一種長壽命微動開關的設計

楊勝利

（貴州振華華聯電子有限公司，貴州黔東南556000）

1 概述

1.1 任務來源

根據公司“十三五”發展規劃中提出的“強基礎、謀發展”的戰略決策，產品技術處開展了對產品基礎指標的分析研究，其中將微動開關的長壽命指標作為主攻方向。

1.2 立項背景

多年以來，微動開關的長壽命指標，一直是困擾微動開關發展的瓶頸技術，直接影響產品的價格和市場占有率，阻礙了產品的推廣應用。在實際工作中，經常遇到用戶因開關壽命太短而不使用，或開關因壽命太短而不能應用于整機的關鍵、重要系統的現象。特別是航空用戶，普遍對開關的壽命要求較高，如供油系統的到位指示屬于頻繁使用的開關，要求壽命較長，如航空XX廠要求開關壽命需達100萬次左右。壽命次數直接影響產品價格，如KW5C壽命在1萬次的價格200元左右，壽命在100萬次的價格為2 000～4 000元。產品的長壽命指標直接影響產品的附加值，為此產品技術處將長壽命技術列為攻關目標。

1.3 項目簡介

在公司各級領導的指示、關心下，特別是市場部門的要求下，產品技術處組織研究團隊，對長壽命技術進行探索性研究，以求取得局部突破，最終整體提升開關品質。該項目通過對微動開關的動作特性、應力分析，從理論上進行研究和計算，并結合公司生產微動開關多年的技術積淀，對彈性零件（特別是弓簧片）進行優化改進，取得良好效果，達到預定研究目標。當然，長壽命技術的研究，只有進行時，沒有完成時，提升產品質量、提高產品附加值是永恒的主題。

1.4 國內外同類技術概況

微動開關“壽命”指的是微動開關在使用周期內重復動作的循環次數，它是考核微動開關機械和電氣可靠性的指標，包括機械壽命和電氣壽命。

“壽命”是衡量微動開關可靠性的重要指標，對微動開關“長壽命”技術指標的研究，其本身就是微動開關的前沿課題，是較難突破的關鍵技術難題，是目前國內外存在的共性難題，目前國家軍用標準（GJB809A）和美軍標（MIL-8805）均沒有技術參數的具體規定。微動開關屬于“有限壽命機電元件”，這主要是由于微動開關是機械結構、機械轉換，其動態配合零件會產生磨損、疲勞失效，其壽命長短受制于材料、結構、加工精度、熱處理工藝等多種因素。

微動開關國內同行廠家（軍口）主要是航空XX廠等，開關的壽命次數普遍在1萬～2萬次，與我公司的開關壽命次數差不多。

微動開關國外廠家主要有美國Honeywell公司、OTTO公司，規定壽命在10萬～100萬次，普遍高于國內廠家。

1.5 企業目前狀況

隨著武器裝備對開關產品工作可靠性的要求越來越高，預計將會有越來越多的用戶對開關的壽命指標提出更高的要求。目前，微動開關的壽命一般在1萬～5萬次，遠遠不能達到用戶要求。

因此，為了滿足用戶對微動開關的長壽命要求，提升微動開關品質和市場競爭力，我們將微動開關的長壽命作為今年的重點攻關項目。

2 任務要求

2017年3月，航空XX廠提出需求壽命指標最少為70萬次的微動開關（實際需要是越長越好，最好是100萬次以上），我廠現有的微動開關中壽命最長的僅達到10萬次，遠遠達不到這一要求。

2017年7月初，改進后的弓簧片加工完成，用改進后的弓簧片裝配兩只開關重新進行壽命試驗，從7月初到9月初，整個試驗周期近兩個月，試驗的兩只開關中，一只壽命達到110萬次失效，另一只207萬次后仍能正常轉換，通過本次改進，開關壽命指標遠遠超出了用戶提出的70萬次的要求。

攻關完成后，我廠與XX廠簽訂了KW5C型微動開關技術協議，于2017年9月份實現產品供貨，在首次廠內鑒定試驗中，開關各項技術指標一次性考核合格。

3 研究過程

3.1 研究的意義、項目的現狀

在短時間內（一年）成功研制出了滿足用戶特殊要求的長壽命開關，滿足了用戶的急需，得到了用戶的好評，我廠在反應速度方面的形象在客戶心目中得到進一步提升，為以后進一步合作打下了一定基礎。

3.2 研究的主要技術內容

將微動開關壽命指標由當前的1萬～5萬次提升至70萬次以上（實際需要是越長越好，最好是100萬次以上）。

3.3 研究的思路和方法

為滿足用戶對開關長壽命指標的這一特殊要求，同時又不影響開關的其他技術指標，提高開關品質，首先對引起開關失效的原因進行分析、研究，經過艱辛努力、探索，理論與實踐的不斷互相驗證，根據微動開關彈性零件機械疲勞壽命公式（圖1）及簧片式微動開關彈性零件機械應力關（圖2），結合微動開關的結構特點，最終確定了設計思路。

根據前述理論成果，并通過對弓簧片（對于簧片式微動開關）彈性形變的機械應力分布進行理論研究，運用數學模型，對弓簧片的有效應力進行理論計算，為減小弓簧片的有效應力，增大其形變長度，即增大弓簧片中間圓弧半徑（圖3），做了以下改進：

圖1 應力循環與應力曲線

圖2 弓簧片三種狀態下的形變狀態

（1）增大圓弧半徑，由R0.6改為R

（2）弓簧片尾部由水平改為與水平線成16°夾角，折彎處角度減小有利于增加強度，達到分散應力集中區域（圖4）的目的。

圖3 弓簧片改進前后對比

圖4 改進前后應力分布對比

改進后得出結論：通過應力分析，弓簧片中間圓弧的半徑越小，簧片形變的圓弧長度越小，所受的彎曲應力點越集中，弓簧片越容易斷裂；中間圓弧的半徑越大，簧片形變的圓弧長度越長，所受的彎曲應力范圍越分散，弓簧片的抗疲勞斷裂能力越強。改進使得微動開關的弓簧片疲勞強度大幅增加，開關壽命增長。

3.3.1 組織協調

與工藝處和經運處分別進行零件制造工藝和生產進度協商，確保產品按時交付。

3.3.2 經費投入和使用情況

本項目不需投模，只需修模，極大降低了開關生產成本。

3.3.3 取得的主要成果

經過一年的探索與改進，產品在客戶規定時間內研制成功，滿足了用戶的急需，得到了用戶的好評，在客戶心目中我廠研制產品的反應能力進一步提升。

3.3.4 取得的經濟效益、社會效益

到目前為止，此類型開關已實現銷售收入675.5萬元。其中兩種重點工程產品分別是為某兩廠專門研制的，在國內外沒有參照依據，我廠設計師根據用戶的具體使用要求，從功能實現、安裝要求、長壽命、動作特性、外觀、安裝方便性等方面全盤考慮，結合我廠實際生產能力和工藝水平，大膽采用新技術、新工藝，滿足了國家重點工程的急需，給客戶留下了良好印象，且此成果已逐步推廣應用至其他類型開關，社會效益非常大。

4 應用推廣價值

該成果不僅適用于所有類型的微動開關，而且可以推廣至按鈕開關等有類似瞬動結構（如同步機構）的其他類開關。

隨著武器裝備對開關產品工作可靠性的要求越來越高，現已有航空XX廠等廠家對開關壽命指標提出更高要求。該方案可以擴展應用到我廠KW3B系列、KW4系列、KW5系列、KW4B系列、KW4C系列、KW4E系列、KW5A系列等所有弓簧片式微動開關中，甚至可以推廣應用至具有簧片式結構（如同步機構）的其他類開關，其適用范圍非常廣泛。

5 結語

雖然改進后的開關完全滿足了用戶的需求（開關壽命65萬次），但長壽命指標是微動開關今后發展的重點，目前我廠開關最長壽命可以達到100萬次，這與國外產品（國外領先產品壽命可達1 000萬次）在壽命指標上還有一定差距，因此，為了繼續提高微動開關壽命指標，還需從影響開關壽命的其他方面進行進一步研究和探索，如彈性原材料性能方面等。

[1]范欽珊.材料力學[M].2版.北京：高等教育出版社，2005.

[2]朱濱.彈性力學[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2008.

[3]周茂詳.低壓電器設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.

[4]周鶴良.電氣工程師手冊[M].北京：中國電力出版社，2009.