陳 雷，李 強(qiáng)

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

一種新型發(fā)條簧式平衡機(jī)計算與設(shè)計

陳 雷，李 強(qiáng)

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

針對遙控武器站的技術(shù)需求，提出設(shè)計一種新型發(fā)條簧式平衡機(jī)，根據(jù)武器站俯仰部分重力矩的變化規(guī)律，利用發(fā)條簧和變徑輪相結(jié)合的理念進(jìn)行平衡機(jī)的計算與設(shè)計，使用MATLAB軟件計算發(fā)條簧的設(shè)計參數(shù)和變徑輪的半徑變化曲線，并利用UG軟件作圖確定平衡機(jī)的結(jié)構(gòu)方案，探討了發(fā)條簧式平衡機(jī)的工作原理和安裝調(diào)試方法，對輕型遙控武器站的工程設(shè)計具有一定的技術(shù)參考價值。

遙控武器站；平衡機(jī)；發(fā)條簧；變徑輪

遙控武器站是近年來國內(nèi)外競相發(fā)展的一種新型模塊化武器系統(tǒng)，一般由車內(nèi)操控單元和車外全電驅(qū)動的無人炮塔組成，車內(nèi)操控單元包括火控計算機(jī)、顯示器、操作手柄和控制面板，炮塔之上則集成有武器系統(tǒng)、觀瞄系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)[1]。當(dāng)某型機(jī)槍安裝在武器站上之后，由于觀瞄系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)安裝在搖架下端，所以整個俯仰部分的質(zhì)心位置處于射擊方向的前下方，在射角范圍內(nèi)調(diào)整俯仰部分使射擊角度逐漸增大，則重力矩也逐漸增大，產(chǎn)生了較大的不平衡力矩，嚴(yán)重地影響射擊穩(wěn)定性，因此設(shè)計一款新型的結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的平衡機(jī)是十分必要的。

1 遙控武器站結(jié)構(gòu)布置簡介

遙控武器站主要包括火力分系統(tǒng)、火控分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)和配套連接件，如圖1所示。

火力分系統(tǒng)則包括武器、托架、搖架、座圈和供輸彈機(jī)構(gòu)等[2]。圖2為某機(jī)槍遙控武器站局部結(jié)構(gòu)圖。該遙控武器站中機(jī)槍是通過左右緩沖器安裝在俯仰機(jī)構(gòu)的搖架上，搖架通過大耳軸結(jié)構(gòu)與托架連接，彈箱供彈時槍彈通過大耳軸中間的進(jìn)彈托板進(jìn)入機(jī)槍，平衡機(jī)安裝在大耳軸下方的托架上，并通過鋼絲繩連接在大耳軸上的鉸接點B，如圖3所示。

2 數(shù)學(xué)模型

為了方便計算發(fā)條簧式平衡機(jī)的設(shè)計參數(shù)，有必要建立發(fā)條簧式平衡機(jī)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)圖3可以推導(dǎo)出方便適用的數(shù)學(xué)公式。為平衡機(jī)的調(diào)試和分析俯仰部分的受力狀態(tài)提供一些參考[3]。

如圖3所示，平衡機(jī)通過鋼絲繩NB與回轉(zhuǎn)部分掛接，OW為水平軸，OU為鉛垂軸，俯仰部分質(zhì)心位置G(-65.8,-92.3)處于回轉(zhuǎn)中心O的下前方位置，圖示時刻的射擊軸線位置與OW軸重合，根據(jù)該平衡機(jī)設(shè)計要求，在不考慮后座部分的運動影響下，重力矩的變化規(guī)律由射角可以確定。

射角范圍為-10°～60°；

LOB=90 mm;

2.1 重力矩的計算

根據(jù)射角變化和三角形運算法則，可知重力矩的計算公式為

Mg=G lcos(54.5-φ)

(1)

式中：φ為射擊角度；G為俯仰部分的重量，為1.05 kN。

假設(shè)平衡力矩為Mp，則不平衡力矩為

ΔM=Mg-Mp

(2)

由MATLAB編程計算可得重力矩變化規(guī)律如圖4所示，隨著射角的增大，重力矩逐漸增大，因此平衡機(jī)提供的拉力矩也應(yīng)增大才能滿足不平衡力矩最小的要求。

2.2 平衡機(jī)力的計算

發(fā)條簧式平衡機(jī)提供的力通過滑輪和鋼絲繩作用在武器站的俯仰部分，產(chǎn)生一個逆時針方向的力矩，以抵消重力矩和后座部分質(zhì)心變化時對自動機(jī)的影響，使其始終保持平衡狀態(tài)。此處只考慮重力矩的抵消問題。

如圖3所示，在△OBD中，

(3)

(4)

在△DBN中，DN⊥NB，所以

(5)

則 ∠OBN=∠OBD-∠DBN=

(6)

在△OBN中，過O點做BN的垂線OH⊥BN，則

(7)

2.3 發(fā)條簧參數(shù)的計算

圖6給出了發(fā)條簧的工作特性圖，從線性區(qū)選出適當(dāng)?shù)囊欢俗鳛楣ぷ鞫蝃4]，找出對應(yīng)的輸出力矩Ts2與Ts1和相應(yīng)的工作圈數(shù)n1與n2。Δn=n2-n1即為平衡機(jī)工作時繩輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，再根據(jù)發(fā)條簧輸出力矩Ts和理想的平衡機(jī)輸出力F求出繩輪半徑Rs,即Rs=Ts/F。最后核對行程大小，便可以確定出各項參數(shù)。

圖6中： Tmax為發(fā)條彈簧的最大理論轉(zhuǎn)矩；Tsmax為發(fā)條彈簧的最大輸出轉(zhuǎn)矩；Tsmin為發(fā)條彈簧的最小輸出轉(zhuǎn)矩；nmax為發(fā)條彈簧的最大圈數(shù)；n0為發(fā)條彈簧空圈數(shù)；ng為發(fā)條彈簧的工作圈數(shù)；nj為發(fā)條上緊時的圈數(shù)；nz為發(fā)條彈簧自由狀態(tài)時的圈數(shù)；n為發(fā)條彈簧從自由狀態(tài)至上緊時的圈數(shù)。

已知發(fā)條盒的外筒最大安裝尺寸為100 mm，俯仰部分的重力矩最大值為119.0 N·m，最小值為51.2 N·m。編寫MATLAB程序計算發(fā)條簧的設(shè)計參數(shù)，并擬合最優(yōu)解，使得選取的發(fā)條簧工作圈數(shù)中的某一線性區(qū)的扭矩變化正好能夠抵消射角范圍內(nèi)重力矩的變化。

根據(jù)發(fā)條盒的安裝尺寸和發(fā)條帶的厚度選取規(guī)范，反復(fù)調(diào)試程序計算最優(yōu)解，給出發(fā)條彈簧的最大輸出扭矩為32.5 N·m，取修正系數(shù)K=0.78，計算可得發(fā)條彈簧帶厚度h=1.2 mm，寬度b=80 mm，彈簧自由狀態(tài)時圈數(shù)nz=6.5，彈簧的工作圈數(shù)ng=2.5，彈簧帶總長度L=2.054 m，發(fā)條彈簧軸直徑d=36 mm，發(fā)條盒內(nèi)直徑D=82 mm。

2.4 變半徑繩輪曲線的確定

常見的火炮俯仰部分的重力矩隨射角增大是逐漸減小的，平衡機(jī)在設(shè)計過程中要保證平衡機(jī)力矩的變化規(guī)律與重力矩的變化一致，才能保證俯仰部分的不平衡力矩最小，而該遙控武器站的搖架俯仰部分的重力矩隨射角的增大逐漸增大，發(fā)條簧工作時的輸出扭矩隨射角的增大逐漸減小，因此根據(jù)發(fā)條簧的實際輸出力公式Fs=Ts/Rs知，可以通過逐漸減小平衡機(jī)繩輪的半徑使平衡機(jī)對搖架俯仰部分的力逐漸增大。圖7給出了發(fā)條簧的線性工作區(qū)，選用中間段第2～2.45圈作為平衡機(jī)的工作圈數(shù)，利用繩輪半徑的計算程序進(jìn)行計算。

圖8為通過程序調(diào)試計算得出繩輪半徑隨著射角的變化曲線。

根據(jù)繩輪半徑隨射角的變化和鋼絲繩的纏繞長度，利用三角形近似算法求出每一個射角下對應(yīng)的繩輪轉(zhuǎn)角，然后再根據(jù)繩輪半徑的變化即可擬合出繩輪的外形輪廓曲線，如圖9所示。

3 建模與調(diào)試方法

根據(jù)以上計算結(jié)果，利用三維建模軟件UG構(gòu)建模型并裝配，圖10為發(fā)條簧式平衡機(jī)結(jié)構(gòu)圖。發(fā)條簧帶內(nèi)端固定連接在發(fā)條軸上，外端通過扁銷連接在發(fā)條盒上，發(fā)條軸一端靠發(fā)條盒后蓋板支撐，另一端通過鍵、蝸輪和蝸桿連接繩輪，安裝調(diào)試時，將鋼絲繩一端連接在俯仰部分大耳軸的鉸接點，另一端通過惰輪連接到平衡機(jī)繩輪的起始位置，然后轉(zhuǎn)動繩輪上的蝸桿即可，因為蝸桿裝在繩輪上，轉(zhuǎn)動蝸桿，蝸桿通過蝸輪、鍵、軸能夠使發(fā)條軸與發(fā)條簧做相對于繩輪的轉(zhuǎn)動。從圖10中A-A視圖和B-B視圖可以看出，旋轉(zhuǎn)蝸桿使發(fā)條軸與發(fā)條簧做逆時針方向轉(zhuǎn)動，發(fā)條簧就不斷上緊，發(fā)條簧的輸出力矩不斷增加，但是在到達(dá)要求的工作點之前，由于發(fā)條簧的輸出力矩小于俯仰部分重力作用于平衡機(jī)繩輪上的力矩，繩輪是不會轉(zhuǎn)動的。繼續(xù)轉(zhuǎn)動蝸桿，當(dāng)發(fā)條上緊到超過了要求的工作點時，平衡機(jī)的輸出力矩大于外力矩，則繩輪便會發(fā)生轉(zhuǎn)動，然后仔細(xì)轉(zhuǎn)動蝸桿，反復(fù)調(diào)整幾次，找到平衡點的位置[5]。在預(yù)調(diào)整階段最好是利用俯仰部分的一個極限位置尋找第1個平衡點，使發(fā)條簧的輸出扭矩變化正好滿足設(shè)計要求。

圖10結(jié)構(gòu)中的蝸輪蝸桿副在正常工作過程中起著鍵的作用，發(fā)條簧的輸出扭矩通過軸、鍵和蝸輪傳遞到繩輪上，使繩輪與軸及彈簧做同步轉(zhuǎn)動；在安裝、拆卸、調(diào)整過程中，轉(zhuǎn)動蝸桿使發(fā)條簧相對繩輪做旋轉(zhuǎn)，從而完成發(fā)條簧的加載、卸載、調(diào)整工作點的任務(wù)。

4 結(jié)束語

發(fā)條簧式平衡機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，對安裝位置和安裝空間無特殊要求，這些特點很好地符合了輕型遙控武器站的設(shè)計理念，此外，發(fā)條簧式平衡機(jī)減輕了系統(tǒng)對驅(qū)動源的負(fù)載，并且能夠有效減小武器站俯仰部分的不平衡力矩，對提高射擊精度具有一定的作用，對遙控武器站的設(shè)計使用和改進(jìn)升級也具有一定的參考意義。此外，全文闡述的設(shè)計方法對于一些輕型大口徑武器的平衡機(jī)設(shè)計也具有一定的技術(shù)參考價值。

References)

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Calculation and Design of a New Clockwork Spring Equilibrator

CHEN Lei，LI Qiang

(School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China)

According to the technological needs of the remote weapon station, the paper puts forward a new type of clockwork spring balance machine, according to the weapon station pitch part of gravitational torque change rule, through the use of the idea of combining clockwork spring with variable dia-meter wheel to calculated and design the equilibrator as well as MATLAB software to calculate the design parameters of the clockwork spring and the curve of variable diameter round radius. UG software construction is used to determine the structure scheme of balancing machine, with the clockwork spring balancing machine working principle and installation and debugging method discussed, which has a certain technological reference value to the improvement of light-weight remotely operated weapon stations upgrade work.

remotely operated weapon stations;balancing machine;clockwork spring;variable dia-meter wheel

2016-08-03

國防科研基金項目資助(A0820132003)

陳雷(1989—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學(xué)仿真技術(shù)研究。E-mail：981235903@qq.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.011

TJ203

A

1673-6524(2017)02-0049-05