淺談金屬波紋管在密封型高溫微動開關中的應用

摘 要：微動開關是一種使用微小的力度和行程就可實現動作轉換的機械開關，在航天、航空、艦船、兵器等軍事領域應用廣泛，起著不可替代的作用。傳統微動開關通常為非密封或水密封類型，密封通常采用橡膠密封圈結構，其耐溫性、耐環境性能較差，最高僅能滿足125 ℃的高溫要求。傳統微動開關不具備耐高溫、耐腐蝕、防爆、氣密封功能，因而不適用于一些高溫、高腐蝕性、可燃性、污染性的特殊環境中。鑒于此，介紹了一種金屬波紋管密封結構，將其應用到傳統的微動開關中，可使微動開關兼備密封、耐高溫、耐鹽霧功能。

關鍵詞：微動開關;金屬波紋管;耐600 ℃高溫;氣密封

0 引言

微動開關是一種使用微小的力度和行程就可實現動作轉換的機械開關，具有觸點間距小、動作行程短、按動力小、通斷迅速等特點。作為機械電氣開關，微動開關廣泛應用于電子設備、儀器儀表、礦山、電力系統、家用電器、電氣設備等民用領域以及航天、航空、艦船、兵器等軍事領域，對于需頻繁換接電路的設備可實現自動控制及安全保護等。開關雖小，但起著不可替代的作用。當前，國際形勢變幻莫測，各國科技、經濟、軍事實力競爭激烈，傳統微動開關已經不能適應先進武器裝備的應用環境，例如在太空環境、高溫環境、污染性較大的自然環境中，傳統微動開關均難以滿足使用要求。而將金屬波紋管應用于微動開關，在傳統微動開關基礎上用金屬波紋管結構代替常規的橡膠密封圈結構，可使微動開關兼備密封、耐高溫、耐鹽霧功能。

1 結構組成

1.1? ? 典型波紋管在微動開關中的應用

典型結構應用如圖1所示，該結構由金屬外殼、波紋管、底座、按鈕、推桿及微動開關瞬動機構組成，金屬波紋管兩端分別與按鈕和底座焊接，底座與套筒之間焊接實現密封，套筒與殼體之間焊接實現密封。采用波紋管代替傳統的橡膠密封圈結構，可以實現軸向的動態密封，最終實現柱塞驅動式微動開關的密封功能。

與傳統的微動開關相比，該結構具有以下特點：

（1）常規的微動開關基體和殼體通常由塑料制成，封裝采用粘膠等工藝;高溫密封開關基體和殼體采用金屬材料，各部位的封裝根據材料和結構差異，采用不同的焊接工藝。（2）驅動機構是微動開關將外部的作用力或行程傳遞給開關內部機構的裝置，實現開關驅動機構的動態密封，是高溫微動開關的結構和工藝難點，也是最核心的技術[1]。（3）開關的接線端子是和外部電路的連接端口，常規的非密封型微動開關采用樹脂或塑封端子;高溫密封微動開關要同時兼顧與金屬底板間的密封性能和絕緣性能，需要采用玻璃封接或陶瓷封接工藝才能實現。

1.2? ? 優勢

傳統的密封微動開關通常為橡膠密封圈結構，橡膠由于耐溫性差、易老化、不耐腐蝕，通常僅能滿足125 ℃高溫環境，并且貯存、使用壽命周期較短，不能在環境溫度較高的一些特殊場合下使用。而采用波紋管結構的微動開關具有以下優點：（1）密封性高。采用波紋管結構的微動開關應用激光熔焊等焊接技術，可實現氣密封功能，密封性（漏率）可達1×10-5 Pa·cm3/s。（2）耐溫性能優越。波紋管采用不銹鋼金屬材料，能耐600 ℃高溫。（3）可靠性高。波紋管具有類似于彈簧的力學性能，具有較高的重復精度和疲勞強度，具有較長的使用壽命[2]。（4）耐環境性能好。采用波紋管結構的微動開關能耐酸、堿性大氣環境。（5）具有電磁屏蔽功能。開關采用全密封金屬外殼，能有效防止電磁干擾。（6）具有防爆功能。波紋管結構為金屬材料，密封等級可以達到氣密封，可以實現防爆功能。（7）貯存周期長。波紋管為金屬材料，相對于傳統的塑料、橡膠材料密封結構而言，金屬材料具有更好的穩定性和抗老化能力，貯存周期更長。

1.3? ? 涉及的工藝及現狀

金屬波紋管結構的應用所涉及的關鍵核心技術如釬焊、激光焊、電子束焊、電阻焊等，國內起步較晚，相關設備主要依靠國外進口，工藝和關鍵原材料缺少基礎支撐，精密焊接工藝缺少設備硬件和工藝參數積累，開展相應的焊接工藝研制難度大、周期長，所需的超薄彈性材料相對缺乏。

2 波紋管設計

波紋管參數的設計決定波紋管的使用壽命，而波紋管的使用壽命也決定著微動開關的使用壽命。因此，要保證波紋管的允許壓縮量能滿足要求。根據設計結構，波紋管在動作過程中單純承受軸向負荷，其允許的壓縮位移可取其有效長度的30%～40%。

2.1? ? 波紋管的輸出力計算

波紋管要求采用彈性優良、疲勞極限高、耐腐蝕、加工性能好、焊接/釬焊優良的金屬材料，一般采用磷青銅、鈹青銅、不銹鋼等[3]。波紋管具有類似彈簧的力學性能，在使用時，往往由于受壓變形，超過材料的屈服點會出現較大的滯后，因此設計時需校核波紋管的輸出力和伸縮位移。

波紋管的輸出力（N）：

F=p×106×A

式中：p為作用在波紋管的壓力（MPa）;A為有效截面積（m2）。

波紋管的有效截面積（m2）：

式中：D為波紋管的外徑（mm）;d為波紋管的內徑（mm）。

2.2? ? 波紋管的彈簧常數計算

波紋管具有類似于彈簧的力學性能，其伸縮量δ（mm）與波紋管的彈簧常數K和作用在波紋管上的力W有關。

其中，K由波紋管的形狀尺寸計算確定：

式中：E為波紋管材料的彈性模量（MPa）;D為波紋管外徑（mm）;d為波紋管內徑（mm）;n為波紋數;t為波紋管壁厚（mm）;h為溝深（mm）;R為平均半徑（mm），R。

2.3? ? 波紋管的允許壓縮位移計算

波紋管的允許壓縮位移計算公式如下：

式中：Wy為允許壓縮位移（mm）;δs為波紋管材料的屈服強度（N/mm2）;R為波紋管的外半徑（mm）;n為波紋管的波紋數，需要根據波紋管設計尺寸計算確定;E為波紋管材料彈性模量（MPa）;t為波紋管的壁厚（mm）;Ka為波紋管的波紋厚度系數，Ka=，a、d意義如圖2所示;Kb為相對波深系數，由波紋管外、內徑的比值K查表1可得。

3 應用

該結構可以推廣應用于柱塞式微動開關結構中，通過改變波紋管的長度及波數，可滿足不同的行程要求。同時，該結構也能推廣應用到其他柱塞式運動的耐高溫、密封型特種開關、行程開關產品結構中[4]。

4 結語

當前，國內整機所需要的高溫密封微動開關配套主要依賴國外進口，絕大多數市場仍然由國外占據。隨著國內航天、航空裝備的快速發展，該類密封開關的需求量日益增大，但供貨周期、進貨渠道、技術服務等方面受限突出。將波紋管結構應用到微動開關中，可實現耐高溫、密封功能，同時提高了開關的耐環境性能，可以將其應用到對耐溫性和密封性要求較高的航天、航空、兵器、船舶、電子等軍工裝備行業和民用裝備中，具有廣闊的市場前景，經濟效益顯著。

[參考文獻]

[1] 朱蒙，李明，李剛，等.不同環境下微動開關腐蝕形貌及接觸電阻變化對比分析研究[J].裝備環境工程，2019，16（4）：87-92.

[2] 宋琪琦.微動開關的熱性能研究[D].北京：北京郵電大學，2018.

[3] 安徽普眾機電有限公司.一種高壓絕緣陶瓷真空開關管：CN202010982046.3[P].2020-12-04.

[4] 寧占虎，姚曉飛，劉學，等.高氣壓環境真空開關分閘速度對波紋管疲勞壽命影響[J].高壓電器，2019，55（12）：46-53.

收稿日期：2021-01-28

作者簡介：侯星舟（1987—），男，貴州榕江人，工程師，研究方向：微動開關、行程開關類電子元器件。