周小淞，張 亞，連云飛

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西太原 030051)

0 引言

接電開關(guān)是引信重要部件之一，其中一項(xiàng)功能是控制電路的工作狀態(tài)，平時(shí)接電開關(guān)處于常開狀態(tài)，在發(fā)射或碰擊目標(biāo)過程中開關(guān)閉合，連通電路使其工作［1］。開關(guān)作用于引信電源及其后續(xù)供給電路之間，既可以提高引信后續(xù)電路工作的安全性，又能保證電路被持續(xù)可靠的接通。近年來，牛蘭杰等設(shè)計(jì)的一種閉鎖式接電開關(guān)，可以利用發(fā)射過載使開關(guān)可靠閉合，但沒有考慮開關(guān)在碰靶時(shí)候高過載的穩(wěn)定性。以往用于引信上的開關(guān)也很能保證在碰靶高過載環(huán)境下不被破壞或者保證接電的可靠性［2－3］。筆者探討采用借鑒一種民用自鎖開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一種體積小且適用于引信的慣性自鎖開關(guān)，應(yīng)用在軍事上作為一種過載慣性開關(guān)，利用炮彈發(fā)射時(shí)的后座過載加速度使其閉合并且鎖定，接通電路。用Solidworks建立開關(guān)的簡化結(jié)構(gòu)模型，并導(dǎo)入Adams中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真驗(yàn)證開關(guān)的閉合情況。

1 慣性加速度開關(guān)的設(shè)計(jì)

1．1 開關(guān)的組成及原理

自鎖開關(guān)一般是指開關(guān)自帶機(jī)械鎖定功能，按下去，松手后按鈕是不會(huì)完全跳起來的，處于鎖定狀態(tài)，它的主要原理是利用一彈簧勾沿一心形槽滑動(dòng)，心形槽的兩個(gè)尖對(duì)應(yīng)開關(guān)的鎖定與釋放位置。通過借鑒市面上的普通民用6腳接電開關(guān)的設(shè)計(jì)，開關(guān)結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示，開關(guān)主要在普通民用開關(guān)的基礎(chǔ)上減輕按鈕質(zhì)量并加上質(zhì)量塊，同時(shí)去除了開關(guān)的釋放位置，使開關(guān)閉合之后再次受到過載也不會(huì)斷開。該開關(guān)主要有質(zhì)量塊、按鈕、頂蓋、底座、接電片、彈簧鉤、引腳、彈簧。慣性開關(guān)的質(zhì)量塊上聯(lián)接高強(qiáng)度彈簧作用于按鈕，既可以使開關(guān)有效閉合又能避免在碰靶時(shí)質(zhì)量塊的附加過載使機(jī)構(gòu)損壞。頂蓋與底座支撐和固定各個(gè)零部件，質(zhì)量塊受到發(fā)射過載時(shí)向下移動(dòng)壓縮彈簧，使按鈕向下移動(dòng)到預(yù)定位置實(shí)現(xiàn)自鎖。同時(shí)接電片隨著按鈕移動(dòng)接通或者斷開電路。

圖1 開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，自鎖機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件是彈簧鉤，它連接底座和按鈕。開關(guān)未閉合時(shí)，彈簧鉤與按鈕相接觸處位于在心形槽下部的凹槽內(nèi)，當(dāng)開關(guān)受外界環(huán)境力作用閉合過程中，按鈕開始向下運(yùn)動(dòng)，處在心形槽下凹槽內(nèi)的彈簧鉤開始沿著凹槽滑動(dòng)，由于卡槽邊沿的阻擋，彈簧鉤沿著斜坡滑動(dòng)到心形槽上邊凹槽內(nèi)。當(dāng)外界環(huán)境力消失后，按鈕受彈簧力開始向上運(yùn)動(dòng)，彈簧鉤又會(huì)沿著斜坡的邊沿向下滑動(dòng)到心形槽內(nèi)，開關(guān)維持閉合狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自鎖。

圖2 開關(guān)自鎖機(jī)構(gòu)示意圖

1．2 開關(guān)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

由于慣性驅(qū)動(dòng)具有制作簡單、反應(yīng)速度快和無源等優(yōu)點(diǎn)，釆用慣性驅(qū)動(dòng)時(shí)，開關(guān)動(dòng)作所需能量來自于引信后坐環(huán)境能，即開關(guān)只需要加速度過載觸發(fā)，因此，可將上述自鎖開關(guān)簡化為質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)進(jìn)行分析［4］。

按鈕與質(zhì)量塊的質(zhì)量為1．2 g，彈簧的自由高度為8 mm，裝配好高度為6 mm，開關(guān)按下到底時(shí)彈簧總壓縮高度為4．2 mm。由計(jì)算公式K=ma/x可知，質(zhì)量一定時(shí)，彈簧的剛度和加速度成正比;彈簧剛度一定時(shí)，質(zhì)量和加速度成反比。所以在得到外界達(dá)到的加速度范圍后，可以計(jì)算出彈簧剛度的取值范圍。

以膛內(nèi)最大后座過載加速度為:1000×9．8 m·s2情況下對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，彈簧剛度的計(jì)算公式為:

式中:K為彈簧剛度;F為壓彈簧時(shí)的抗力;m為按鈕的質(zhì)量，m=1．2 g;a為按鈕的加速度。

則彈簧的最大抗力為F＜12 N，為使開關(guān)可以閉合當(dāng)F=12 N時(shí)，即彈簧壓縮量為X1=4．2 mm時(shí)

為了在平時(shí)跌落時(shí)開關(guān)不至于閉合，要求開關(guān)在300×9．8 m·s2的加速度情況下彈簧不能壓縮到開關(guān)閉合位置。即彈簧的最小抗力:F＞3．528 N，壓縮量為 X2＜4 mm

K＞0．882 N/mm

計(jì)算開關(guān)在300～1 000個(gè)重力加速度要閉合的彈簧的剛度范圍為:K=ma/x

得:0．882 N/mm＜K＜2．857 N/mm

在對(duì)市場(chǎng)上的6腳自鎖開關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，開關(guān)進(jìn)行的靜壓實(shí)驗(yàn)表明開關(guān)在至少4 N的靜壓力可以閉合，有F=ma可知，開關(guān)閉合需要的最小加速度約為333．3 g符合要求范圍，又由F=kx

得K=0．952 N/mm符合要求，選用該開關(guān)的彈簧作為實(shí)驗(yàn)彈簧。

2 Adam s仿真和實(shí)驗(yàn)

軟件SolidWorks有強(qiáng)大的建模功能，但是它的分析能力比較弱小，而Adams具有強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真和分析功能，它可以分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)模型，但是它的幾何建模功能卻有很多不足之處。由于Solidworks軟件建立好的模型可以很方便的導(dǎo)入Adams軟件，本文用Solidworks建立開關(guān)的三維實(shí)體機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，并導(dǎo)入Adams中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真［5－7］。獲得開關(guān)在炮膛內(nèi)不同加速度下的閉合情況。

2．1 簡化結(jié)構(gòu)建模

用Adams仿真時(shí)，建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，不必過分追求構(gòu)件的幾何、形體同實(shí)際構(gòu)件完全一致，只需保證各運(yùn)動(dòng)之間的相對(duì)尺寸正確即可。這樣既可以獲得理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果，又可以簡化幾何建模。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(shí)際構(gòu)件相同，就可以保證仿真結(jié)果的真實(shí)性［8］。經(jīng)初步設(shè)計(jì)后，用Solidworks建立簡單的模型如圖3。該簡化模型有按鈕(質(zhì)量塊)，彈簧鉤，外殼，彈簧四部分。

圖3 開關(guān)的簡單模型

2．2 對(duì)按鈕的仿真驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)計(jì)

Adams具有強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，建模時(shí)可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)變量。這樣在進(jìn)行參數(shù)化分析時(shí)，根據(jù)建立的設(shè)計(jì)變量，使用Adams中的設(shè)計(jì)研究(DS)，可以采用不同的參數(shù)值進(jìn)行一系列的仿真。如圖4所示為后座過載加速度變化曲線。

圖4 后座過載加速度曲線

由圖4可知簡化加速度變化方程［9］為:

式中:K1為最大后過載系數(shù);tm為達(dá)到最大加速度彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間;tg為到炮口處彈丸的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量DV_1，將變量與對(duì)按鈕施加的約束進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣隨著變量的改變按鈕受到的驅(qū)動(dòng)也會(huì)改變。

設(shè)k1=DV_1;tm=3 ms;tg=10 ms;時(shí)

則為按鈕施加的運(yùn)動(dòng)函數(shù)IF函數(shù)為:F=IF(time－0．003:DV_1*0．0012*10/0．003*time ，DV_1*0．012，IF(time－0．01:－0．0012*DV_1*10/0．007*time+0．0012*DV_1*10*0．01/0．007，0，0))

2．3 設(shè)計(jì)研究(DS)和結(jié)果分析

開關(guān)加速度要求在300～1000個(gè)重力加速度下閉合，為了得到不同加速度情況下開關(guān)的閉合情況，設(shè)計(jì)變量為DV_1，以測(cè)量彈簧位移的最大量為優(yōu)化分析目標(biāo)，將研究等級(jí)設(shè)為9，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。仿真可得在不同的加速度下，彈簧的閉合如表1所列。

表1 仿真時(shí)開關(guān)加速度與閉合關(guān)系

由表1可得知開關(guān)在質(zhì)量塊為1．2 g，彈簧剛度為0．952 N/mm時(shí)，在大于360個(gè)重力加速度時(shí)下可以閉合。

2．4 實(shí)驗(yàn)研究

在實(shí)際操作中，把按鈕加上質(zhì)量塊使其質(zhì)為1．2 g，把開關(guān)固定到跌落沖擊試驗(yàn)臺(tái)(見圖5)上，利用試驗(yàn)臺(tái)跌落沖擊產(chǎn)生的加速度對(duì)開關(guān)的作用，模擬發(fā)射時(shí)的加速值。在跌落沖擊試驗(yàn)臺(tái)得到的最大加速度與開關(guān)閉合關(guān)系如表2。

圖5 跌落沖擊試驗(yàn)臺(tái)

表2 實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)加速度與閉合關(guān)系

由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，此開關(guān)在350個(gè)最小重力加速度條件下可以閉合。兩次結(jié)果有一定的誤差，誤差可能是來自于實(shí)驗(yàn)儀器難于理想的模擬炮彈的發(fā)射狀態(tài)，但整體上測(cè)量值和仿真值基本接近。

3 結(jié)語

文中的慣性加速度開關(guān)利用發(fā)射過載使其閉合并且自鎖。在設(shè)計(jì)的開關(guān)參數(shù)下，慣性加速度開關(guān)不僅能滿足在發(fā)射過載為300～1000個(gè)g加速度下的可靠閉合自鎖。參數(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果為開關(guān)在實(shí)際中的應(yīng)用提供了一定的理論指導(dǎo)。

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