致的取值范围。由计算公式K=ma/x可知，质量一定时，弹簧的刚度和加速度成正比；弹簧刚度一定时，质量和加速度成反比。所以在得到开关承受过载加速度的环境后，可以计算出弹簧刚度的取值范围。

以膛内最大后座过载加速度为1 000×9.8 m·s2情况下对有关参数进行计算，弹簧刚度的计算式为：

K为弹簧刚度；F为压弹簧时的抗力；m为按钮和质量块的总质量，m=0.55 g；a为开关受到的过载加速度。则两弹簧的最大抗力取值范围为F＞5.5 N，为使开关可以闭合，即弹簧1的拉伸量为x1=4.2 mm，弹簧2压缩量为X2=4.2 mm时:

为了在平时跌落时开关不至于闭合，要求开关在5 000×9.8 m·s2的最高加速度过载情况下按扭不能压缩到开关闭合位置。假设质量块不会解除保险，即弹簧2的最小抗力：F＞2.45 N，压缩量为X2＜4.2 mm

由式（1），式（2）可得弹簧的刚度范围，取弹簧的刚度为K1=K2=0.6 N/mm。

2 ADAMS仿真和实验

软件SolidWorks有强大的建模功能，而ADAMS具有强大的动力学仿真和分析功能。本文用SolidWorks建立开关的三维实体机械结构模型，并导入ADAMS中进行运动学分析和仿真。从而获得开关在发射时，不同最大后过载系数下开关的闭合情况，以及开关在勤务时的安全性。这样可以在早期设计阶段完成优化设计，缩短研制周期和降低研制成本［4］。

2.1简化结构建模

用ADAMS仿真时，建立的运动学模型，不必过分追求构件的几何、形体同实际构件完全一致，只需保证各运动之间的相对尺寸正确即可。由程序的求解原理来看，只要仿真构件的质量、质心位置、惯性矩、惯性积同实际构件相同，就可以保证仿真结果的真实性［5］。经初步设计后，把不会发生运动的顶盖、底座、外壳、引脚托简化成外壳模型。因接电片随着按钮运动，可看作是整体简化成按钮模型。用SolidWorks建立的模型如图3所示：

图3　开关的简单模型

该简化模型由按钮，质量块，弹簧钩，外壳，构成。

2.2对按钮和质量块的仿真驱动函数设计

在ADAMS中选用单位为毫米（mm）、千克（kg）、秒（s）。按钮和质量块的质量已知，修改按钮质量为5E-05 kg，质量块质量为5E-04 kg。ADAMS具有强大的参数化建模功能，建模时可以根据需要设计相关的设计变量。这样在进行参数化分析时，根据建立的设计变量，使用ADAMS中的设计研究（DS），可以采用不同的参数值进行一系列的仿真。如图4所示为后座过载加速度变化曲线，由图可知简化加速度变化方程：

其中k为最大后过载系数（发射时单位重力的引信零件所受的最大后坐力）；tm为达到最大加速度弹丸膛内运动时间；tg为到炮口处弹丸的膛内运动时间。

图4　发射后座过载加速度曲线

创建最大后过载系数K为设计变量DV_1，将变量与对按钮和质量块施加的驱动进行关联，这样随着变量的改变按钮和质量块受到的驱动也会改变。

设k=DV_1;tm=3 ms;tg=10 ms;时

则为质量块施加的运动函数IF函数为：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））

同时为按钮施加的运动函数IF函数为：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对按钮设计研究（DS）和结果分析

在发射时，开关要求在最大后座过载系数K小于1 000情况下闭合，为了得到在不同K值情况下开关的闭合情况，以测量弹簧位移的最大量为优化分析目标，将研究等级设为9，设计变量为DV_1，对其进行设计研究。仿真可得在不同的K值下，弹簧的位移及开关的闭合情况如表1所示。

由表1可得知开关在K值大于550的过载力下时，弹簧位移达到最大，按钮被压缩到位，开关实现自锁。

表1　最大后座过载系数与开关闭合关系

2.4开关受到勤务跌落过载仿真

在勤务过程中，引信必然要被搬动、运输，因而会遇到偶然的磕碰、冲击、跌落，这些情况使引信受到直线惯性力的干扰可能使引信机构提前作用［6］。因此，在ADAMS软件中建模仿真开关在1.5 m高处跌落到铁板上，观察开关的闭合情况。由弹簧2的运动位移可知按钮是否运动到位。开关跌落后弹簧2的位移如图5所示。

图5　弹簧2位移图

由图5可以看出，弹簧2被压缩后又恢复到初始位置，按钮没有运动到位，开关没有自锁。开关满足1.5 m高跌落的勤务安全性。

3 Ansys仿真

由于弹簧钩在心形槽内勾着按钮，使开关自锁，在碰靶时弹簧钩承受按钮带来向上的惯性过载。按钮的质量虽然很小，但在碰靶时上万个g值加速度的情况下依然会对钩子造成高过载力。弹簧勾在高过载下是否被破坏决定着开关能不能可靠自锁。所以利用有限元软件Ansys对关键部件弹簧勾进行仿真，从而得知在预定的条件下弹簧钩是否变形、变形的程度会不会使开关断开。

3.1建模与仿真

弹簧钩模型结构简单，可用ANSYS直接建模。进行网格划分后，生成的有限元模型如下页图6所示。

碰靶加速度为4万个加速度值，碰靶时间为60 us，分别对直径为0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm的弹簧钩进行对比验证，计算模型采用实体单元solid187划分，材料弹性模量为2.12 e11Pa，密度，泊松比为0.3。

图6　钩子的有限元模型

开关按钮的质量约为0.05 g，弹簧2提供的压力为2.4 N，碰靶加速度为4万个加速度值，碰靶时间为60 us，则给弹簧钩处施加的压力22.4 N。弹簧钩与按钮是面接触，所以对钩子处1/6的圆柱表面施加力来模拟按钮对弹簧钩的压力。然后用通用后处理器显示变形后和变形前的对比图，仿真结果如图7～图9所示。

图7　0.4 mm钩子变形前后对比

图8　0.6 mm钩子变形前后对比

图9　0.8 mm钩子变形前后对比

在不改变其他条件的情况下，弹簧钩的直径增大到0.8 mm时，弹簧钩可以满足在4万个重力加速度值的过载下不变形。因此，弹簧钩的直径R＞0.8 mm时，开关可靠自锁。

4　结论

本文的惯性加速度开关平时处于断开状态，并且满足在发射和碰靶的双向过载下开关持续可靠闭合。在设计的开关参数下，惯性加速度开关不仅能满足在发射时最大过载为550～1 000个g重力加速度下的可靠闭合自锁，而且在弹丸碰靶时4万个g反向高过载下也能保持锁定状态，使引信在发射前不接通电路，发射后全弹道过程中开关可靠自锁接电。

参考文献：

［1］陈智锋，王发林，房春虎.闭锁式接电开关接触可靠性改进措施［J］.弹箭与制导学报，2010，30（4）:85-88.

［2］王利，周百令.一种新型机械式加速度惯性开关［J］.火炮发射与控制学报，2005，27（2）:40-43.

［3］曹柏桢.飞航导弹战斗部与引信［M］.北京：中国宇航出版社，1995.

［4］贾长治，王兴贵，李金明，等.虚拟样机在火炮研制及评估中的应用研究［J］.火力与指挥控制，2002，27（3）:74-77.

［5］陈立平，张云清，任卫群.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［6］安晓红，顾强.引信设计与应用［M］.北京：国防工业出版社，2006.

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

作者简介：连云飞（1990-），男，山西朔州人，在读硕士。研究方向：机电系统控制。

收稿日期：2015-02-11修回日期：2015-04-18

文章编号：1002-0640（2016）03-0154-04

中图分类号：TJ430.3

文献标识码：A