自动化舰炮行程开关可靠性分析

周银鹤

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015）

舰炮行程开关的作用是为舰炮各个机构提供行程到位的信号，实现各个机构的顺序控制、定位控制和位置状态检测等。行程开关是一种高精度、高可靠性的元器件，在国家重点型号舰炮系统中被广泛应用，它是实现舰炮自动化运行不可缺少的重要部分，其可靠性直接关系到舰炮的作战性能。因此，对于高自动化、智能化的舰炮来说，研究并提高行程开关的可靠性具有非常重要的现实意义。

1 存在的问题

在使用行程开关的过程中，不可避免地会出现一些故障。作为舰炮电气控制系统中的重要组成部分，一些重要位置的行程开关一旦出现问题，会直接导致舰炮发生停射故障，影响舰炮的作战性能。

1.1 行程开关使用现状

以某型号舰炮为例，全炮安装有近50只行程开关，它们的可靠性对该系统的正常运行起着举足轻重的作用。为了提高它们的可靠性，设计者做了大量的工作，尽管如此，仍频频发生由行程开关引起的故障。该型号舰炮调试、试验和服役使用过程中的故障统计显示，由行程开关引起的非正常性故障占该舰炮电气系统故障的37.7%，因此，在该型号舰炮的可靠性改进中，将行程开关列为可靠性急需提高的可增长单元。

1.2 行程开关常见故障

当前部队实战化考核已成常态，舰炮装备使用强度显著增大，会经常性、大强度、高标准使用。从现役某型号舰炮行程开关的性能来看，存在可靠性短板制约舰炮作战性能发挥的情况。历次装备调试、使用过程中行程开关出现的或可能出现的故障主要有以下2个：①微动开关损坏；②开关触头压缩后不复位。从故障模式和发生频率来看，在舰炮全自动化发展的今天，行程开关现有的可靠性已不能完全满足军事需求，还有很大的提升空间。行程开关的状况到底如何，下面从其内部结构和外部工作环境入手进行分析。

2 问题分析

2.1 行程开关本身结构分析

2.1.1 内部结构分析

图1为某型舰炮行程开关的内部结构图。

图1 行程开关内部结构图

当外力P作用压头后，通过压杆压缩复位弹簧，同时，定值压簧压缩簧力被释放，并且推动摆臂转动，摆臂作用于微动开关触头并直抵开关芯体，受力情况如图2所示。

图2 开关内部受力状态

分析图1、图2可知，该结构有2个隐患：①在理想的正常情况下，摆臂在定值压簧的推动下压动微动开关触头，直至撞击到微动开关芯体。此时，微动开关芯体要毫无意义地承受P1、P2这样具有一定破坏性的冲击力。②当摆臂与压头之间的相对串动因受到某种因素的影响而不太自如时，外力则会由量变到质变，直接施压于微动开关芯体上。这对芯体来说是强大的，不可接受的，微动开关破损是难免的。从行程开关实际使用情况统计来看，仅在10套产品的试验、调试中，开关芯体损坏的就不少于5只，占开关使用总数（46×10）的1.1%，这一点已明显成为了影响行程开关可靠性指标的薄弱点。

由图1可知，行程开关内部结构比较复杂，外力作用到压头后，推动弹簧座，使复位弹簧进一步压缩，定值压簧释放预压力，克服摆臂与弹簧座间的摩擦力以及摆臂转动轴处的摩擦力，推动微动开关触头。在此要注意以下3点：①力的传递环节比较多，所以，增加了诸多引发故障的原因。②摆臂与弹簧座接触处的圆角修磨不好，会增大摆臂转动时与弹簧座间的轴向力，甚至发生自锁，使摆臂转动困难。③这种2个弹簧相互作用的结构不但对同轴度的加工要求比较高，而且工作中容易发生弹簧失稳的情况，长时间工作，弹簧会发生侧向弯曲和永久变形。在历次装备的调试、试验中，行程开关多次因该隐患发生故障。

2.1.2 外力传递机构分析

行程开关采用直动式的外力传递机构形式。行程开关压头为球头，它与不同形式的取信号机构直接作用。如图3所示，当行程开关承受取信号机构为切向的外力长期作用时，球头表面会因冲击产生堆叠，作用形式由点接触变为面接触，作用摩擦力因此增大，触头和与之连接的杆承受的径向力随之增大，从而导致压杆与开关壳体接触处表面产生夹伤和毛刺。另外，当压杆承受的弯曲应力过大时，会导致压杆发生折弯。这2种情况都会造成压杆运动不灵活，导致压头复位阻力增大，甚至不复位。

图3 开关外力传递机构形式

该型行程开关仅有直动式一种结构形式，受空间、结构等因素的限制，某些位置不得不采用承受切向力的外力传递方式，并且应用在承受切向力的位置处的开关占全炮开关数量的46%.以某大型试验为例，由该结构导致的行程开关故障形式有压杆弯曲、折断、壳体断裂、压头损坏等，超过行程开关总故障的80%，这直接影响产品的可靠性。

2.2 行程开关的外部工作环境分析

任何事物都有两面性，设计者从主观方面对行程开关高低温环境、振动环境下的工作情况进行了设计考虑。

下面针对常被人们忽视的行程开关的客观工作环境进行分析。设计者对开关的结构和主观工作环境总是有极高的要求，但对行程开关放置问题的处理就比较随便，只要信号能被采集出来，也就很少再去研究其工作环境。

如图3（a）所示，取信号机构往往是以油缸为动力的，因未做过多考虑，采用的是全炮统一的液压站的压力，油缸动作迅猛，带动取信号机构高速撞击开关压头，压头部位承受的切向力是惊人的，长期以往，压杆发生弯曲甚至折断是显而易见的。如图3（b）所示，取信号的凸轮机构以0.8 m/s的线速度围绕中心圆运动，凸轮凸台撞击开关的速度大于1 m/s。在如此高速的撞击下，凸轮作用到开关压头上的切向力和分解到轴向的力也是很大的。在这样未做过多考虑的恶劣环境中工作，瞬间的撞击力随着压杆传递到壳体上，导致壳体碎裂也是可以想象的。

3 提高行程开关可靠性的途径与方法

3.1 总结经验，深化技术理论

前面从行程开关本身结构和外部工作环境入手作了主观和客观方面的分析，那么，提高行程开关可靠性的途径和方法也同样可以从2个方面着手。完成这项工作的总体思路是“化简结构，定量拨动”。以科学的技术设计手段化简机构，必然会降低开关故障率，提高可靠性。“定量拨动”的概念是广义的，通用于内部和外部的“标定数值位移”，以实现压头和压杆的定量位移，避免开关被顶坏。

表1所列标定位移量就是理想的“定量拨动”量。如果严格遵守这一“标定量”，那么，设计时就有了明确的指标，检验有了根据，产品质量可靠性将大大提高。

表1 开关拨动量参考数据

3.2 简化开关内部结构

化简行程开关内部结构，实现定量拨动，优化力的传递路径，可以避免中间传递故障的发生。

图4所示结构采用了“化简结构，定量拨动“的设计思路，压杆受外力作用后定量压缩微动开关触头，并且精简了开关内部结构。这样改动后，开关将会变得更加稳定和可靠，其寿命将大大延长，可靠性将会大大提高。

3.3 改善开关工作环境

3.3.1 改进行程开关外部受力结构

在实际工作中，先从外力传递环境入手开始改进。针对图3所示工作环境，改进型采用滚轮式和摇臂式开关压头，设计结构如图5所示。

图4 开关内部简化结构

图5 滚轮式、摇臂式开关触头

从图5中可以看出，当行程开关压头受切向力撞击时，滚轮转动，此时的摩擦阻力可以大大减小，从而避免了开关受到大力冲击被撞坏。

3.3.2 改进采集信号机构

由于设计者未过多考虑采集信号机构运动时的转速、加速度等客观条件，导致信号采集时行程开关常常受到不必要的取信号机构的高速撞击。因此，可以针对性地做一些工作，比如调节油缸的流量，以降低速度，设计减速传递机构等，使取信号机构撞击行程开关触头的速度小于0.5 m/s的经验标定值，从而有效提高行程开关的可靠性。

4 结论

本文从某型舰炮行程开关常见故障入手，从主客观2个方面分析了开关存在的问题，并从内部结构和外部工作环境2个方面提出了提高行程开关可靠性的途径和方法。设计者可根据该思路设计需要提高运行可靠性的其他开关型产品。