火箭炮剪叉式自適應插接機構(gòu)設計及仿真分析

崔二巍，周晉祎，范虎成，朱漢順，吳旭

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

火箭炮配用箱式定向器，能夠?qū)崿F(xiàn)彈箱的整體裝填、卸載，大大提高裝填效率，縮短作戰(zhàn)準備時間，提高火箭炮應急反應能力，可用于多次打擊、連續(xù)作戰(zhàn)、快速反擊的作戰(zhàn)任務[1-2]。同時，箱式火箭炮采用標準的機械、電氣接口，所有符合該標準的彈箱均可適配，因此能夠兼容不同口徑的無控、制導火箭彈和戰(zhàn)術(shù)導彈共架發(fā)射，實現(xiàn)面壓制和精確打擊的高效結(jié)合，作戰(zhàn)效能大幅提高[3]。

箱式定向器底部設有與火箭炮發(fā)射架連接的定位、鎖緊等機械接口，以及與火控線路對接的電氣接口。其中，電氣接口為一組相互配套的電連接器插頭與插座，插座位于彈箱底部，插頭位于火箭炮發(fā)射架。彈箱吊裝至發(fā)射架后，插頭與插座間相距一定距離，初始為斷開狀態(tài)。

電連接器插接機構(gòu)的作用為插接或斷開電連接器，以實現(xiàn)彈箱與發(fā)射架之間電氣線路的連通或中斷[4]?；鸺跍蕚渖鋼魰r，電連接器插接到位，用于火箭彈的裝定、點火及制導彈的供電、通信等；其余時間段內(nèi)均處于斷開狀態(tài)，以保證箱式定向器內(nèi)火箭彈的安全，避免產(chǎn)生誤發(fā)火。筆者根據(jù)插接機構(gòu)的設計要求，設計了一種剪叉式自適應插接機構(gòu)，并對設計結(jié)果進行仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 結(jié)構(gòu)設計

1.1 設計要求

電連接器插接機構(gòu)的動作是否準確可靠，關(guān)系到火箭彈能否正常點火、發(fā)射。作為箱式火箭炮的關(guān)鍵部件，插接機構(gòu)的設計要求如下：

1)采用自動插接方式，通過火箭炮操作面板上的控制按鈕即可實現(xiàn)電連接器的插接、斷開，縮短射擊準備時間。

2)動作準確、平穩(wěn)、快速，插接機構(gòu)的舉升行程足夠，保證插頭與插座間可靠對接。

3)采用火箭炮底盤氣源作為驅(qū)動，氣壓在0.3～0.8 MPa范圍內(nèi)均能插接到位。

4)能夠適應一定的位置誤差。電連接器插頭與插座分別位于搖架與箱式定向器，由于加工裝配誤差、兩者定位誤差等，造成插頭插座間存在位置誤差。綜合考慮誤差因素，要求插接機構(gòu)應能適應±2 mm的位置誤差。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設計

電連接器插接機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，圖1(a)為初始斷開狀態(tài)，插頭與插座間高度差為h=20 mm；圖1(b)為插接到位狀態(tài)。插接機構(gòu)主要由空氣室、推桿、剪叉式連桿機構(gòu)、雙層安裝座、電連接器插頭等部分組成?？諝馐覟閱巫饔媚て接袟U氣缸，彈簧力復位，結(jié)構(gòu)緊湊，動作可靠。氣室外殼通過轉(zhuǎn)接座固定于搖架后橫梁。剪叉式連桿機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、舉升平穩(wěn)，空間穩(wěn)定性強等優(yōu)點[5-6]，其主要由對稱分布在兩側(cè)的4根連桿及底架組成。底架與搖架后橫梁固連。單側(cè)兩根連桿在中點位置鉸接，頂部與雙層安裝座連接，底部與底架連接，連桿一端鉸接，一端在長條孔內(nèi)滑動。

插接機構(gòu)的氣動原理圖[7]如圖2所示。

插接時，將火箭炮操作面板上的控制按鈕撥至插接位，電磁閥通電，空氣室進氣口與底盤儲氣瓶連通，在高壓氣體作用下推桿伸出，驅(qū)動剪叉式連桿機構(gòu)舉升，插頭與插座對接；斷開時，將控制按鈕撥至斷開位，電磁閥斷電，空氣室與大氣環(huán)境連通，高壓氣體排出，氣室推桿復位，插頭與插座斷開。通過控制按鈕對電磁閥通、斷電進行控制，實現(xiàn)自動插接、斷開功能。

1.3 位置誤差自適應

為保證插接機構(gòu)能夠適應插頭與插座間的位置誤差，采用雙層安裝座結(jié)合十字交錯槽的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

雙層安裝座之間通過4組十字交錯槽連接，能夠相對平移滑動，并將滑動范圍限定在x、y方向各±2 mm的要求范圍內(nèi)。電連接器插頭固定于上層安裝座，剪叉式連桿機構(gòu)與下層安裝座相連。插頭上設有兩組導向錐銷，與插座上對應的銷孔相配合。插接過程中，錐銷導向段進入銷孔內(nèi)，在錐銷的導向作用下，雙層安裝座之間相對滑動，適應位置誤差。

1.4 推桿行程確定

為保證插接機構(gòu)的舉升行程，確保插接到位，根據(jù)剪叉式連桿機構(gòu)的工作原理，確定空氣室推桿行程。剪叉式連桿機構(gòu)的舉升示意圖如圖4所示。其中，AB、CD為落下狀態(tài)，AB′、C′D′為舉升狀態(tài)，h為舉升行程，Δd為推桿行程，連桿AB、CD長度均為L.

由圖中幾何關(guān)系可得：

Δd=lAC-lAC′=Lcosα-Lcosβ,

(1)

(2)

因此：

(3)

(4)

1.5 空氣室推力及充放氣時間計算

空氣室推力:

(5)

式中：d為空氣室活塞直徑；p為高壓空氣壓力。

計算可得，當空氣壓力p分別為0.3、0.8 MPa時，空氣室推力F分別為2.646、7.056 kN.

1.5.1 充氣過程

空氣室充氣近似為定積氣容絕熱充氣過程，充氣過程中，氣體流經(jīng)氣孔的時間很短，不計摩擦影響，認為氣體在進氣口中的流動為等熵流動，從壓力p1開始，到壓力p2為止的絕熱充氣時間為

(6)

式中：V為定積氣容的容積；S為進氣口的有效面積；Ts為充氣氣源的溫度；p/ps為進氣口下游與上游的絕對壓力比；函數(shù)φ1(p/ps)值可由定積氣容充氣時間計算用φ1曲線確定。

計算可得,當充氣壓力分別為0.3、0.8 MPa時，充氣時間分別為4.3、4.9 ms.

1.5.2 放氣過程

空氣室放氣近似為定積氣容絕熱放氣過程，從壓力p1開始，到壓力p2為止的放氣時間為

(7)

計算可得，當初始氣壓分別為0.3、0.8 MPa時，放氣時間分別為8.5、13.3 ms.

2 動力學模型建立

2.1 約束添加

將電連接器插接機構(gòu)初始斷開狀態(tài)的三維模型導入ADAMS中，根據(jù)動作原理，對模型進行簡化合并，結(jié)合圖1、3、4，添加各部件之間的約束，插接

機構(gòu)的主要部件拓撲結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示[8]，動力學模型如圖6所示[9]。

2.2 施加載荷

根據(jù)空氣室回復彈簧的作用位置、預壓力、剛度系數(shù)和阻尼等參數(shù)，在空氣室外殼與推桿之間添加彈簧力。

插接過程中，插頭與插座、導向錐銷與銷孔間的碰撞力采用ADAMS中Impact接觸碰撞仿真。插頭與插座殼體、錐銷和銷孔均為不銹鋼材料，接觸類型為Solid to Solid，根據(jù)材料屬性，參照各種材料間碰撞參數(shù)表，查閱相關(guān)資料[10-11]，具體接觸參數(shù)設置如下：

剛度系數(shù)：K=75 000 N/mm;

接觸阻尼系數(shù)：c=50 N·s/mm;

靜摩擦系數(shù)：μs=0.15;

靜摩擦速度閾值：vs=0.1 mm/s;

動摩擦系數(shù)：μd=0.1;

動摩擦速度閾值：vd=10 mm/s;

最大侵入深度：d=0.1 mm.

對于插接過程：在空氣室活塞上添加氣動作用力，作用力函數(shù)為STEP (time,0,0,t1,F)，表示該作用力在時間t1內(nèi)，由0 N增大至F并保持。對于斷開過程：空氣室活塞上的作用力函數(shù)為STEP (time,0,F,t2,0)，表示氣動作用力在時間t2內(nèi)，由F減小至0 N.

3 仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 仿真分析

根據(jù)插接機構(gòu)在氣壓0.3～0.8 MPa范圍內(nèi)均能插接到位的設計要求，在ADAMS中分別仿真氣壓為0.3、0.8 MPa兩種狀態(tài)下的插接過程[12]。根據(jù)仿真結(jié)果，插頭與插座軸向相對距離變化曲線如圖7所示。由圖7可知，在0.3、0.8 MPa空氣壓力作用下，插頭與插座間相對距離由初始狀態(tài)的20 mm迅速減小至0 mm，插接到位時間分別為10、7 ms.氣壓增大時，插接機構(gòu)能更快插接到位。

空氣室排氣，插接機構(gòu)斷開，插頭與插座軸向相對距離變化曲線如圖8所示。

由于氣壓為0.8 MPa的排氣時間比0.3 MPa長，因此開始動作時間滯后；排氣后插頭在空氣室回復彈簧及自身重力作用下斷開，因此兩種氣壓狀態(tài)下，斷開過程中相對距離曲線的變化趨勢一致。排氣后，插頭在第一次落至初始位置后產(chǎn)生輕微回彈，之后穩(wěn)定下來，斷開到位。初始氣壓為0.3、0.8 MPa的斷開到位時間分別為45.5、51.4 ms.

根據(jù)插接機構(gòu)±2 mm的位置誤差適應要求，在仿真初始狀態(tài)，將插座中心位置相對于插頭在x方向偏移2 mm，y方向偏移1.5 mm，驗證其位置誤差適應功能。根據(jù)仿真結(jié)果，插接過程中插頭的導向錐銷與插座的銷孔之間的接觸力曲線如圖9所示，插頭與插座在x、y方向的位置偏差曲線如圖10所示。由圖9、10可得，在7.2 ms時，導向錐銷與銷孔開始接觸，接觸力由0 N迅速增大，峰值為2.680 kN；同一時刻在導向錐銷的作用下，x、y方向的位置偏差分別從2.0、1.5 mm開始逐漸減小。在10.5 ms時，接觸力減小至0 N，同一時刻x、y方向的位置偏差也均減小至0 mm.

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果，電連接器插頭與插座間的接觸力曲線如圖11所示。由圖可得，插頭與插座在插接瞬間存在沖擊力，峰值達6.92 kN；插接到位后，由于空氣室推桿持續(xù)作用，插頭與插座間接觸力穩(wěn)定為2.68 kN.插接過程中過大的沖擊力以及插接到位后持續(xù)較大的接觸力，可能造成插頭與插座的針腳變形、損壞，導致接觸不良等后果。

為解決上述問題，對空氣室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖12所示。在原空氣室內(nèi)部增加限位套，限位套與推桿固連，其端面與空氣室外殼間的距離略小于插接到位時推桿所需的理論行程Δd，使得插接過程中限位套首先與空氣室外殼接觸，限制推桿過行程，插接到位后推桿不再對外作用推力。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，插接過程中插頭與插座間的接觸力曲線如圖13所示。與優(yōu)化前的接觸力曲線圖11對比，最大沖擊力由6.92 kN減小為2.42 kN，插接到位后的接觸力由2.68 kN減小至0 N，不再有持續(xù)的接觸力。插接過程及插接到位后，插頭、插座的受力情況大大好轉(zhuǎn)，插接可靠性提高。

4 結(jié)束語

筆者根據(jù)箱式火箭炮的特點和電連接器插接機構(gòu)的設計要求，設計了一種氣動剪叉式插接機構(gòu)。動力學仿真結(jié)果表明，該插接機構(gòu)在要求的氣壓范圍內(nèi)能迅速插接到位，且能夠適應插頭插座間的位置偏差；斷氣后自動斷開。針對插接時沖擊力過大、到位后插頭插座間存在較大接觸力的問題，對空氣室進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后沖擊力大大減小，插接到位后接觸力減小至0 N.該插接機構(gòu)能夠滿足使用要求。