引信用悬臂梁式单向高过载闭合惯性开关

宁晓斌，司昕璐，石彩玲，王竹萍

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安　710065)



引信用悬臂梁式单向高过载闭合惯性开关

宁晓斌，司昕璐，石彩玲，王竹萍

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065)

针对以往惯性开关闭合过载小，无法满足无线电引信钝感度要求的问题，提出了悬臂梁式单向高过载闭合惯性开关。该开关由壳体、接触片、分离支架、碰炸簧片及盖板组成，碰炸簧片以悬臂梁的形式出现，闭合过载较高，并且仅对轴向过载敏感，其结构简单，易于装配。参数验算及试验验证表明：该惯性开关性能稳定，对复杂弹道环境适应能力强，同时对装甲目标的瞬发度也足够高，满足使用要求。

引信；惯性开关；悬臂梁

0　引言

无线电引信配用于迫榴炮多用途弹时，要求引信在弹道上对一定厚度的胶合板具备抗冲击能力即钝感度要求，同时具备对硬质目标具有快速响应能力即瞬发度要求，这就需求引信必须安装有合适的碰炸开关。为保证引信具有良好的瞬发度，对于触发引信，开关通常安装在引信头部，采用碰合类或惯性类触发机构，而对于非触发引信尤其是无线电引信来说，因为引信前端为探测器，前端结构布局不当会对其探测效果产生影响，并且通常没有瞬发度要求，所以一般选用惯性结构碰炸开关[1]。目前，国内多种引信使用的惯性开关，有不少采用了文献《美国军用手册 引信》中或PF1炮弹无线电引信的结构形式，这些开关最低闭合阈值为170g，最高的达到几百g[2]。此类开关为金属外壳，依靠离心力将碰炸杆压紧在安全位置，当碰击目标时，由于前冲力矩的作用使开关闭合，此类开关为“万向”开关，由于结构的限制，闭合过载不能设计的太大。

引信在全寿命周期中经受的环境激励分为储存环境、发射环境、外弹道环境等[3],而引信在外弹道环境飞行过程中要经受空气阻力、爬行力、章动力等[4]，这些力作用于引信上可能会造成引信内部活动零部件的运动。当开关受到上述环境力的影响，甚至在弹道恶劣的极端环境下，会造成碰炸开关碰炸杆的误闭合，使引信的安全性和可靠性得不到保障。本文针对此问题，设计了悬臂梁式单向高过载闭合惯性开关。

1　低过载万向惯性开关

无线电引信在总体设计时，其配用的多用途弹要求对硬质钢板具有快速响应能力，开关需要安装在引信前端，选择惯性类碰炸开关，配合高瞬发的电雷管，可以使弹丸在瞬间产生射流穿透钢板，满足引信瞬发度需求；还要求引信在弹道上对胶合板具有一定的钝感度，这就需要有能抗击胶合板冲击过载的碰炸开关。下面列举一种典型的惯性开关，其结构如图1所示。

图1　惯性开关典型结构图Fig.1　Typical structure ofinertia switch

惯性开关采用金属壳体，由壳体、碰炸簧、碰炸杆、绝缘套、导电套组成，其中壳体、碰炸簧、碰炸杆组成碰炸开关的一个极，导电套构成另一个极，平时两极分离。开关应用时开关轴线沿引信径向放置，碰炸杆靠碰炸簧的压力使其停留在平衡位置，当引信在弹道飞行过程中碰到目标时，碰炸杆受前冲惯性力围绕底部向前摆动，碰炸杆与导电套接触，从而起到开关作用。

开关与磁电机和碰炸电路形成回路，在弹丸发射时后坐过载使磁电机磁芯后坐，开始供电，同时接电开关闭合，引信碰炸电路导通。为防止引信膛炸的风险，需为引信设计闭锁电路，从而增加了电路的设计复杂性(已定型破甲弹引信多采用这种电路模式)。此开关闭合过载小，闭合过载系数下限为200。文献[2]仿真了弹丸着速为480 m/s时，碰击3 mm厚水曲柳胶合板过载系数为2 276，碰击3 mm厚钢板过载系数为146 020[5]。开关闭合过载小于仿真结果过载值，在弹道上不能抵抗碰胶合板的冲击，开关不能满足钝感度的要求。

2　悬臂梁式单向高过载闭合惯性开关

开关的设计依据是引信对法向角为60°放置的钢板有良好的瞬发性能，鉴于在此要求下，当开关碰击钢板时开关受到的轴向过载远远大于径向过载，所以开关闭合形式不必使用周向闭合形式，采用悬臂梁结构形式开关既能减少离心力、振动力等弹道早炸的产生因素，同时解决安装位置受限制的问题，还可以不受牵扯地单纯调整闭合过载。简单的悬臂梁簧片可以满足上述全部要求。为了满足引信弹道钝感度的要求，开关闭合过载值较高，此惯性开关一般不用作擦地炸开关，在引信中安装有单独的擦地炸开关，与此惯性开关并联使用发挥各自的性能。

悬臂梁式单向高过载闭合惯性开关由壳体、接触片、分离支架、碰炸簧片及盖板组成。碰炸簧片为悬臂梁结构，在惯性作用下产生弹性变性与接触片接触，从而形成碰炸回路。该开关采用热固性塑料壳体，闭合形式采用悬臂梁结构，碰炸簧片材料为QBe2。QBe2是力学、物理、化学综合性能良好的一种合金，经过淬火调质后，具有高的强度、弹性、耐疲劳性、耐热性、导电性和耐寒性，可在高温(100～250 ℃)和低温(-70 ℃)下长期使用。惯性开关安装方式如图2所示，壳体朝上，指向弹头。因为开关的闭合方向朝前，与引信所受后坐力及引信电源激活的方向相反，在勤务处理时几乎不可能同时受到两个方向相反的大过载，从而保证了勤务处理过程中的安全。惯性开关结构原理如图2所示。

图2　碰炸开关结构图Fig.2　Structure of inertia switch

在武器系统射击时，引信受到后坐过载，碰炸簧片与盖板接触，开关不作用，保证电路部件的正常充电过程；在弹道上，当引信撞击树枝、草丛等薄弱目标时，因为所受前冲过载小于开关闭合过载，开关不闭合，引信不作用；在弹道末段，引信碰击硬质目标时，引信所获取的负加速度使开关碰炸簧片产生挠性变形，与接触片接触，开关两极导通，使电雷管可靠起爆。

3　开关参数验算及试验验证

要求碰硬质目标时有高瞬发度，对于惯性触发机构而言，在保证可靠性的前提下尽量缩短惯性运动件的行程可提高瞬发度。根据参考文献[2]惯性开关在参数设计时，闭合过载系数应当大于2 276而小于146 020。惯性开关结构参数图及碰炸簧片平面参数图如图3所示。

图3　惯性开关参数Fig.3　Parameters of inertia switch

文中惯性开关悬臂梁的受力分析近似假设为受到瞬间均匀载荷作用。假设当开关受到过载系数为K的过载时惯性开关临界闭合，这时悬臂梁挠度为fB，碰炸簧片与接触片的间隙距离d与fB满足：

d=fB

(1)

即:

(2)

则：

(3)

式中，h为悬臂梁的厚度，b为悬臂梁宽度，l为悬臂梁长度，碰炸簧片材料选取为QBe2。为确保引信的安全性，提高引信的作用可靠性，以参考文献[2]为依据，开关闭合过载值取对水曲柳胶合板闭合过载的三倍裕量。参数h取0.18 mm，b取1.2 mm，l取7.5 mm，d取0.65 mm，常量k3=1.3,常量弹性模量E=95 GPa，将参数代入式(3)，得出K=6 736,满足闭合过载系数大于2 276而小于146 020的要求。

为考核开关的性能，将惯性开关安装在无线电引信上进行了外场试验验证。外场试验验证主要从两方面进行，一是在弹道上能穿透3 mm厚水曲柳胶合板而引信不作用，二是在弹道末段对100 mm厚法向角为60°放置的钢板能瞬发作用，从而充分发挥弹丸的射流威力。为此进行了碰炸性能动态验证试验。

第一项验证试验是开关安装在无线电引信上对3 mm厚水曲柳胶合板射击并观察试验情况，试验结果是引信未在胶合板上作用，说明开关满足设计要求；第二项验证试验是开关安装在无线电引信上对100 mm厚法向角为60°放置的钢板做动破甲试验并观察射流孔情况，结果照片示例见图4，试验情况见表1。

图4　瞬发度试验照片Fig.4　Test photo of instantaneity

两项试验惯性开关均满足要求。此后将惯性开关应用在引信上随引信研制进行了上千发的靶场试验，试验结果表明：当穿过水曲柳胶合板时惯性开关不闭合，说明开关可以抵抗一定的前冲过载，保证了引信在弹道上的安全性； 着靶时开关快速闭合使得

战斗部对装甲钢板产生约165 mm深的射流孔，保证了引信在弹道末段的毁伤可靠性，结果证明惯性开关满足使用要求。

4　结论

本文提出了引信用悬臂梁式单向高过载闭合惯性开关。该开关闭合形式采用悬臂梁结构，闭合过载较高，行程短，对离心力和横向振动不敏感，安装位置不受限制；单方向前冲接触，在发射时开关两极不会因为后坐过载接触而导致电路导通，从而对于要求全弹道作用的引信省略了前端闭锁电路设计。计算与试验表明，开关放置于引信前端，其闭合过载可以抵抗有钝感度要求的弹道环境，在弹道末段当引信碰击硬质目标时，开关能快速闭合，弹丸形成射流穿透硬质钢板，从而很好地发挥了弹丸的威力。

[1]尚雅玲，马宝华.基于计算机仿真的引信惯性开关结构设计[J].探测与控制学报，2004，26(2)：44-50.

[2]房春虎，贾瑾，陈智锋.等带加重块的周向安装惯性触发开关[J].探测与控制学报，2010，32(4)：21-24.

[3]席占稳，张平.聂伟荣圆形质量块/柔性电极MEMS万向触发开关[J].探测与控制学报，2013，35(2)：10-14.

[4]GJB/Z 135-2002,引信工程设计手册[S].北京：总装备部军标出版发行部，2003：303.

[5]陈勇军，王雨时，闻泉.炮射穿甲爆破弹弹底引信前冲过载系数仿真方法[J].探测与控制学报，2015，37(2)：40-45.

Cantilever Beam Based Uni-direction High-Overload Closing Inertia Switch

NING Xiaobin，SI Xinlu,SHI Cailing，WANG Zhuping

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065 , China)

Aiming at the problem that the former inertia switch can’t meet the requirements of the sensitivity of radio fuze, a switch of cantilever beam type single direction high overload closing was brought out. The switch consisted of shell, contact piece, separating bracket, touch fried reed and cover plate, which took advantages on simple structure and installed easily. A touch fried reed took the form of contact beam, which was high overload closing and only sensitive to the axial overload. The test proved that the switch performed stably, and was adaptive to complex ballistic environment with enough high instantanity?to the armored target to meet the requirements of the application.

fuze; inertia switch; cantilever beam

2016-03-03

宁晓斌(1979—)，男，山西河津人，工程师，研究方向：引信总体结构设计。E-mail:nxblfh@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0024-03