郭三學(xué)

(武警工程大學(xué)裝備運(yùn)輸系，陜西 西安 710086)

1 前言

火箭拋錨器是將錨鉤以及引繩發(fā)射到預(yù)定區(qū)域的特種裝備。為將錨鉤及引繩順利發(fā)射和達(dá)到預(yù)定區(qū)域，設(shè)計(jì)了專用發(fā)射筒。使用時(shí)，將火箭體攜帶的錨鉤及引繩裝置裝入發(fā)射筒內(nèi)，旋轉(zhuǎn)外套筒，與外套筒固聯(lián)的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)推動(dòng)推桿(擊針)直線運(yùn)動(dòng)，擊發(fā)火箭彈火帽，引燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥，從而推動(dòng)與筒體固連的錨鉤裝置飛行。因此，凸輪機(jī)構(gòu)精確的行程定位和輪廓線設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)彈體擊發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 圓柱凸輪推桿(擊針)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

火箭體采用筒體發(fā)射結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)發(fā)射安全，操作簡單，控制機(jī)構(gòu)需設(shè)計(jì)兩個(gè)行程位置，一是待發(fā)，二是擊發(fā)回位，兩個(gè)行程位置在操作中呈周期性。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到待發(fā)位置時(shí)，推桿(擊針)在彈簧作用下沿軸向有回程，提示操作手做好擊發(fā)準(zhǔn)備，并起保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)作用。擊發(fā)時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到最高行程，在彈簧力作用下，推桿(擊針)擊發(fā)火帽，完成擊發(fā)，并返回原位。為使推桿與凸輪曲線保持緊密配合，除推桿彈簧作用外，圓柱凸輪曲線沿圓周對(duì)稱布置，圓柱形推桿底端與凸輪對(duì)稱曲面接觸，在凸輪作用下，沿軸向勻速運(yùn)動(dòng)，通過凸輪升程曲線結(jié)束并瞬間回程來實(shí)現(xiàn)推桿(擊針)擊發(fā)動(dòng)作，圓柱凸輪結(jié)構(gòu)仿真如圖1所示?？紤]到凸輪曲線僅僅是推動(dòng)推桿升程運(yùn)動(dòng)，而且采用手動(dòng)旋轉(zhuǎn)方式，推桿速度低，為了廓形便于成形加工，凸輪廓線選用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，位移曲線為斜直線，速度曲線是水平直線。同時(shí)，為使發(fā)射安全可靠，凸輪旋轉(zhuǎn)具有單向性。

推桿(擊針)運(yùn)動(dòng)到行程最高位置時(shí)，在彈簧力的作用下回位擊發(fā)火箭彈火帽。假設(shè)此能量均由彈簧壓縮的勢(shì)能所產(chǎn)生，根據(jù)資料［1］介紹，53式7.62 mm槍彈擊針擊發(fā)火帽所須的能量約為0.8 J，若彈簧剛度系數(shù) k=3.75×103N/m，凸輪行程(彈簧壓縮量)設(shè)為x，則

得x=20.7 mm?？紤]到彈簧能量的損失和機(jī)構(gòu)間的摩擦，為確保擊發(fā)有足夠的能量，凸輪行程設(shè)計(jì)為25mm。此時(shí)彈簧作用在推桿上的力F=kx=3.75×103×25×10－3=93.75 N。

圖1 圓柱凸輪結(jié)構(gòu)仿真圖Fig.1 Simulation picture of cylindrical cam mechanism

火箭火帽擊發(fā)前，為確保安全，必須設(shè)計(jì)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，使操作手知道機(jī)構(gòu)已處于待發(fā)位置，擊發(fā)過程即將開始，避免誤操作。通過設(shè)計(jì)較小的升程曲線并瞬間回程來實(shí)現(xiàn)，若凸輪行程設(shè)計(jì)為25 mm，待發(fā)升程設(shè)計(jì)為10 mm，并取5 mm的回程。這兩個(gè)行程在一圓周內(nèi)完成，凸輪曲線在圓周對(duì)稱分布，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖2所示。

圖2 凸輪推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.2 Motion characteristics of cam pushrod

運(yùn)動(dòng)方程為

根據(jù)以上運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)凸輪沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)歷了四個(gè)階段，即推桿(擊針)由靜止到勻速上升，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到π/2時(shí)，推桿(擊針)升程10 mm，然后回程5 mm處于待發(fā)位置;當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)到π時(shí)，推桿(擊針)達(dá)到最高位，回程完成擊發(fā)。從推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律知，凸輪推桿在π/2和π位置時(shí)，由于有速度突變，故加速度值理論上為無窮大，這會(huì)使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生剛性沖擊，但由于構(gòu)件有彈性和彈簧力作用，機(jī)構(gòu)只能產(chǎn)生有限的慣性力，這種慣性力有助于推桿(擊針)回程的瞬間擊發(fā)，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生破壞性的沖擊。

3 凸輪廓線設(shè)計(jì)［2］

圓柱凸輪曲線是在圓柱體上制成的曲線面，為便于圓柱凸輪曲面的加工，節(jié)約成本，凸輪材料選用綜合性能良好的ABS工程塑料。圓柱凸輪的推桿做往復(fù)直線移動(dòng)，推桿的滾子采用圓柱形，滾子直徑4 mm。拋錨彈彈徑為38 mm，為使彈體與發(fā)射筒方便裝配，彈體與發(fā)射筒之間間隙定為2 mm。圓柱體凸輪在運(yùn)動(dòng)過程中要承受推桿彈簧的作用力和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變化產(chǎn)生的沖擊力，所以圓柱凸輪筒體的壁厚選為3 mm，圓柱凸輪筒體外徑設(shè)計(jì)為48 mm。

現(xiàn)將圓柱凸輪的外表面展開在平面上，則得到一個(gè)長度為πdp的移動(dòng)凸輪，其移動(dòng)速度v=ωdp/2，ω為圓柱凸輪運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度，ω=dφ/dt，dp=48 mm為圓柱凸輪的外徑。設(shè)先給此移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)以線速度－υ，使之反向移動(dòng)，這并不影響凸輪與推桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但此時(shí)，凸輪靜止不動(dòng)，推桿一方面隨導(dǎo)軌沿－υ方向移動(dòng)，同時(shí)又在導(dǎo)軌中按推桿位移曲線作預(yù)期往復(fù)移動(dòng)，推桿滾子中心在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)中描出的軌跡曲線β0即為凸輪的理論廓形，而一系列滾子圓的包絡(luò)線β1即為凸輪的實(shí)際輪廓線。平面移動(dòng)的凸輪如圖3所示。

圖3 平面移動(dòng)凸輪Fig.3 Plane mobile CAM

根據(jù)平面凸輪的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角校核如下，凸輪在推程時(shí)壓力角表達(dá)式［3］為

αmax=28°＜［α］，因此凸輪曲線設(shè)計(jì)符合要求。根據(jù)此實(shí)際凸輪廓線，加工出的圓柱凸輪如圖4a所示，圖4b是圓柱凸輪機(jī)構(gòu)與發(fā)射筒體的裝配圖。

圖4 圓柱凸輪機(jī)構(gòu)Fig.4 Cylindrical cam mechanism

采用火箭原理是一種新的錨鉤發(fā)射方式，火箭拋錨器經(jīng)實(shí)際使用，性能穩(wěn)定，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已通過上級(jí)部門組織的技術(shù)鑒定，圖5是發(fā)射圖。

圖5 拋錨器發(fā)射圖Fig.5 Launching picture of rocket anchor

4 結(jié)束語

(1)運(yùn)用圓柱凸輪作為發(fā)射筒的控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)拋錨彈火帽的安全可靠擊發(fā);

(2)發(fā)射器手握旋轉(zhuǎn)擊發(fā)，凸輪機(jī)構(gòu)的推桿作為發(fā)射器擊針，機(jī)構(gòu)簡單，操作方便;

(3)圓柱推桿采用等速運(yùn)動(dòng)曲線，設(shè)計(jì)了待發(fā)和擊發(fā)兩個(gè)行程段，既便于發(fā)射保險(xiǎn)，又便于適時(shí)控制擊發(fā)過程;

(4)發(fā)射筒經(jīng)實(shí)際使用，性能穩(wěn)定，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］ 易聲耀，張競．自動(dòng)武器原理與構(gòu)造學(xué)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2009．

［2］ 劉昌祺，牧野洋(日)，曹西京．凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［3］ 黃華梁，彭文生．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］．北京:高等教育出版社，2007．