劉 辰，王 宇，吳志強

(南京理工大學機械工程學院，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)進行采集[1]。

通常的傳感器難以經受高過載沖擊的環(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歷高過載沖擊后結構易損壞，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。使用非接觸式的機械過載開關，利用沖擊過程激發(fā)其機械觸點，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歷高過載過程，達到保護傳感器的目的。

目前，國內過載開關主要基于彈簧振子及微機械結構?；趶椈烧褡拥倪^載開關直接或間接地使開關的觸點狀態(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雜，不易制作?；谖C械結構的過載開關由微機械系統(tǒng)和電路組成，在承受的加速度達到規(guī)定值時可使內部觸點動作；但此類開關難以承受高過載，在高過載試驗過程中開關性能無法得到保障。

本文針對高過載環(huán)境的機械過載開關設計開展了研究。該開關采用純機械結構，能承受膛內高過載沖擊，且觸發(fā)后狀態(tài)可維持，加工簡單、可靠性高。首先，根據(jù)試驗要求分析開關原理及工作方式，給出機械過載開關整體設計方案，設計機械過載開關結構組成與裝配方式。然后，進行理論計算，確定機械過載開關元件相關參數(shù)；確定研制材料并對機械過載開關的簡化模型進行力學仿真。力學仿真達到理論結果后制作實物。最后，進行馬希特錘擊試驗和發(fā)射過載試驗。試驗結果表明，設計的機械過載開關在達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

機械過載開關觸發(fā)過程的本質是一個剪切過程。因此，采用何種方式有效實現(xiàn)對引線的剪切是設計中需要考慮的問題。設計中可通過改變激發(fā)部件材料密度與直徑大小，達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)部件質量和機械過載開關外形尺寸，進而影響機械過載開關的觸發(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。在不改變機械過載開關外殼的情況下，通過選取合適的刀片，配合激發(fā)部件及不同質量的質量塊即可剪切不同線徑的引線，解決了機械過載開關工作過程中失效的問題。彈簧在機械過載開關中起保險和復位的作用。彈簧的選取是本次設計的難點。

根據(jù)外彈道測試中傳感器上電要求，設計機械過載開關、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10～20 ms。設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，過載開關能夠正確工作。在達到該過載條件后，過載開關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，經過延時后對傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電。

機械過載開關結構如圖2所示。

圖2 機械過載開關結構圖Fig.2 Structure diagram of mechanical overload switch

圖2中：①為機械過載開關激發(fā)部件，用于敏感沖擊過載，實現(xiàn)開關觸發(fā)；②為觸點，設計為刀片形式，用于提高開關觸發(fā)效率；③為過載開關外殼，用于支承和保護激發(fā)部件及開關引線；④為過載開關外殼蓋，用于限位；⑤為質量塊，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，用于固定開關引線；⑩為軸肩，用于支撐復位彈簧；為過載開關外殼凸臺，用于支撐復位彈簧。

機械過載開關工作原理為：質量塊通過螺紋安裝在激發(fā)部件遠離觸點的一端，質量塊在沖擊過載條件下同激發(fā)部件一起壓縮機械過載開關外殼內的彈簧，質量塊與激發(fā)部件在沖擊過載下產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，彈簧回復力使激發(fā)部件與質量塊復位，觸點遠離已斷引線，防止誤觸接通引線。當引線由通到斷時，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械過載開關誤觸發(fā)。

2 開關相關參數(shù)設計

2.1 機械過載開關外殼設計

根據(jù)供電模塊僅通過判斷引線的通斷狀態(tài)，決定機械過載開關外殼材料必須是具有一定強度的絕緣材料。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、強度和鋼性，在很寬的溫度和濕度范圍內都具有良好的自潤滑性、耐疲勞性、耐化學品性，并富有彈性[7]。在滿足絕緣材料的條件下，鑒于聚甲醛硬度、強度等性能可適應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)部件和質量塊設計

根據(jù)機械過載開關的工作原理，激發(fā)部件和質量塊應采用強度高、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設計結構尺寸，確定質量塊及激發(fā)部件總質量為12 g。

2.3 觸點設計

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轉動，如采用單片刀片則無法保證刀片與引線方向垂直或相交，機械過載開關將失效。為解決激發(fā)部件隨機轉動導致機械過載開關失效的問題，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，并通過高強度耐高溫膠固定。

設計的激發(fā)部件結構如圖3所示。

圖3 激發(fā)部件結構圖Fig.3 Structure diagram of excited component

2.4 彈簧設計

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，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]。

彈簧在機械過載開關中提供兩種功能。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；二是復位功能，引線剪切后，彈簧復位激發(fā)部件，防止激發(fā)部件與引線粘連，造成開關失效。

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，機械過載開關誤觸發(fā)。

跌落過程產生的加速度脈沖占主要因素。跌落產生的加速度與彈丸跌落高度、質量、目標面材料、包裝方式等有關。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)

假設在干擾加速度情況下，只有在質量塊和激發(fā)部件具有的動能應全部轉化為彈簧的彈性勢能時，才能確保機械過載開關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失效，確保其可靠性。激發(fā)部件復位可防止觸點、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)部件復位，只需要彈簧在壓縮后的彈性勢能大于克服質量塊及激發(fā)部件重力所需做的功即可。經歷高過載之后，根據(jù)前述設計彈簧壓縮量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為達到最大加速度彈丸膛內運動時間；tg為到炮口處彈丸的膛內運動時間[13-14]。

根據(jù)應用需求:指定過載幅值a1為15 000g，tm=3 ms，tg=10 ms，即3 ms達到最大加速度15 000g。當t=tm時，過載達到最大。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械過載開關能在設計指標的情況下準確地打開，設置安全閾值為500g，即機械過載開關設計指標為過載14 500g。計算可得t為2.9 ms，即經過2.9 ms沖擊過載達到機械過載開關指標加速度值。

根據(jù)沖擊過載加速度曲線，質量塊與激發(fā)部件總質量的質心加速度是線性變化的。假設經過時間t1觸點接觸引線，即質心運動距離與彈簧壓縮量均為x3=8 mm。則在此過程中，質心的加速度可用平均加速度a3表示，質心運動所做的功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)

沖擊過載達到機械過載開關設計指標的時間為2.9 ms,設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系。若彈簧彈性系數(shù)增大，則激發(fā)部件與質量塊所做的功將更大一部分轉化為彈簧的彈性勢能，進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)，結合實際情況，可確定彈簧參數(shù)為:線徑1 mm，外徑8 mm，總圈數(shù)15圈，高度35 mm，材料為65 Mn彈簧鋼；激發(fā)部件及質量塊總質量為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；機械過載開關外殼選用聚甲醛絕緣材料。

2.5 彈簧力學仿真

為了降低研發(fā)風險，在試制前應盡可能地發(fā)現(xiàn)設計的不足之處，并進行完善。這就需要對機械過載開關進行力學分析[15]。彈簧對機械過載開關起關鍵作用，沖擊過載加速度作用于激發(fā)部件、質量塊及觸點上所產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行力學仿真，即可間接反映引線在沖擊過載過程中的通斷狀態(tài)。對機械過載開關進行模型簡化，可將激發(fā)部件及質量塊在加速度沖擊下的做功簡化為質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。而實際情況中，因機械過載開關外殼有外殼蓋的存在，當質量塊在加速度沖擊下到達外殼邊緣時便無法再行進，可確保彈簧在壓縮過程中不會被無限壓縮，從而保護了彈簧。

在干擾條件下，因干擾加速度沖擊時間極短，彈簧的壓縮量遠小于8 mm，證明機械過載開關不存在打開的情況。在過載峰值情況下，彈簧壓縮量遠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。

經過力學仿真和應力分析可知，上述設計的機械過載開關結構合理，能在發(fā)射過載過程中可靠工作。

3 試驗與結果

3.1 馬希特錘擊試驗與結果

在高過載條件下，為驗證不同直徑引線對機械過載開關工作的影響以及零部件強度的可靠性，對機械過載開關實物進行馬希特錘擊試驗。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化為動能，打擊在待測目標上，產生沖擊過載。馬希特錘能夠產生的加速度脈沖幅值最高可以達到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表如表1所示。

表1 齒數(shù)與沖擊加速度值對應表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行馬希特錘擊試驗。引線外徑與引線是否切斷關系如表2所示。

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

經馬希特錘擊試驗測試可知，該開關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)部件及質量塊復位。

3.2 發(fā)射過載試驗與結果

試驗分兩組共搭載4個機械過載開關。試驗中，利用銅柱測壓法測得膛壓并計算膛內過載峰值，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，引線穿過機械過載開關，并將開關裝入彈體。引線兩端用于連接傳感器供電模塊。搭載試驗完成后，進行彈體回收，檢查機械過載開關狀況。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)，即傳感器在經歷高過載階段后正常工作。同時，激發(fā)部件已復位。

4 結論

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，設計了經仿真及試驗驗證均達到設計指標的機械過載開關。利用非接觸式的控制開關控制供電模塊，解決了在經歷膛內高過載惡劣環(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，過載試驗后機械過載開關結構的完整性證實，其結構的設計使得機械過載開關可重復利用。

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