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(xiàn)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(tǒng)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(huán)境性能較差，最高僅能滿足125 ℃的高溫要求。傳統(tǒng)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(huán)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(tǒng)的微動開關中，可使微動開關兼?zhèn)涿芊?、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(xiàn)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(tǒng)、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(xiàn)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(jīng)濟、軍事實力競爭激烈，傳統(tǒng)微動開關已經(jīng)不能適應先進武器裝備的應用環(huán)境，例如在太空環(huán)境、高溫環(huán)境、污染性較大的自然環(huán)境中，傳統(tǒng)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(tǒng)微動開關基礎上用金屬波紋管結構代替常規(guī)的橡膠密封圈結構，可使微動開關兼?zhèn)涿芊?、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(xiàn)密封，套筒與殼體之間焊接實現(xiàn)密封。采用波紋管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橡膠密封圈結構，可以實現(xiàn)軸向的動態(tài)密封，最終實現(xiàn)柱塞驅動式微動開關的密封功能。

與傳統(tǒng)的微動開關相比，該結構具有以下特點：

（1）常規(guī)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(jù)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(nèi)部機構的裝置，實現(xiàn)開關驅動機構的動態(tài)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(guī)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(xiàn)。

1.2? ? 優(yōu)勢

傳統(tǒng)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(huán)境，并且貯存、使用壽命周期較短，不能在環(huán)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(yōu)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(xiàn)氣密封功能，密封性（漏率）可達1×10-5 Pa·cm3/s。（2）耐溫性能優(yōu)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(huán)境性能好。采用波紋管結構的微動開關能耐酸、堿性大氣環(huán)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(xiàn)防爆功能。（7）貯存周期長。波紋管為金屬材料，相對于傳統(tǒng)的塑料、橡膠材料密封結構而言，金屬材料具有更好的穩(wěn)定性和抗老化能力，貯存周期更長。

1.3? ? 涉及的工藝及現(xiàn)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(nèi)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(shù)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(shù)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(jù)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(yōu)良、疲勞極限高、耐腐蝕、加工性能好、焊接/釬焊優(yōu)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(xiàn)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(nèi)徑（mm）。

2.2? ? 波紋管的彈簧常數(shù)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(shù)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(nèi)徑（mm）;n為波紋數(shù);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(shù)，需要根據(jù)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(shù)，Ka=，a、d意義如圖2所示;Kb為相對波深系數(shù)，由波紋管外、內(nèi)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(shù)，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(chǎn)品結構中[4]。

4 結語

當前，國內(nèi)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(shù)市場仍然由國外占據(jù)。隨著國內(nèi)航天、航空裝備的快速發(fā)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(xiàn)耐高溫、密封功能，同時提高了開關的耐環(huán)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(yè)和民用裝備中，具有廣闊的市場前景，經(jīng)濟效益顯著。

[參考文獻]

[1] 朱蒙，李明，李剛，等.不同環(huán)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(huán)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(huán)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。