引信用懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關

寧曉斌，司昕璐，石彩玲，王竹萍

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安　710065)

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引信用懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關

寧曉斌，司昕璐，石彩玲，王竹萍

(西安機電信息技術研究所，陜西 西安710065)

針對以往慣性開關閉合過載小，無法滿足無線電引信鈍感度要求的問題，提出了懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關。該開關由殼體、接觸片、分離支架、碰炸簧片及蓋板組成，碰炸簧片以懸臂梁的形式出現，閉合過載較高，并且僅對軸向過載敏感，其結構簡單，易于裝配。參數驗算及試驗驗證表明：該慣性開關性能穩定，對復雜彈道環境適應能力強，同時對裝甲目標的瞬發度也足夠高，滿足使用要求。

引信；慣性開關；懸臂梁

0　引言

無線電引信配用于迫榴炮多用途彈時，要求引信在彈道上對一定厚度的膠合板具備抗沖擊能力即鈍感度要求，同時具備對硬質目標具有快速響應能力即瞬發度要求，這就需求引信必須安裝有合適的碰炸開關。為保證引信具有良好的瞬發度，對于觸發引信，開關通常安裝在引信頭部，采用碰合類或慣性類觸發機構，而對于非觸發引信尤其是無線電引信來說，因為引信前端為探測器，前端結構布局不當會對其探測效果產生影響，并且通常沒有瞬發度要求，所以一般選用慣性結構碰炸開關[1]。目前，國內多種引信使用的慣性開關，有不少采用了文獻《美國軍用手冊 引信》中或PF1炮彈無線電引信的結構形式，這些開關最低閉合閾值為170g，最高的達到幾百g[2]。此類開關為金屬外殼，依靠離心力將碰炸桿壓緊在安全位置，當碰擊目標時，由于前沖力矩的作用使開關閉合，此類開關為“萬向”開關，由于結構的限制，閉合過載不能設計的太大。

引信在全壽命周期中經受的環境激勵分為儲存環境、發射環境、外彈道環境等[3],而引信在外彈道環境飛行過程中要經受空氣阻力、爬行力、章動力等[4]，這些力作用于引信上可能會造成引信內部活動零部件的運動。當開關受到上述環境力的影響，甚至在彈道惡劣的極端環境下，會造成碰炸開關碰炸桿的誤閉合，使引信的安全性和可靠性得不到保障。本文針對此問題，設計了懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關。

1　低過載萬向慣性開關

無線電引信在總體設計時，其配用的多用途彈要求對硬質鋼板具有快速響應能力，開關需要安裝在引信前端，選擇慣性類碰炸開關，配合高瞬發的電雷管，可以使彈丸在瞬間產生射流穿透鋼板，滿足引信瞬發度需求；還要求引信在彈道上對膠合板具有一定的鈍感度，這就需要有能抗擊膠合板沖擊過載的碰炸開關。下面列舉一種典型的慣性開關，其結構如圖1所示。

圖1　慣性開關典型結構圖Fig.1　Typical structure ofinertia switch

慣性開關采用金屬殼體，由殼體、碰炸簧、碰炸桿、絕緣套、導電套組成，其中殼體、碰炸簧、碰炸桿組成碰炸開關的一個極，導電套構成另一個極，平時兩極分離。開關應用時開關軸線沿引信徑向放置，碰炸桿靠碰炸簧的壓力使其停留在平衡位置，當引信在彈道飛行過程中碰到目標時，碰炸桿受前沖慣性力圍繞底部向前擺動，碰炸桿與導電套接觸，從而起到開關作用。

開關與磁電機和碰炸電路形成回路，在彈丸發射時后坐過載使磁電機磁芯后坐，開始供電，同時接電開關閉合，引信碰炸電路導通。為防止引信膛炸的風險，需為引信設計閉鎖電路，從而增加了電路的設計復雜性(已定型破甲彈引信多采用這種電路模式)。此開關閉合過載小，閉合過載系數下限為200。文獻[2]仿真了彈丸著速為480 m/s時，碰擊3 mm厚水曲柳膠合板過載系數為2 276，碰擊3 mm厚鋼板過載系數為146 020[5]。開關閉合過載小于仿真結果過載值，在彈道上不能抵抗碰膠合板的沖擊，開關不能滿足鈍感度的要求。

2　懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關

開關的設計依據是引信對法向角為60°放置的鋼板有良好的瞬發性能，鑒于在此要求下，當開關碰擊鋼板時開關受到的軸向過載遠遠大于徑向過載，所以開關閉合形式不必使用周向閉合形式，采用懸臂梁結構形式開關既能減少離心力、振動力等彈道早炸的產生因素，同時解決安裝位置受限制的問題，還可以不受牽扯地單純調整閉合過載。簡單的懸臂梁簧片可以滿足上述全部要求。為了滿足引信彈道鈍感度的要求，開關閉合過載值較高，此慣性開關一般不用作擦地炸開關，在引信中安裝有單獨的擦地炸開關，與此慣性開關并聯使用發揮各自的性能。

懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關由殼體、接觸片、分離支架、碰炸簧片及蓋板組成。碰炸簧片為懸臂梁結構，在慣性作用下產生彈性變性與接觸片接觸，從而形成碰炸回路。該開關采用熱固性塑料殼體，閉合形式采用懸臂梁結構，碰炸簧片材料為QBe2。QBe2是力學、物理、化學綜合性能良好的一種合金，經過淬火調質后，具有高的強度、彈性、耐疲勞性、耐熱性、導電性和耐寒性，可在高溫(100～250 ℃)和低溫(-70 ℃)下長期使用。慣性開關安裝方式如圖2所示，殼體朝上，指向彈頭。因為開關的閉合方向朝前，與引信所受后坐力及引信電源激活的方向相反，在勤務處理時幾乎不可能同時受到兩個方向相反的大過載，從而保證了勤務處理過程中的安全。慣性開關結構原理如圖2所示。

圖2　碰炸開關結構圖Fig.2　Structure of inertia switch

在武器系統射擊時，引信受到后坐過載，碰炸簧片與蓋板接觸，開關不作用，保證電路部件的正常充電過程；在彈道上，當引信撞擊樹枝、草叢等薄弱目標時，因為所受前沖過載小于開關閉合過載，開關不閉合，引信不作用；在彈道末段，引信碰擊硬質目標時，引信所獲取的負加速度使開關碰炸簧片產生撓性變形，與接觸片接觸，開關兩極導通，使電雷管可靠起爆。

3　開關參數驗算及試驗驗證

要求碰硬質目標時有高瞬發度，對于慣性觸發機構而言，在保證可靠性的前提下盡量縮短慣性運動件的行程可提高瞬發度。根據參考文獻[2]慣性開關在參數設計時，閉合過載系數應當大于2 276而小于146 020。慣性開關結構參數圖及碰炸簧片平面參數圖如圖3所示。

圖3　慣性開關參數Fig.3　Parameters of inertia switch

文中慣性開關懸臂梁的受力分析近似假設為受到瞬間均勻載荷作用。假設當開關受到過載系數為K的過載時慣性開關臨界閉合，這時懸臂梁撓度為fB，碰炸簧片與接觸片的間隙距離d與fB滿足：

d=fB

(1)

即:

(2)

則：

(3)

式中，h為懸臂梁的厚度，b為懸臂梁寬度，l為懸臂梁長度，碰炸簧片材料選取為QBe2。為確保引信的安全性，提高引信的作用可靠性，以參考文獻[2]為依據，開關閉合過載值取對水曲柳膠合板閉合過載的三倍裕量。參數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,常量彈性模量E=95 GPa，將參數代入式(3)，得出K=6 736,滿足閉合過載系數大于2 276而小于146 020的要求。

為考核開關的性能，將慣性開關安裝在無線電引信上進行了外場試驗驗證。外場試驗驗證主要從兩方面進行，一是在彈道上能穿透3 mm厚水曲柳膠合板而引信不作用，二是在彈道末段對100 mm厚法向角為60°放置的鋼板能瞬發作用，從而充分發揮彈丸的射流威力。為此進行了碰炸性能動態驗證試驗。

第一項驗證試驗是開關安裝在無線電引信上對3 mm厚水曲柳膠合板射擊并觀察試驗情況，試驗結果是引信未在膠合板上作用，說明開關滿足設計要求；第二項驗證試驗是開關安裝在無線電引信上對100 mm厚法向角為60°放置的鋼板做動破甲試驗并觀察射流孔情況，結果照片示例見圖4，試驗情況見表1。

圖4　瞬發度試驗照片Fig.4　Test photo of instantaneity

兩項試驗慣性開關均滿足要求。此后將慣性開關應用在引信上隨引信研制進行了上千發的靶場試驗，試驗結果表明：當穿過水曲柳膠合板時慣性開關不閉合，說明開關可以抵抗一定的前沖過載，保證了引信在彈道上的安全性； 著靶時開關快速閉合使得

戰斗部對裝甲鋼板產生約165 mm深的射流孔，保證了引信在彈道末段的毀傷可靠性，結果證明慣性開關滿足使用要求。

4　結論

本文提出了引信用懸臂梁式單向高過載閉合慣性開關。該開關閉合形式采用懸臂梁結構，閉合過載較高，行程短，對離心力和橫向振動不敏感，安裝位置不受限制；單方向前沖接觸，在發射時開關兩極不會因為后坐過載接觸而導致電路導通，從而對于要求全彈道作用的引信省略了前端閉鎖電路設計。計算與試驗表明，開關放置于引信前端，其閉合過載可以抵抗有鈍感度要求的彈道環境，在彈道末段當引信碰擊硬質目標時，開關能快速閉合，彈丸形成射流穿透硬質鋼板，從而很好地發揮了彈丸的威力。

[1]尚雅玲，馬寶華.基于計算機仿真的引信慣性開關結構設計[J].探測與控制學報，2004，26(2)：44-50.

[2]房春虎，賈瑾，陳智鋒.等帶加重塊的周向安裝慣性觸發開關[J].探測與控制學報，2010，32(4)：21-24.

[3]席占穩，張平.聶偉榮圓形質量塊/柔性電極MEMS萬向觸發開關[J].探測與控制學報，2013，35(2)：10-14.

[4]GJB/Z 135-2002,引信工程設計手冊[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2003：303.

[5]陳勇軍，王雨時，聞泉.炮射穿甲爆破彈彈底引信前沖過載系數仿真方法[J].探測與控制學報，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

寧曉斌(1979—)，男，山西河津人，工程師，研究方向：引信總體結構設計。E-mail:nxblfh@163.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0024-03