筒式發(fā)射器圓柱凸輪機構設計

郭三學

(武警工程大學裝備運輸系，陜西 西安 710086)

1 前言

火箭拋錨器是將錨鉤以及引繩發(fā)射到預定區(qū)域的特種裝備。為將錨鉤及引繩順利發(fā)射和達到預定區(qū)域，設計了專用發(fā)射筒。使用時，將火箭體攜帶的錨鉤及引繩裝置裝入發(fā)射筒內，旋轉外套筒，與外套筒固聯的圓柱凸輪機構推動推桿(擊針)直線運動，擊發(fā)火箭彈火帽，引燃火箭發(fā)動機裝藥，從而推動與筒體固連的錨鉤裝置飛行。因此，凸輪機構精確的行程定位和輪廓線設計是實現彈體擊發(fā)的關鍵技術。

2 圓柱凸輪推桿(擊針)運動設計

火箭體采用筒體發(fā)射結構，為實現發(fā)射安全，操作簡單，控制機構需設計兩個行程位置，一是待發(fā)，二是擊發(fā)回位，兩個行程位置在操作中呈周期性。當機構運動到待發(fā)位置時，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)準備，并起保險機構作用。擊發(fā)時，機構運動到最高行程，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稱布置，圓柱形推桿底端與凸輪對稱曲面接觸，在凸輪作用下，沿軸向勻速運動，通過凸輪升程曲線結束并瞬間回程來實現推桿(擊針)擊發(fā)動作，圓柱凸輪結構仿真如圖1所示?？紤]到凸輪曲線僅僅是推動推桿升程運動，而且采用手動旋轉方式，推桿速度低，為了廓形便于成形加工，凸輪廓線選用等速運動規(guī)律曲線，位移曲線為斜直線，速度曲線是水平直線。同時，為使發(fā)射安全可靠，凸輪旋轉具有單向性。

推桿(擊針)運動到行程最高位置時，在彈簧力的作用下回位擊發(fā)火箭彈火帽。假設此能量均由彈簧壓縮的勢能所產生，根據資料［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 k=3.75×103N/m，凸輪行程(彈簧壓縮量)設為x，則

得x=20.7 mm。考慮到彈簧能量的損失和機構間的摩擦，為確保擊發(fā)有足夠的能量，凸輪行程設計為25mm。此時彈簧作用在推桿上的力F=kx=3.75×103×25×10－3=93.75 N。

圖1 圓柱凸輪結構仿真圖Fig.1 Simulation picture of cylindrical cam mechanism

火箭火帽擊發(fā)前，為確保安全，必須設計保險機構，使操作手知道機構已處于待發(fā)位置，擊發(fā)過程即將開始，避免誤操作。通過設計較小的升程曲線并瞬間回程來實現，若凸輪行程設計為25 mm，待發(fā)升程設計為10 mm，并取5 mm的回程。這兩個行程在一圓周內完成，凸輪曲線在圓周對稱分布，其運動規(guī)律如圖2所示。

圖2 凸輪推桿運動規(guī)律Fig.2 Motion characteristics of cam pushrod

運動方程為

根據以上運動規(guī)律，當凸輪沿順時針方向轉動時，經歷了四個階段，即推桿(擊針)由靜止到勻速上升，當凸輪轉到π/2時，推桿(擊針)升程10 mm，然后回程5 mm處于待發(fā)位置;當凸輪轉到π時，推桿(擊針)達到最高位，回程完成擊發(fā)。從推桿運動規(guī)律知，凸輪推桿在π/2和π位置時，由于有速度突變，故加速度值理論上為無窮大，這會使機構產生剛性沖擊，但由于構件有彈性和彈簧力作用，機構只能產生有限的慣性力，這種慣性力有助于推桿(擊針)回程的瞬間擊發(fā)，不會對機構產生破壞性的沖擊。

3 凸輪廓線設計［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直線移動，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。圓柱體凸輪在運動過程中要承受推桿彈簧的作用力和機構運動變化產生的沖擊力，所以圓柱凸輪筒體的壁厚選為3 mm，圓柱凸輪筒體外徑設計為48 mm。

現將圓柱凸輪的外表面展開在平面上，則得到一個長度為πdp的移動凸輪，其移動速度v=ωdp/2，ω為圓柱凸輪運動時的角速度，ω=dφ/dt，dp=48 mm為圓柱凸輪的外徑。設先給此移動凸輪機構以線速度－υ，使之反向移動，這并不影響凸輪與推桿之間的相對運動。但此時，凸輪靜止不動，推桿一方面隨導軌沿－υ方向移動，同時又在導軌中按推桿位移曲線作預期往復移動，推桿滾子中心在做往復運動中描出的軌跡曲線β0即為凸輪的理論廓形，而一系列滾子圓的包絡線β1即為凸輪的實際輪廓線。平面移動的凸輪如圖3所示。

圖3 平面移動凸輪Fig.3 Plane mobile CAM

根據平面凸輪的實際運動曲線，對凸輪機構的壓力角校核如下，凸輪在推程時壓力角表達式［3］為

αmax=28°＜［α］，因此凸輪曲線設計符合要求。根據此實際凸輪廓線，加工出的圓柱凸輪如圖4a所示，圖4b是圓柱凸輪機構與發(fā)射筒體的裝配圖。

圖4 圓柱凸輪機構Fig.4 Cylindrical cam mechanism

采用火箭原理是一種新的錨鉤發(fā)射方式，火箭拋錨器經實際使用，性能穩(wěn)定，技術指標達到設計要求，現已通過上級部門組織的技術鑒定，圖5是發(fā)射圖。

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

4 結束語

(1)運用圓柱凸輪作為發(fā)射筒的控制機構，實現了對拋錨彈火帽的安全可靠擊發(fā);

(2)發(fā)射器手握旋轉擊發(fā)，凸輪機構的推桿作為發(fā)射器擊針，機構簡單，操作方便;

(3)圓柱推桿采用等速運動曲線，設計了待發(fā)和擊發(fā)兩個行程段，既便于發(fā)射保險，又便于適時控制擊發(fā)過程;

(4)發(fā)射筒經實際使用，性能穩(wěn)定，技術指標達到設計要求。

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

［2］ 劉昌祺，牧野洋(日)，曹西京．凸輪機構設計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2005．

［3］ 黃華梁，彭文生．機械設計基礎［M］．北京:高等教育出版社，2007．