王蕾，張堯禹，張雪峰，馮進(jìn)良

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)也不斷與機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合。越來越多的現(xiàn)代檢測系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代國防，航天、航空科技領(lǐng)域以及海上設(shè)備。本文主要針對火炮反后坐裝置檢測的要求，設(shè)計(jì)了確保施力安全的快速回退裝置。系統(tǒng)通過彈性蓄能裝置以及回縮牽引裝置，保證在火炮復(fù)進(jìn)時(shí)施力推桿速度大于火炮復(fù)進(jìn)速度，保障設(shè)備安全以及后續(xù)檢測的進(jìn)行。

1 快速回縮系統(tǒng)組成

快速回縮系統(tǒng)組成如圖1所示。此系統(tǒng)包括以下幾個(gè)分系統(tǒng)：鎖緊裝置，彈性蓄能裝置以及回縮牽引裝置等。

圖1 快速回縮系統(tǒng)組成圖

1.1 鎖緊與解脫裝置

鎖緊與解脫裝置由基軸套、鎖緊軸套、直線軸承、鎖緊鋼球、鎖緊銅柱、彈簧、鎖緊座法蘭盤、導(dǎo)向定位坐、鎖緊與解脫油缸等組成，如圖2所示。

圖2 鎖緊與解脫裝置結(jié)構(gòu)圖

鎖緊鋼球嵌入鎖緊銅柱兩側(cè)的凹槽里，通過鎖緊與解脫油缸的前后運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鎖緊套前后運(yùn)動(dòng)，鎖緊套的斜切面壓縮外側(cè)鎖緊鋼球，間接的壓縮鎖緊銅柱及內(nèi)側(cè)鎖緊鋼球，使內(nèi)側(cè)鎖緊鋼球嵌入鎖緊軸筒的環(huán)形槽內(nèi)，完成通過鎖緊套的軸向運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鎖緊鋼球及鎖緊銅柱的徑向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到鎖緊的目的。解脫則相反。

1.2 回縮牽引裝置

本文中設(shè)計(jì)回縮牽引裝置與彈性蓄能裝置蓄能時(shí)的動(dòng)力裝置為同一裝置，在鎖緊機(jī)構(gòu)釋放時(shí)啟動(dòng)，拖拽牽引施力推桿，使其保持大于火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的速度縮回活塞桿空腔。回縮牽引裝置包括異步電機(jī)、繞線輪、電磁離合器、慣性輪和逆止器幾部分?；乜s牽引裝置拖拽鋼絲帶動(dòng)施力推桿回縮。如圖3所示。

1.3 彈性蓄能裝置

慣性輪的應(yīng)用起到消除電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的短暫爬行時(shí)間的作用，但是回縮牽引裝在鎖緊解脫到正式產(chǎn)生牽引力仍存在時(shí)間間隙，系統(tǒng)無法消除，需在回縮系統(tǒng)中添加蓄能裝置，使施力推桿在鎖緊釋放時(shí)獲得初始加速度，保證火炮反后坐裝置的檢測能夠順利進(jìn)行。此裝置采用的是高剛度雙芯拉伸彈簧，其回縮速度快，穩(wěn)定性高，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。

2 快速回縮系統(tǒng)的工作過程

施力推桿快速回縮裝置各部分工作過程為：

（1）人工將施力推桿從液壓活塞桿的空腔中拉出到達(dá)鎖緊預(yù)定位置，但此時(shí)并未完全鎖緊，并保證活塞桿、施力桿以及被測火炮身管的同軸度。

（2）液壓站啟動(dòng)控制薄型油缸釋放，完成施力推桿與液壓活塞桿的鎖緊工作。液壓站控制液壓活塞桿伸出，帶動(dòng)推桿對被測火炮實(shí)現(xiàn)人工后坐過程，達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，活塞桿保持靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)可對火炮各參數(shù)進(jìn)行測量和檢查。

（3）當(dāng)需要被測火炮自由復(fù)進(jìn)時(shí)，對蓄能裝置進(jìn)行蓄能。基于安全性和可操作性考慮，采用人工蓄能方式。逆止器由棘輪和棘爪，鎖緊螺母，直線電機(jī)等組成。鎖緊螺母與繞線輪軸保證無相對運(yùn)動(dòng)，人工轉(zhuǎn)動(dòng)螺母帶動(dòng)繞線輪進(jìn)行繞線。拉伸彈簧進(jìn)行蓄能。直線電機(jī)啟動(dòng)，控制棘爪卡死棘輪，保持彈簧蓄能狀態(tài)。

（4）電力控制機(jī)械工作進(jìn)行，將EM235模塊輸出切換到變頻器，并設(shè)置初始零狀態(tài)；按下一鍵回縮鍵；準(zhǔn)備工作完成。啟動(dòng)變頻器同時(shí)延時(shí)8s，電機(jī)啟動(dòng)并逐步達(dá)到2295r/min轉(zhuǎn)速。電機(jī)帶動(dòng)慣性輪高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)需要釋放施力推桿，使火炮自由復(fù)進(jìn)時(shí)，吸合電磁離合器，打開逆止器，繞線輪在電機(jī)的帶動(dòng)下高速收線，彈簧由拉伸狀態(tài)瞬時(shí)恢復(fù)初始狀態(tài)，彈性勢能使得施力推桿獲得較大回縮加速度。保證施力推桿回縮速度大于火炮自由復(fù)進(jìn)速度。由此完成快速回縮過程?？焖倩乜s系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 快速回縮系統(tǒng)示意圖

3 技術(shù)難點(diǎn)與問題解決

3.1 技術(shù)難點(diǎn)與創(chuàng)新

鎖緊與解脫裝置設(shè)計(jì)：鎖緊套上帶有12°的倒角，鎖緊軸筒上開有U型槽，鎖緊銅柱和鎖緊鋼球以及彈簧放入基軸套上開的孔內(nèi)，且鎖緊銅柱的兩側(cè)各安放一個(gè)鎖緊鋼球，中間用彈簧相隔，鎖緊銅柱、鎖緊鋼球以及彈簧可在基軸套上的孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)且不卡簧。當(dāng)內(nèi)側(cè)鋼球進(jìn)入鎖緊軸筒的U型槽，帶倒角的鎖緊套在鎖緊和解脫油缸的帶動(dòng)下向右方運(yùn)動(dòng)，就會(huì)壓緊外側(cè)鋼球以及彈簧，使得內(nèi)側(cè)鋼球卡在U型槽內(nèi)進(jìn)行鎖緊。而若想解脫，用鎖緊和解脫油缸帶動(dòng)鎖緊套向左運(yùn)動(dòng)，鎖緊銅柱及鎖緊鋼球沒有力的作用，可輕松的從鎖緊軸筒的U型槽中退出，進(jìn)行解脫。

設(shè)計(jì)中采用直徑為12cm的淬火鋼球?qū)κ┝ν茥U進(jìn)行鎖止。當(dāng)后坐施力達(dá)到最大250kN時(shí)，對淬火鋼球進(jìn)行受力校核，由結(jié)構(gòu)分析得出受力示意圖如圖5所示。

圖5 鋼球推力大小計(jì)算

由圖5可知，鋼球所受的徑向推力為：

其中，F(xiàn)—火炮后坐力；F1—施力桿對鋼球的徑向推力。在此受力狀況下對鎖緊鋼球進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 鎖緊鋼球應(yīng)力分析

由圖6可知，當(dāng)施力達(dá)到設(shè)計(jì)最大值250kN時(shí)，鋼球所受的應(yīng)力大小約為468.1MPa，鋼球的形變最大為0.0035mm，其材料受力未達(dá)到其彈性極限，屬于彈性變形，可以滿足系統(tǒng)最大施力要求。

3.2 問題分析與解決

在回縮牽引裝置進(jìn)行安裝時(shí)，務(wù)必保證各部件的同軸度，例如電磁離合器兩部分的安裝等。否則電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)無法實(shí)現(xiàn)慣性輪、繞線輪的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大晃動(dòng)，需要對于裝置的穩(wěn)定可靠性進(jìn)行考慮。

施力推桿在快速回縮裝置的帶動(dòng)下，沿直線軸承高速回縮，應(yīng)設(shè)有緩沖裝置。故當(dāng)?shù)竭_(dá)行程位置時(shí)，通過一級緩沖桿壓縮緩沖彈簧進(jìn)行緩沖；一級緩沖桿縮進(jìn)后，由材料為聚氨酯的二級緩沖塊繼續(xù)緩沖，使施力推桿平穩(wěn)緩沖，減小高速回縮桿對人工后坐裝置本身的沖擊。

轉(zhuǎn)動(dòng)速度分析：推桿后退速度指標(biāo)是12m/s，繞線輪的直徑設(shè)計(jì)為100mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

因此，轉(zhuǎn)速達(dá)到2293r/min的電機(jī)即可滿足要求。

功率與能量分析：由于彈性勢能器及慣性輪的能量積蓄，快速回縮裝置中異步電機(jī)需提供維持施力推桿的回縮速度，其力矩與系統(tǒng)摩擦阻力有關(guān)。施力推桿回縮時(shí)沿直線軸承運(yùn)動(dòng)，為滾動(dòng)摩擦，估算摩擦力為0.05kN，裝置采用回縮繞線輪直徑為100mm，則由此產(chǎn)生的力矩為：

施力推桿回縮速度的控制也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。由于火炮身管與施力推桿間存在相互作用力，在滿足回縮加速度的基礎(chǔ)上，防止速度過大，對液壓設(shè)備造成沖擊傷害。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

最后對裝置進(jìn)行試驗(yàn)，采用英國進(jìn)口的STM系列激光測速測長儀完成測試。按照人工后坐裝置的工作流程進(jìn)行操作，當(dāng)施力推桿由鎖緊狀態(tài)釋放時(shí)，對施力推桿的回縮速度進(jìn)行測量，測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，施力推桿在沒有火炮施加彈性勢能的情況下可達(dá)到9.2m/s的回縮速度。經(jīng)計(jì)算，若火炮提供施力推桿0.4kN的推力，克服施力推桿初始慣量，由快速回退執(zhí)行裝置提供后續(xù)能量，可滿足系統(tǒng)要求。

圖7 時(shí)間—速度曲線圖

5 結(jié)論

由上述試驗(yàn)結(jié)果分析可知，施力推桿瞬時(shí)加速度很快，最高速度可達(dá)9.2m/s。在火炮發(fā)射時(shí)施加外力以及高剛度雙芯拉伸彈性提供彈性勢能的情況下，能夠滿足系統(tǒng)12m/s的速度指標(biāo)。在對火炮反后坐裝置檢測時(shí)，足以保證設(shè)備的安全與檢測的正常進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了系統(tǒng)的可行性與可靠性。

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