浅谈金属波纹管在密封型高温微动开关中的应用

　　摘 要：微动开关是一种使用微小的力度和行程就可实现动作转换的机械开关，在航天、航空、舰船、兵器等军事领域应用广泛，起着不可替代的作用。传统微动开关通常为非密封或水密封类型，密封通常采用橡胶密封圈结构，其耐温性、耐环境性能较差，最高仅能满足125 ℃的高温要求。传统微动开关不具备耐高温、耐腐蚀、防爆、气密封功能，因而不适用于一些高温、高腐蚀性、可燃性、污染性的特殊环境中。鉴于此，介绍了一种金属波纹管密封结构，将其应用到传统的微动开关中，可使微动开关兼备密封、耐高温、耐盐雾功能。

　　关键词：微动开关;金属波纹管;耐600 ℃高温;气密封

　　《机电信息》(旬刊)创刊于2001年，杂志是经国家新闻出版总署批准，由江苏省设备成套有限公司(原江苏省机械设备成套局)主管、《机电信息》杂志社主办，中国机械设备成套工程协会、国信招标有限责任公司、中国国际招标网、中国采购与招标网、中国机电企业网协办的面向国内外公开发行的科技期刊。

　　0 引言

　　微动开关是一种使用微小的力度和行程就可实现动作转换的机械开关，具有触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速等特点。作为机械电气开关，微动开关广泛应用于电子设备、仪器仪表、矿山、电力系统、家用电器、电气设备等民用领域以及航天、航空、舰船、兵器等军事领域，对于需频繁换接电路的设备可实现自动控制及安全保护等。开关虽小，但起着不可替代的作用。当前，国际形势变幻莫测，各国科技、经济、军事实力竞争激烈，传统微动开关已经不能适应先进武器装备的应用环境，例如在太空环境、高温环境、污染性较大的自然环境中，传统微动开关均难以满足使用要求。而将金属波纹管应用于微动开关，在传统微动开关基础上用金属波纹管结构代替常规的橡胶密封圈结构，可使微动开关兼备密封、耐高温、耐盐雾功能。

　　1 结构组成

　　1.1 典型波纹管在微动开关中的应用

　　典型结构应用如图1所示，该结构由金属外壳、波纹管、底座、按钮、推杆及微动开关瞬动机构组成，金属波纹管两端分别与按钮和底座焊接，底座与套筒之间焊接实现密封，套筒与壳体之间焊接实现密封。采用波纹管代替传统的橡胶密封圈结构，可以实现轴向的动态密封，最终实现柱塞驱动式微动开关的密封功能。

　　与传统的微动开关相比，该结构具有以下特点：

　　(1)常规的微动开关基体和壳体通常由塑料制成，封装采用粘胶等工艺;高温密封开关基体和壳体采用金属材料，各部位的封装根据材料和结构差异，采用不同的焊接工艺。(2)驱动机构是微动开关将外部的作用力或行程传递给开关内部机构的装置，实现开关驱动机构的动态密封，是高温微动开关的结构和工艺难点，也是最核心的技术[1]。(3)开关的接线端子是和外部电路的连接端口，常规的非密封型微动开关采用树脂或塑封端子;高温密封微动开关要同时兼顾与金属底板间的密封性能和绝缘性能，需要采用玻璃封接或陶瓷封接工艺才能实现。

　　1.2 优势

　　传统的密封微动开关通常为橡胶密封圈结构，橡胶由于耐温性差、易老化、不耐腐蚀，通常仅能满足125 ℃高温环境，并且贮存、使用寿命周期较短，不能在环境温度较高的一些特殊场合下使用。而采用波纹管结构的微动开关具有以下优点：(1)密封性高。采用波纹管结构的微动开关应用激光熔焊等焊接技术，可实现气密封功能，密封性(漏率)可达1×10-5 Pa·cm3/s。(2)耐温性能优越。波纹管采用不锈钢金属材料，能耐600 ℃高温。(3)可靠性高。波纹管具有类似于弹簧的力学性能，具有较高的重复精度和疲劳强度，具有较长的使用寿命[2]。(4)耐环境性能好。采用波纹管结构的微动开关能耐酸、碱性大气环境。(5)具有电磁屏蔽功能。开关采用全密封金属外壳，能有效防止电磁干扰。(6)具有防爆功能。波纹管结构为金属材料，密封等级可以达到气密封，可以实现防爆功能。(7)贮存周期长。波纹管为金属材料，相对于传统的塑料、橡胶材料密封结构而言，金属材料具有更好的稳定性和抗老化能力，贮存周期更长。

　　1.3 涉及的工艺及现状

　　金属波纹管结构的应用所涉及的关键核心技术如钎焊、激光焊、电子束焊、电阻焊等，国内起步较晚，相关设备主要依靠国外进口，工艺和关键原材料缺少基础支撑，精密焊接工艺缺少设备硬件和工艺参数积累，开展相应的焊接工艺研制难度大、周期长，所需的超薄弹性材料相对缺乏。

　　2 波纹管设计

　　波纹管参数的设计决定波纹管的使用寿命，而波纹管的使用寿命也决定着微动开关的使用寿命。因此，要保证波纹管的允许压缩量能满足要求。根据设计结构，波纹管在动作过程中单纯承受轴向负荷，其允许的压缩位移可取其有效长度的30%～40%。

　　2.1 波纹管的输出力计算

　　波纹管要求采用弹性优良、疲劳极限高、耐腐蚀、加工性能好、焊接/钎焊优良的金属材料，一般采用磷青铜、铍青铜、不锈钢等[3]。波纹管具有类似弹簧的力学性能，在使用时，往往由于受压变形，超过材料的屈服点会出现较大的滞后，因此设计时需校核波纹管的输出力和伸缩位移。

　　波纹管的输出力(N)：

　　F=p×106×A

　　式中：p为作用在波纹管的压力(MPa);A为有效截面积(m2)。

　　波纹管的有效截面积(m2)：

　　式中：D为波纹管的外径(mm);d为波纹管的内径(mm)。

　　2.2 波纹管的弹簧常数计算

　　波纹管具有类似于弹簧的力学性能，其伸缩量δ(mm)与波纹管的弹簧常数K和作用在波纹管上的力W有关。

　　其中，K由波纹管的形状尺寸计算确定：

　　式中：E为波纹管材料的弹性模量(MPa);D为波纹管外径(mm);d为波纹管内径(mm);n为波纹数;t为波纹管壁厚(mm);h为沟深(mm);R为平均半径(mm)，R。

　　2.3 波纹管的允许压缩位移计算

　　波纹管的允许压缩位移计算公式如下：

　　式中：Wy为允许压缩位移(mm);δs为波纹管材料的屈服强度(N/mm2);R为波纹管的外半径(mm);n为波纹管的波纹数，需要根据波纹管设计尺寸计算确定;E为波纹管材料弹性模量(MPa);t为波纹管的壁厚(mm);Ka为波纹管的波纹厚度系数，Ka=，a、d意义如图2所示;Kb为相对波深系数，由波纹管外、内径的比值K查表1可得。

　　3 应用

　　该结构可以推广应用于柱塞式微动开关结构中，通过改变波纹管的长度及波数，可满足不同的行程要求。同时，该结构也能推广应用到其他柱塞式运动的耐高温、密封型特種开关、行程开关产品结构中[4]。

　　4 结语

　　当前，国内整机所需要的高温密封微动开关配套主要依赖国外进口，绝大多数市场仍然由国外占据。随着国内航天、航空装备的快速发展，该类密封开关的需求量日益增大，但供货周期、进货渠道、技术服务等方面受限突出。将波纹管结构应用到微动开关中，可实现耐高温、密封功能，同时提高了开关的耐环境性能，可以将其应用到对耐温性和密封性要求较高的航天、航空、兵器、船舶、电子等军工装备行业和民用装备中，具有广阔的市场前景，经济效益显著。

　　[参考文献]

　　[1] 朱蒙，李明，李刚，等.不同环境下微动开关腐蚀形貌及接触电阻变化对比分析研究[J].装备环境工程，2019，16(4)：87-92.

　　[2] 宋琪琦.微动开关的热性能研究[D].北京：北京邮电大学，2018.

　　[3] 安徽普众机电有限公司.一种高压绝缘陶瓷真空开关管：CN202010982046.3[P].2020-12-04.

　　[4] 宁占虎，姚晓飞，刘学，等.高气压环境真空开关分闸速度对波纹管疲劳寿命影响[J].高压电器，2019，55(12)：46-53.

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