壓力信號開關的設計與分析

馮永具

摘 要： 介紹了一種安裝在發動機殼體上的壓力信號開關。該壓力信號開關能在發動機工作一段時間后快速可靠接通彈上安執電路，確保在導彈過載滿足要求的情況下使戰斗部能夠及時起爆，對影響該壓力信號開關性能的關鍵技術進行了分析，并對關鍵設計參數進行了計算。

關鍵詞： 壓力信號開關；活塞；剪切銷；滾珠

1引言

隨著時代的發展，科技的進步，導彈也向著快速、更加機動靈活的方向發展，由于導彈具有精確打擊的特點，在未來戰場上起到越來越重要的作用，為各個國家所重視。導彈一般攜帶由著相當殺傷力戰斗部，在發射過程中需對戰斗部進行嚴密防護措施，以防戰斗部誤炸。傾斜發射式導彈一般采用三級保險機構進行防護，通過軸向過載、時間延遲機構解除導彈三級保險，彈射彈是在外力作用下彈射到一定高度，發動機點火后，接通彈上安執電路，解除導彈一級保險，因此無法采用以往保險機構，根據垂直彈射彈的需要，設計了一種壓力信號器，當發動機內燃氣壓力達到預定值時動作，接通安執電路。壓力信號開關根據作用原理一般有彈簧觸片式、插針插孔式等幾種形式。由于彈簧觸片式建立在發動機內燃氣壓力和信號器內敏感元件彈性變形昀函數關系上，因此結構較復雜，而插針插孔式建立在插針和插孔的配合上，結構簡單。本文探討的是插針插孔式壓力信號開關的設計。

2壓力信號開關的設計

壓力信號開關主要由殼體、插孔座、套環、滾珠、活塞等幾部分組成。壓力信號開關結構圖見圖1。

1—殼體2—插孔座3—定位鍵4—定位塊5—套環6—插針頭7—滾珠

8—活塞 9—剪切銷10—橡膠環11—緊固螺釘12—密封圈

圖l壓力信號開關結構圖

壓力信號開關殼體的一端與發動機的殼體通過細牙螺紋連接，另一端與連接導彈電纜的電連接器連接，壓力信號開關殼體采用耐熱性不銹鋼材料，即保證了連接強度，又可保證具有一定耐熱性，同時殼體同燃氣接觸的端面需涂覆隔熱涂料；在套環上粘有橡膠環，減小活塞對套環的沖擊力；剪切銷用于活塞的初始定位，活塞上裝有橡膠密封圈，防止發動機內燃氣泄漏，同時活塞上面需開有兩個滾珠安裝槽，用來安裝鎖緊滾珠。插孔座有四個插孔，為冗余設計，插座及定位塊為熱固性塑料，主要是為插孔安裝定位，同時在插座與定位塊上有通氣孔；插針頭有四個插針，與金屬外殼絕緣，金屬外殼周圈有膠木零件，膠木上開有四個孔，以便插針通過，插針后端焊接有銅板，并沉入膠木內，然后上面灌膠。

壓力信號開關的工作過程為：當發動機內燃氣壓力達到一定值后，剪斷連接活塞和殼體的剪切銷，活塞帶動插針頭向下運動并插入插座孔一定距離，使插針頭與插孔座可靠連接，接通安執電路，實現保險執行機構一級保險解除，活塞上設計有滾珠鎖緊裝置，防止當發動機壓力降為零時，活塞向后移動造成插針頭與插孔座接觸不良的情況，當活塞開始運動時，滾珠由于麾擦力向后運動減小摩擦，此時活塞可順利向前運動，直到活塞同套環接觸為止，此后滾珠在彈性力作用下有向前運動的趨勢，從而大大增加活塞向后運動的摩擦力，使活塞鎖緊，保證插針與插孔可靠接觸，不松動。

3壓力信號開關分析

壓力信號開關分析主要包括：殼體螺紋強度分析、剪切銷設計及分析和滾珠摩擦自鎖分析三部分。

3.1殼體螺紋強度分析

壓力信號開關與發動機采用細牙螺紋連接，由于作用到活塞上的燃氣壓力間接作用到壓力信號開關的殼體上，殼體上的細牙螺紋承受全部載荷，由于細牙連接強度沒有粗牙螺紋好，考慮到該種工況下螺紋失效形式主要為螺牙剪斷，為避免該情況發生，需計算細牙螺紋的最低有效圈數，當實際連接螺紋圈數大于有效圈數時，則可避免螺牙損壞，現分析如下：

（1）

式中：

S——活塞面積，mm2；

Pmax——發動機內燃氣最大壓力，MPa。

由螺紋牙強度校核公式可得：

（2）

式中：

kz——載荷步均系數，當d/p<9時，kz=5p/d，d/p=9～16，kz=0.56；

d——外螺紋小徑，mm；

b——螺紋牙根部寬度，mm；

z——螺紋圈數；

[π]——許用剪切應力，MPa；

[σ]w——許用彎應力，MPa。

設計時應保證計算出有效圈數小于實際連接圈數。

4.2剪切銷設計分析

剪切銷的設計是壓力信號器的關鍵，由于剪切銷作用是給活塞初始定位，防止發動機剛開始工作或者由于運輸過載等原因造成誤接通安執電路，影響戰斗部的使用安全，設計一般步驟：由于剪切銷剪斷時的壓力由總體設計時給出，需根據該壓力由公式求出剪切銷剪切應力及直徑d1，并查閱相應材料手冊，確定剪切銷的材料。

剪切強度公式：

（3）

式中： [τ]——許用剪切強度，一般?。?.5～0.6） σ，σ為材料抗拉強度，則

（4）

由于不同材料的抗拉強度σ不同，求出的剪切銷直徑也不同，此時設計時需要綜合考慮殼體及活塞的尺寸，選擇合適的直徑。

4.3滾珠摩擦自鎖分析

滾珠通過與活塞和殼體內壁的摩擦進行鎖緊，摩擦角的大小決定能否實現鎖緊，現對滾珠和活塞受力進行分析，活塞及滾珠受力見圖2所示，現以活塞和滾珠為對象進行受力分析，滾珠受殼體內壁摩擦力和活塞摩擦力下保持平衡，由平衡定理可得：

（5）

由上式可得：

（6）

式中：

Fn1——殼體內壁對滾珠的正壓，N；

Ft1——殼體內壁對滾珠的摩擦力，N；

Fn2——活塞對滾珠的正壓力，N；

Ft2——活塞對滾珠的摩擦力，N；

P——活塞受到的外作用力，N；

α——活塞的斜面也殼體的夾角。

由于鎖緊力來自于滾珠與殼體內壁及活塞的摩擦力，由靜摩擦力的特性可知，隨著正壓力的增大而增大，當物體克服靜摩擦力時開始運動，因此為保證活塞不運動，即處于鎖緊狀態，滾珠的摩擦力應小于最大摩擦力，設殼體內壁與滾珠摩擦系數為f1，活塞與滾珠摩擦系數為f2，因此滾珠自鎖條件可表示為：

（7）

可得：

（8）

上式即為活塞的自鎖條件，當殼體、滾珠與活塞所用材料一致時f1=f2，由該自鎖條件可得出摩擦角的范圍，一般取f<α<2f，摩擦角α值過大，會導致無法鎖緊，過小會導致正壓力過火，摩擦角α一定要在合理范圍范圍內取值：滾珠半徑需要考慮滾珠數目、載荷大小、活塞大小等三個方面的因素，滾珠半徑大，承載的載荷就大，相應活塞尺寸就大，因此需結合三方面因素來考慮，當已知活塞的大小時，可以通過調整滾珠的數目，來提高承載力。

5 結論

通過對該壓力信號器的設計，可以很好滿足該壓力信號器在垂直彈射彈上的應用，由于對活塞采用了鎖緊設計，大大增加了安執電路在導彈飛行期間的連接可靠性，為戰斗部及時可靠的起爆提供了前提。

參考文獻

[1] 機械設計，濮良貴 紀名剛，2001，高等教育出版社.

[2] 材料力學 單輝祖，1999，高等教育出版社.