引信簧片抱球萬向慣性觸發(fā)電開關(guān)動態(tài)特性

倪慶樂，王雨時，嚴(yán)東坡，聞 泉，武波涌，曹義忠

(1. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.湖南兵器建華精密儀器有限公司，湖南 永州 425024；3.余姚市馬渚鎮(zhèn)忠義電子器材廠，浙江 余姚 315450)

引信簧片抱球萬向慣性觸發(fā)電開關(guān)動態(tài)特性

倪慶樂1，王雨時1，嚴(yán)東坡2，聞 泉1，武波涌2，曹義忠3

(1. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.湖南兵器建華精密儀器有限公司，湖南 永州 425024；3.余姚市馬渚鎮(zhèn)忠義電子器材廠，浙江 余姚 315450)

針對傳統(tǒng)慣性觸發(fā)開關(guān)所需慣性過載較大、占用軸向空間也較大的問題，對適用于彈道環(huán)境過載較小場合、采用接電爪抱球結(jié)構(gòu)的小尺寸萬向型機(jī)械式慣性電觸發(fā)開關(guān)，通過ANSYS/LS-DYNA軟件仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)參數(shù)。適當(dāng)選取接電球材料、支撐筒內(nèi)徑尺寸和接電爪尺寸，該開關(guān)可以滿足在任意方向受180g沖擊過載均可連通，受40g恒定過載均不會連通的設(shè)計(jì)要求。適當(dāng)減小接電爪片厚度、寬度或減少片數(shù)，增加接電爪片長度，選取彈性模量小的材料，對金屬材料進(jìn)行表面減摩處理或選擇陶瓷接電球減小摩擦，增大接電球直徑，都可使開關(guān)更易于閉合，反之則有利于安全。

機(jī)電引信；仿真研究；動態(tài)特性；慣性開關(guān)；萬向發(fā)火；擦地炸

0 引言

引信觸發(fā)開關(guān)是利用彈體碰擊目標(biāo)時的反作用力或前沖力閉合，以接通電路，使電起爆元件發(fā)火的裝置，通常分為碰擊觸發(fā)開關(guān)和慣性觸發(fā)開關(guān)兩類。其中慣性觸發(fā)開關(guān)一般安排在彈體(引信)內(nèi)的合適位置，利用彈體碰擊目標(biāo)時感受到的前沖力而閉合[1]。

文獻(xiàn)[2]分析了子母彈子彈碰目標(biāo)時的受力狀態(tài)并討論了影響引信萬向發(fā)火機(jī)構(gòu)作用靈敏度的因素。文獻(xiàn)[3]建立了炮射子母彈子彈引信慣性錘式萬向觸發(fā)機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型，并分析了以輸入加速度為參量的機(jī)構(gòu)解除保險角度與時間的關(guān)系，指出輸入加速度較小時，增加慣性錘質(zhì)量對提高機(jī)構(gòu)觸發(fā)靈敏度作用顯著。文獻(xiàn)[4]對彈底引信擦地炸慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)閉合響應(yīng)時間進(jìn)行了分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證引信擦地炸作用率不小于90%。文獻(xiàn)[5]介紹了一種單兵亞音速火箭彈引信擦地炸慣性觸發(fā)開關(guān)，討論了各設(shè)計(jì)參數(shù)對開關(guān)閉合靈敏度的影響。文獻(xiàn)[6]運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件對一種彈頭觸發(fā)引信擦地炸慣性發(fā)火機(jī)構(gòu)碰擊目標(biāo)過程進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了超口徑尾翼對擦地炸性能影響規(guī)律。文獻(xiàn)[7]針對彈簧壓球結(jié)構(gòu)的引信慣性球電觸發(fā)開關(guān)方向敏感性問題進(jìn)行了分析和計(jì)算，并提出了提高慣性球電觸發(fā)開關(guān)觸發(fā)靈敏度的方法。上述文獻(xiàn)中關(guān)于慣性觸發(fā)開關(guān)的介紹均屬于球壓彈簧的結(jié)構(gòu)，具備萬向發(fā)火性能，但發(fā)火所需慣性過載較大，且占用軸向空間也較大。針對上述球壓彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，誕生了應(yīng)用“彈簧-質(zhì)量”振動系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)的一種適用于彈道環(huán)境過載較小場合、采用接電爪抱球結(jié)構(gòu)的小尺寸萬向型機(jī)械式慣性電觸發(fā)開關(guān)。本文通過ANSYS/LS-DYNA軟件仿真分析驗(yàn)證其可行性。

1 慣性開關(guān)

1.1 “彈簧-質(zhì)量-阻尼”系統(tǒng)原理簡介

慣性開關(guān)的典型結(jié)構(gòu)是“彈簧-質(zhì)量-阻尼”系統(tǒng)，工作原理見圖1。其中，c為阻尼，F(xiàn)為輔助作用力，y(t)和z(t)分別是質(zhì)量塊和開關(guān)殼體相對于慣性空間的位移量。

質(zhì)量塊經(jīng)彈簧和阻尼器與殼體相連，在慣性力作用下，質(zhì)量塊與觸點(diǎn)接觸，當(dāng)慣性力大于設(shè)計(jì)值時，慣性開關(guān)接通電路[8]。

在慣性激勵a(t)作用下系統(tǒng)的力學(xué)平衡方程可表示為

x″+2ξΩx′+Ω2x=aF(t)-a(t)

(1)

本文涉及的開關(guān)結(jié)構(gòu)與普遍采用的“彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)有所不同，原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中支撐筒作為固定電極，接電爪既作為彈性阻尼構(gòu)件，又作為動電極。接電球在慣性力作用下運(yùn)動，擠壓接電爪片，接電爪在片接電球壓力作用下產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)接電球?qū)与娮ζ膲毫ψ銐虼髸r，接電爪片變形量足以使其與支撐筒內(nèi)壁接觸，從而接通電路。

該結(jié)構(gòu)上、下對稱，同類零件均有兩個，從而實(shí)現(xiàn)“萬向”敏感觸發(fā)。接電爪片彎折角度α(圖3)以裝配時與接電球相切為準(zhǔn)。在一種設(shè)計(jì)方案中，經(jīng)三維建模測得接電爪片向上彎折至α=76.7°時剛好與接電球相切。

1.2 建模及仿真

根據(jù)原理圖及各零件尺寸建立三維模型，所建三維模型半剖后如圖4所示。

先在SolidWorks中建好整個慣性開關(guān)的三維模型，然后導(dǎo)入到ANSYSWorkbench中添加材料、劃分網(wǎng)格，通過輸出k文件到ANSYSLS-DYNA中計(jì)算。建立有限元模型如圖5所示。開關(guān)斷開狀態(tài)和閉合狀態(tài)分別如圖6和圖7所示(剖面位置為圖3中的A-A)。

擬定該慣性開關(guān)在任意方向受180g以上過載必須閉合，任意方向受40g以下過載必須不閉合。外徑不大于6 mm，長度不大于10 mm。

在仿真過程中，180g過載系對松土地面的觸發(fā)沖擊過載，根據(jù)測試結(jié)果近似按正弦規(guī)律施加，脈寬設(shè)定為2 ms；40g過載系系統(tǒng)提出的安全過載要求，按恒定值施加。接電爪材料選擇為鈹青銅合金QBe1.9，接電球材料選擇為H62黃銅，其動態(tài)特性仿真用性能參數(shù)列于表1。H62黃銅球與接電爪之間的摩擦系數(shù)f取為0.15[9]。

表1 接電球和接電爪動態(tài)特性仿真用材料參數(shù)

設(shè)計(jì)支撐筒內(nèi)徑3.80 mm，接電爪厚0.1 mm、長4.2 mm、寬0.4 mm。先將施加過載方向取在一接電爪對稱面內(nèi)仿真。在該對稱面內(nèi)調(diào)整過載施加方向與水平方向夾角β(圖3)，分別取β為0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°，仿真表明，機(jī)構(gòu)在180g觸發(fā)過載下均能連通開關(guān)，在40g安全過載下均不能連通開關(guān)。

在上述尺寸不變的條件下，僅將過載施加方向改在接電爪兩蝶片中間的對稱面內(nèi)，再次進(jìn)行仿真。從理論上講該情況最不利于開關(guān)閉合，所以僅仿真180g觸發(fā)過載下開關(guān)的閉合情況。仿真表明，機(jī)構(gòu)在180g觸發(fā)過載下仍均能連通開關(guān)。由此可知，接電球材料為H62黃銅時上述開關(guān)各組成零件尺寸下能滿足設(shè)計(jì)要求。

該條件下在不同方向上分別作用180g觸發(fā)過載、40g安全過載，另外施加假定峰值為120g的觸發(fā)過載、80g安全過載，仿真所得四種情況下開關(guān)閉合時間列入表2中，表中“—”表示開關(guān)未必合。

由表2可看出，開關(guān)在不同方向上受到相同過載時，閉合時間略有不同，β為約30°時，閉合時間最短；β為約80°時，閉合時間最長。由此可以看出：該開關(guān)機(jī)構(gòu)閉合的敏感方位為β約30°，不敏感方位為β約80°。為節(jié)約時間成本，在機(jī)構(gòu)仿真和測試過程中，可根據(jù)情況主要針對上述敏感或不敏感方位進(jìn)行。

將接電球材料換為45鋼(性能參數(shù)見表1)，僅將接電爪片厚度減為0.09 mm，其它尺寸不變。仿真表明，該機(jī)構(gòu)能滿足設(shè)計(jì)要求；將接電球材料換為氧化鋯陶瓷(性能參數(shù)見表1)，接電爪片厚度減薄為0.08 mm，仿真表明，該機(jī)構(gòu)也能滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 不同方向不同過載作用下的開關(guān)閉合時間

1.3 開關(guān)可復(fù)位性驗(yàn)證

開關(guān)在勤務(wù)處理過程中可能受沖擊慣性力作用而意外閉合，即接電球可能會運(yùn)動而使接電爪接觸支撐筒內(nèi)壁，但此時電源尚未接入，閉合僅是開關(guān)的機(jī)械動作，并無接電后果。接電球和接電爪在沖擊慣性力消失后能否復(fù)位直接關(guān)系到彈藥使用安全性和可靠性。對開關(guān)施加圖8所示的過載，該過載初始段為一模擬跌落沖擊的、脈寬300 μs、峰值15 000g的三角形脈沖，之后僅施加重力。通過仿真模擬接電球在沖擊慣性力消失后的運(yùn)動狀態(tài)，探討開關(guān)的可復(fù)位性。仿真得到接電球的運(yùn)動位移如圖9所示。

由圖9可以看出，接電球在沖擊慣性力作用下在上、下兩個接電爪之間振動，最大位移為1.1 mm，在沖擊慣性力消失后接電球運(yùn)動趨于平穩(wěn)，至5 ms前最后一次振動的最大位移為0.04 mm，因此可以認(rèn)為接電球在沖擊慣性力消失后能夠可靠復(fù)位。

實(shí)際的跌落沖擊過程包含多個振幅逐漸減小的脈沖，但增加的脈沖只會增多接電球在接電爪之間的振動次數(shù)，當(dāng)沖擊脈沖消失后接電球仍能復(fù)位。

1.4 開關(guān)周向閉合性能一致性分析

接電爪作為動電極，直接影響開關(guān)接電性能。為保證開關(guān)周向閉合一致性，在零件設(shè)計(jì)過程中采取了以下措施：

1)將開關(guān)內(nèi)筒設(shè)計(jì)為底座-支撐筒-限位筒-支撐筒-底座分段式結(jié)構(gòu)，每種零件均有同軸度要求，并且在圖紙中注明要求采用一次裝夾完成加工；

2)采用特定夾具及沖壓工藝使接電爪彎折和點(diǎn)鉚在同一工步中完成，從而保證接電爪周向彎折角度一致，且接電爪與內(nèi)筒同軸。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)對開關(guān)接電機(jī)械動作的影響

為探討各零件尺寸對開關(guān)接電機(jī)械動作即接電爪張開角度的影響，在設(shè)置支撐筒尺寸不會阻擋接電爪張開的條件下，調(diào)整接電爪片厚度、寬度及長度、接電爪片數(shù)、接電爪彈性模量、接電球與接電爪之間摩擦系數(shù)、接電球直徑七個因素進(jìn)行仿真，因接電爪張開角度不便于計(jì)算機(jī)仿真過程中的測量，故以接電爪尾部張開位移為評價參數(shù)。該張開位移越大，越利于開關(guān)閉合。

2.1 接電爪片尺寸的影響

選取球體材料為45鋼，將接電爪片寬度設(shè)為0.4 mm，長度設(shè)為4.2 mm，改變接電爪片厚度分別為0.10 mm，0.09 mm，0.08 mm，0.06 mm進(jìn)行仿真，結(jié)果列于表3。

表3 接電爪片厚度對其張開位移的影響

由表3可以看出接電爪片厚度的變化對其張開角度影響較大，較薄的接電爪更易識別小過載，且易于閉合。

將接電爪片厚度取為0.1 mm，長度不變，寬度由0.4 mm增大為0.6 mm，仿真得接電爪張開位移為0.036 2 mm，說明接電爪片寬度越窄越易識別小過載，且易于閉合，但影響較小。

將接電爪片厚度取為0.1 mm，寬度不變，長度調(diào)整為4.5 mm，使上、下接電爪在結(jié)構(gòu)中剛好不干涉，仿真得接電爪張開位移為0.133 6 mm，說明接電爪片長度對其張開距離影響較大，接電爪片越長越易識別小過載，且易于閉合。

2.2 接電爪片數(shù)的影響

除接電爪尺寸外，接電爪片數(shù)也是影響開關(guān)機(jī)械動作的一個因素。保持接電球材料為H62黃銅，接電爪片長4.2 mm，寬0.4 mm，厚0.1 mm不變，取接電爪片數(shù)分別為8，9，10，11進(jìn)行仿真，結(jié)果列于表4。

表4 接電爪片數(shù)對其張開位移的影響

由表4可以看出，隨著接電爪片數(shù)的增加，接電爪張開位移減小，但接電爪片數(shù)越多，兩接電爪之間夾角越小，開關(guān)閉合動作對橫向過載施加方向越不敏感，萬向性越好。因此在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)合理選擇接電爪片數(shù)。

2.3 接電爪材料彈性模量的影響.

使用環(huán)境溫度會對材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響，保持接電球材料為H62黃銅，接電爪片長4.2 mm，寬0.4 mm，厚0.1 mm不變，改變接電爪材料彈性模量E分別為120 GPa，125 GPa，130 GPa，135 GPa，140 GPa進(jìn)行仿真，分析材料彈性模量對接電爪張開位移的影響，所得結(jié)果列于表5中。

表5 材料彈性模量對接電爪張開位移的影響

由表5可以看出，隨著接電爪材料彈性模量的增大，接電爪張開位移減小，因此在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)參數(shù)時應(yīng)注意根據(jù)開關(guān)使用環(huán)境考慮材料力學(xué)性能的變化。

2.4 摩擦系數(shù)的影響

保持接電球材料為H62黃銅，接電爪片厚0.06 mm，長4.2 mm，寬0.4 mm不變，改變接電球與接電爪之間的摩擦系數(shù)分別為0.10，0.15，0.20，0.25，0.30進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果列于表6。

表6 摩擦系數(shù)對接電爪張開位移的影響

由表6可看出，隨著接電球與接電爪間摩擦系數(shù)變小，接電球在過載作用下運(yùn)動阻力變小，接電球的運(yùn)動也更易傳遞到接電爪上，接電爪張開位移也越大。因此在設(shè)計(jì)過程中對金屬材料進(jìn)行表面減摩處理或選擇陶瓷材料減小摩擦更易區(qū)分不同過載。

2.5 接電球直徑對接電爪張開位移的影響

接電球直徑會影響接電球質(zhì)量以及接電爪初始張開角度，保持接電球材料為H62黃銅，接電爪片長4.2 mm，寬0.4 mm，厚0.1 mm不變，選取接電球直徑為2.5 mm，3.0 mm，3.5 mm，4.0 mm進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果列于表7。

表7 接電球直徑對接電爪張開位移的影響

由表7可以看出，接電球直徑對接電爪張開位移的影響較大。直徑越大，接電球質(zhì)量也就越大，接電球所受慣性力與接電爪對接電球的支撐力之間的夾角也越小，因此直徑越大的接電球作用于接電爪上的力越大，更有利于開關(guān)閉合，但接電球直徑受到支撐筒內(nèi)徑和接電爪尺寸的限制，在設(shè)計(jì)過程中需選擇合適的接電球直徑。

2.6 加工誤差的影響

接電球材料選擇H62黃銅，考慮加工誤差的影響，對支撐筒內(nèi)徑以及接電爪片厚度、長度、寬度尺寸的散布對機(jī)構(gòu)的影響進(jìn)行仿真分析。得到：支撐筒內(nèi)徑在3.80～3.95 mm、接電爪片厚度在0.08～0.1 mm、長度在4.1～4.3 mm、寬度在0.3～0.5 mm時開關(guān)接電特性均可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.7 接電球材料的影響

接電球材料影響其質(zhì)量以及接電球與接電爪之間的摩擦系數(shù)，氧化鋯陶瓷材料表面光滑，但是密度略小于H62黃銅和45鋼，現(xiàn)保持接電爪片長4.2 mm，寬0.4 mm，厚0.1 mm不變，接電球材料分別選擇H62黃銅、45鋼、氧化鋯陶瓷進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果列于表8。

表8 接電球材料對接電爪張開位移的影響

由表8可以看出，比較接電球材料為H62黃銅和45鋼，由于H62黃銅密度大，質(zhì)量也大，因此接電爪張開位移也較大；比較接電球材料為45鋼和氧化鋯陶瓷，雖然氧化鋯陶瓷的密度小于45鋼，但由于其表面光滑，摩擦系數(shù)小，更易將接電球所受的慣性力傳遞到接電爪，更利于開關(guān)的閉合。因此，接電球材料可選擇密度盡量大的陶瓷材料以利于開關(guān)閉合。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

加工出的開關(guān)樣品如圖10所示，其接電爪材料為12Cr17Ni7不銹鋼帶，厚度0.1 mm，寬度0.3 mm，支撐筒內(nèi)徑為4.2 mm，限位筒內(nèi)徑為3.1 mm，接電球直徑3.5 mm，材料為不銹鋼。將開關(guān)置于離心機(jī)上以離心力模擬前沖過載進(jìn)行接電試驗(yàn)，通過調(diào)整離心機(jī)轉(zhuǎn)速改變前沖過載并通過顯示燈觀察開關(guān)閉合情況，知開關(guān)軸向閉合過載為96g，徑向閉合過載為121g。采用上述尺寸和材料按本文方法建立三維模型并進(jìn)行仿真，得到開關(guān)的軸向閉合過載為85g，徑向閉合過載為110g，均略小于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其原因很可能是開關(guān)加工過程中每一接電爪的彎折角度α不會完全相同且并不會恰好與接電球相切，而是要略小于相切時的彎折角，以此來保證接電爪與接電球的可靠接觸，即在接電爪與接電球之間存在預(yù)緊力。由于該預(yù)緊力難以計(jì)算，故在仿真過程中未添加該力，從而導(dǎo)致仿真過程中接電爪在過載作用下更易變形，即閉合過載值也會比實(shí)際值系統(tǒng)性偏小，說明仿真結(jié)果基本可信。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用LS-DYNA軟件仿真了結(jié)構(gòu)簡單、易于加工的機(jī)械式萬向慣性觸發(fā)電開關(guān)動態(tài)特性。仿真表明，通過適當(dāng)?shù)剡x取接電球材料、支撐筒內(nèi)徑尺寸和接電爪尺寸，該開關(guān)可以滿足在任意方向受180g沖擊過載均可連通開關(guān)，受40g恒定過載均不會連通開關(guān)的設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)過程中可通過適當(dāng)減小接電爪片厚度、寬度或減少片數(shù)，增加接電爪片長度，選取彈性模量小的材料，對金屬材料進(jìn)行表面減摩處理或選擇陶瓷接電球減小摩擦，增大接電球直徑來使開關(guān)更易于閉合，反之則有利于安全。

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Dynamic Characteristics of Fuze Spring Holding Ball Inertia Electric and Percussion Universal Switch

NI Qingle1，WANG Yushi1，YAN Dongpo2，WEN Quan1，WU Boyong2，CAO Yizhong3

(1.School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China; 2.Hunan Weapons Jianhua Precision Instrument Co. Ltd. Yongzhou 425024, China; 3.Yuyao Mazhu Town Zhongyi Electronic Equipment Factory, Yuyao 315450, China)

The traditional inertia trigger switch required large inertia overload and axial space. To solve the problem, ANSYS/LS-DYNA software was used to analysis the electrical connection paw holding ball and small universal mechanical inertia electric and percussion switch, which is suitable for low environmental overload. The material of electrical connection ball, support tube diameter size and electrical connection paw size were properly selected. The switch could be communicated by 180 g shock overload in any direction, and not be communicated by 40 g constant overload. Appropriate reduction of the electrical claw thickness, width or reducing the number of pieces, or increasing the length of the electrical connection claw piece, or selecting a small elastic modulus material, metal material surface friction-reducing treatment, or choose ceramic electrical connection ball decreasing friction, or increasing the diameter of the electrical connection ball, could make the switch closed easier, otherwise, it would be safer.

electromechanical fuze; simulation research; dynamic characteristics; inertia switch; universal firing; graze impact burst

2016-12-26

倪慶樂(1991—)，男，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：引信設(shè)計(jì)及其動態(tài)特性。E-mail:niqingle@126.com。

TJ43

A

1008-1194(2017)03-0030-06