压力信号开关的设计与分析

冯永具

摘 要： 介绍了一种安装在发动机壳体上的压力信号开关。该压力信号开关能在发动机工作一段时间后快速可靠接通弹上安执电路，确保在导弹过载满足要求的情况下使战斗部能够及时起爆，对影响该压力信号开关性能的关键技术进行了分析，并对关键设计参数进行了计算。

关键词： 压力信号开关；活塞；剪切销；滚珠

1引言

随着时代的发展，科技的进步，导弹也向着快速、更加机动灵活的方向发展，由于导弹具有精确打击的特点，在未来战场上起到越来越重要的作用，为各个国家所重视。导弹一般携带由着相当杀伤力战斗部，在发射过程中需对战斗部进行严密防护措施，以防战斗部误炸。倾斜发射式导弹一般采用三级保险机构进行防护，通过轴向过载、时间延迟机构解除导弹三级保险，弹射弹是在外力作用下弹射到一定高度，发动机点火后，接通弹上安执电路，解除导弹一级保险，因此无法采用以往保险机构，根据垂直弹射弹的需要，设计了一种压力信号器，当发动机内燃气压力达到预定值时动作，接通安执电路。压力信号开关根据作用原理一般有弹簧触片式、插针插孔式等几种形式。由于弹簧触片式建立在发动机内燃气压力和信号器内敏感元件弹性变形昀函数关系上，因此结构较复杂，而插针插孔式建立在插针和插孔的配合上，结构简单。本文探讨的是插针插孔式压力信号开关的设计。

2压力信号开关的设计

压力信号开关主要由壳体、插孔座、套环、滚珠、活塞等几部分组成。压力信号开关结构图见图1。

1—壳体2—插孔座3—定位键4—定位块5—套环6—插针头7—滚珠

8—活塞 9—剪切销10—橡胶环11—紧固螺钉12—密封圈

图l压力信号开关结构图

压力信号开关壳体的一端与发动机的壳体通过细牙螺纹连接，另一端与连接导弹电缆的电连接器连接，压力信号开关壳体采用耐热性不锈钢材料，即保证了连接强度，又可保证具有一定耐热性，同時壳体同燃气接触的端面需涂覆隔热涂料；在套环上粘有橡胶环，减小活塞对套环的冲击力；剪切销用于活塞的初始定位，活塞上装有橡胶密封圈，防止发动机内燃气泄漏，同时活塞上面需开有两个滚珠安装槽，用来安装锁紧滚珠。插孔座有四个插孔，为冗余设计，插座及定位块为热固性塑料，主要是为插孔安装定位，同时在插座与定位块上有通气孔；插针头有四个插针，与金属外壳绝缘，金属外壳周圈有胶木零件，胶木上开有四个孔，以便插针通过，插针后端焊接有铜板，并沉入胶木内，然后上面灌胶。

压力信号开关的工作过程为：当发动机内燃气压力达到一定值后，剪断连接活塞和壳体的剪切销，活塞带动插针头向下运动并插入插座孔一定距离，使插针头与插孔座可靠连接，接通安执电路，实现保险执行机构一级保险解除，活塞上设计有滚珠锁紧装置，防止当发动机压力降为零时，活塞向后移动造成插针头与插孔座接触不良的情况，当活塞开始运动时，滚珠由于麾擦力向后运动减小摩擦，此时活塞可顺利向前运动，直到活塞同套环接触为止，此后滚珠在弹性力作用下有向前运动的趋势，从而大大增加活塞向后运动的摩擦力，使活塞锁紧，保证插针与插孔可靠接触，不松动。

3压力信号开关分析

压力信号开关分析主要包括：壳体螺纹强度分析、剪切销设计及分析和滚珠摩擦自锁分析三部分。

3.1壳体螺纹强度分析

压力信号开关与发动机采用细牙螺纹连接，由于作用到活塞上的燃气压力间接作用到压力信号开关的壳体上，壳体上的细牙螺纹承受全部载荷，由于细牙连接强度没有粗牙螺纹好，考虑到该种工况下螺纹失效形式主要为螺牙剪断，为避免该情况发生，需计算细牙螺纹的最低有效圈数，当实际连接螺纹圈数大于有效圈数时，则可避免螺牙损坏，现分析如下：

（1）

式中：

S——活塞面积，mm2；

Pmax——发动机内燃气最大压力，MPa。

由螺纹牙强度校核公式可得：

（2）

式中：

kz——载荷步均系数，当d/p<9时，kz=5p/d，d/p=9～16，kz=0.56；

d——外螺纹小径，mm；

b——螺纹牙根部宽度，mm；

z——螺纹圈数；

[π]——许用剪切应力，MPa；

[σ]w——许用弯应力，MPa。

设计时应保证计算出有效圈数小于实际连接圈数。

4.2剪切销设计分析

剪切销的设计是压力信号器的关键，由于剪切销作用是给活塞初始定位，防止发动机刚开始工作或者由于运输过载等原因造成误接通安执电路，影响战斗部的使用安全，设计一般步骤：由于剪切销剪断时的压力由总体设计时给出，需根据该压力由公式求出剪切销剪切应力及直径d1，并查阅相应材料手册，确定剪切销的材料。

剪切强度公式：

（3）

式中： [τ]——许用剪切强度，一般取（0.5～0.6） σ，σ为材料抗拉强度，则

（4）

由于不同材料的抗拉强度σ不同，求出的剪切销直径也不同，此时设计时需要综合考虑壳体及活塞的尺寸，选择合适的直径。

4.3滚珠摩擦自锁分析

滚珠通过与活塞和壳体内壁的摩擦进行锁紧，摩擦角的大小决定能否实现锁紧，现对滚珠和活塞受力进行分析，活塞及滚珠受力见图2所示，现以活塞和滚珠为对象进行受力分析，滚珠受壳体内壁摩擦力和活塞摩擦力下保持平衡，由平衡定理可得：

（5）

由上式可得：

（6）

式中：

Fn1——壳体内壁对滚珠的正压，N；

Ft1——壳体内壁对滚珠的摩擦力，N；

Fn2——活塞对滚珠的正压力，N；

Ft2——活塞对滚珠的摩擦力，N；

P——活塞受到的外作用力，N；

α——活塞的斜面也壳体的夹角。

由于锁紧力来自于滚珠与壳体内壁及活塞的摩擦力，由静摩擦力的特性可知，随着正压力的增大而增大，当物体克服静摩擦力时开始运动，因此为保证活塞不运动，即处于锁紧状态，滚珠的摩擦力应小于最大摩擦力，设壳体内壁与滚珠摩擦系数为f1，活塞与滚珠摩擦系数为f2，因此滚珠自锁条件可表示为：

（7）

可得：

（8）

上式即为活塞的自锁条件，当壳体、滚珠与活塞所用材料一致时f1=f2，由该自锁条件可得出摩擦角的范围，一般取f<α<2f，摩擦角α值过大，会导致无法锁紧，过小会导致正压力过火，摩擦角α一定要在合理范围范围内取值：滚珠半径需要考虑滚珠数目、载荷大小、活塞大小等三个方面的因素，滚珠半径大，承载的载荷就大，相应活塞尺寸就大，因此需结合三方面因素来考虑，当已知活塞的大小时，可以通过调整滚珠的数目，来提高承载力。

5 结论

通过对该压力信号器的设计，可以很好满足该压力信号器在垂直弹射弹上的应用，由于对活塞采用了锁紧设计，大大增加了安执电路在导弹飞行期间的连接可靠性，为战斗部及时可靠的起爆提供了前提。

参考文献

[1] 机械设计，濮良贵 纪名刚，2001，高等教育出版社.

[2] 材料力学 单辉祖，1999，高等教育出版社.