自動化艦炮行程開關可靠性分析

周銀鶴

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

艦炮行程開關的作用是為艦炮各個機構提供行程到位的信號，實現各個機構的順序控制、定位控制和位置狀態檢測等。行程開關是一種高精度、高可靠性的元器件，在國家重點型號艦炮系統中被廣泛應用，它是實現艦炮自動化運行不可缺少的重要部分，其可靠性直接關系到艦炮的作戰性能。因此，對于高自動化、智能化的艦炮來說，研究并提高行程開關的可靠性具有非常重要的現實意義。

1 存在的問題

在使用行程開關的過程中，不可避免地會出現一些故障。作為艦炮電氣控制系統中的重要組成部分，一些重要位置的行程開關一旦出現問題，會直接導致艦炮發生停射故障，影響艦炮的作戰性能。

1.1 行程開關使用現狀

以某型號艦炮為例，全炮安裝有近50只行程開關，它們的可靠性對該系統的正常運行起著舉足輕重的作用。為了提高它們的可靠性，設計者做了大量的工作，盡管如此，仍頻頻發生由行程開關引起的故障。該型號艦炮調試、試驗和服役使用過程中的故障統計顯示，由行程開關引起的非正常性故障占該艦炮電氣系統故障的37.7%，因此，在該型號艦炮的可靠性改進中，將行程開關列為可靠性急需提高的可增長單元。

1.2 行程開關常見故障

當前部隊實戰化考核已成常態，艦炮裝備使用強度顯著增大，會經常性、大強度、高標準使用。從現役某型號艦炮行程開關的性能來看，存在可靠性短板制約艦炮作戰性能發揮的情況。歷次裝備調試、使用過程中行程開關出現的或可能出現的故障主要有以下2個：①微動開關損壞；②開關觸頭壓縮后不復位。從故障模式和發生頻率來看，在艦炮全自動化發展的今天，行程開關現有的可靠性已不能完全滿足軍事需求，還有很大的提升空間。行程開關的狀況到底如何，下面從其內部結構和外部工作環境入手進行分析。

2 問題分析

2.1 行程開關本身結構分析

2.1.1 內部結構分析

圖1為某型艦炮行程開關的內部結構圖。

圖1 行程開關內部結構圖

當外力P作用壓頭后，通過壓桿壓縮復位彈簧，同時，定值壓簧壓縮簧力被釋放，并且推動擺臂轉動，擺臂作用于微動開關觸頭并直抵開關芯體，受力情況如圖2所示。

圖2 開關內部受力狀態

分析圖1、圖2可知，該結構有2個隱患：①在理想的正常情況下，擺臂在定值壓簧的推動下壓動微動開關觸頭，直至撞擊到微動開關芯體。此時，微動開關芯體要毫無意義地承受P1、P2這樣具有一定破壞性的沖擊力。②當擺臂與壓頭之間的相對串動因受到某種因素的影響而不太自如時，外力則會由量變到質變，直接施壓于微動開關芯體上。這對芯體來說是強大的，不可接受的，微動開關破損是難免的。從行程開關實際使用情況統計來看，僅在10套產品的試驗、調試中，開關芯體損壞的就不少于5只，占開關使用總數（46×10）的1.1%，這一點已明顯成為了影響行程開關可靠性指標的薄弱點。

由圖1可知，行程開關內部結構比較復雜，外力作用到壓頭后，推動彈簧座，使復位彈簧進一步壓縮，定值壓簧釋放預壓力，克服擺臂與彈簧座間的摩擦力以及擺臂轉動軸處的摩擦力，推動微動開關觸頭。在此要注意以下3點：①力的傳遞環節比較多，所以，增加了諸多引發故障的原因。②擺臂與彈簧座接觸處的圓角修磨不好，會增大擺臂轉動時與彈簧座間的軸向力，甚至發生自鎖，使擺臂轉動困難。③這種2個彈簧相互作用的結構不但對同軸度的加工要求比較高，而且工作中容易發生彈簧失穩的情況，長時間工作，彈簧會發生側向彎曲和永久變形。在歷次裝備的調試、試驗中，行程開關多次因該隱患發生故障。

2.1.2 外力傳遞機構分析

行程開關采用直動式的外力傳遞機構形式。行程開關壓頭為球頭，它與不同形式的取信號機構直接作用。如圖3所示，當行程開關承受取信號機構為切向的外力長期作用時，球頭表面會因沖擊產生堆疊，作用形式由點接觸變為面接觸，作用摩擦力因此增大，觸頭和與之連接的桿承受的徑向力隨之增大，從而導致壓桿與開關殼體接觸處表面產生夾傷和毛刺。另外，當壓桿承受的彎曲應力過大時，會導致壓桿發生折彎。這2種情況都會造成壓桿運動不靈活，導致壓頭復位阻力增大，甚至不復位。

圖3 開關外力傳遞機構形式

該型行程開關僅有直動式一種結構形式，受空間、結構等因素的限制，某些位置不得不采用承受切向力的外力傳遞方式，并且應用在承受切向力的位置處的開關占全炮開關數量的46%.以某大型試驗為例，由該結構導致的行程開關故障形式有壓桿彎曲、折斷、殼體斷裂、壓頭損壞等，超過行程開關總故障的80%，這直接影響產品的可靠性。

2.2 行程開關的外部工作環境分析

任何事物都有兩面性，設計者從主觀方面對行程開關高低溫環境、振動環境下的工作情況進行了設計考慮。

下面針對常被人們忽視的行程開關的客觀工作環境進行分析。設計者對開關的結構和主觀工作環境總是有極高的要求，但對行程開關放置問題的處理就比較隨便，只要信號能被采集出來，也就很少再去研究其工作環境。

如圖3（a）所示，取信號機構往往是以油缸為動力的，因未做過多考慮，采用的是全炮統一的液壓站的壓力，油缸動作迅猛，帶動取信號機構高速撞擊開關壓頭，壓頭部位承受的切向力是驚人的，長期以往，壓桿發生彎曲甚至折斷是顯而易見的。如圖3（b）所示，取信號的凸輪機構以0.8 m/s的線速度圍繞中心圓運動，凸輪凸臺撞擊開關的速度大于1 m/s。在如此高速的撞擊下，凸輪作用到開關壓頭上的切向力和分解到軸向的力也是很大的。在這樣未做過多考慮的惡劣環境中工作，瞬間的撞擊力隨著壓桿傳遞到殼體上，導致殼體碎裂也是可以想象的。

3 提高行程開關可靠性的途徑與方法

3.1 總結經驗，深化技術理論

前面從行程開關本身結構和外部工作環境入手作了主觀和客觀方面的分析，那么，提高行程開關可靠性的途徑和方法也同樣可以從2個方面著手。完成這項工作的總體思路是“化簡結構，定量撥動”。以科學的技術設計手段化簡機構，必然會降低開關故障率，提高可靠性?！岸繐軇印钡母拍钍菑V義的，通用于內部和外部的“標定數值位移”，以實現壓頭和壓桿的定量位移，避免開關被頂壞。

表1所列標定位移量就是理想的“定量撥動”量。如果嚴格遵守這一“標定量”，那么，設計時就有了明確的指標，檢驗有了根據，產品質量可靠性將大大提高。

表1 開關撥動量參考數據

3.2 簡化開關內部結構

化簡行程開關內部結構，實現定量撥動，優化力的傳遞路徑，可以避免中間傳遞故障的發生。

圖4所示結構采用了“化簡結構，定量撥動“的設計思路，壓桿受外力作用后定量壓縮微動開關觸頭，并且精簡了開關內部結構。這樣改動后，開關將會變得更加穩定和可靠，其壽命將大大延長，可靠性將會大大提高。

3.3 改善開關工作環境

3.3.1 改進行程開關外部受力結構

在實際工作中，先從外力傳遞環境入手開始改進。針對圖3所示工作環境，改進型采用滾輪式和搖臂式開關壓頭，設計結構如圖5所示。

圖4 開關內部簡化結構

圖5 滾輪式、搖臂式開關觸頭

從圖5中可以看出，當行程開關壓頭受切向力撞擊時，滾輪轉動，此時的摩擦阻力可以大大減小，從而避免了開關受到大力沖擊被撞壞。

3.3.2 改進采集信號機構

由于設計者未過多考慮采集信號機構運動時的轉速、加速度等客觀條件，導致信號采集時行程開關常常受到不必要的取信號機構的高速撞擊。因此，可以針對性地做一些工作，比如調節油缸的流量，以降低速度，設計減速傳遞機構等，使取信號機構撞擊行程開關觸頭的速度小于0.5 m/s的經驗標定值，從而有效提高行程開關的可靠性。

4 結論

本文從某型艦炮行程開關常見故障入手，從主客觀2個方面分析了開關存在的問題，并從內部結構和外部工作環境2個方面提出了提高行程開關可靠性的途徑和方法。設計者可根據該思路設計需要提高運行可靠性的其他開關型產品。