发射箱锁紧和电源插拔装置设计.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()发射箱锁紧和电源插拔装置设计李鹏,罗加胜,信义兵,伍洋,刘波(湖南国防工业职业技术学院,湖南湘潭 ;武汉高德红外股份有限公司,湖北武汉 )摘要:为减少人力操作,提高乘员安全性,实现对火箭炮发射箱的自动化锁紧和电源插拔,提出了一种基于杠杆原理和丝杠机构的一体式火箭炮发射箱自动化锁紧和电源插拔装置方案.首先,使用三维建模软件对方案进行了建模,将模型导入多刚体动力学仿真软件验证了机构原理的可行性;随后,利用有限元分析软件对锁紧爪进行了仿真和寿命预测,确定了锁紧爪强度和寿命满足要求;最后,开展了装置的试制工作.结果表明:该方案原理上可行,各机构运动顺畅无阻滞,质量轻,体积小,初步满足技术指标要求.关键词:发射箱;电源插拔装置;锁紧爪;有限元分析;寿命预测中图分类号:T P T J 文献标识码:A湖南国防工业职业技术学院 年度校级科研课题(Y J Z D K T )收稿日期:;修订日期:作者简介:李鹏(),女,湖南长沙人,讲师,本科,主要从事装备制造、机械设计与制造教学工作.引言传统的火箭炮发射箱安装操作为:采用起重机将发射箱吊起放置在联装架上,手动将联装架锁紧扣扣上,并插上防松插销,随后手动将外部电源和信号插头插入联装架的插座内 .整个过程用时m i n.为适应现代战争自动化、智能化的要求,提出了一种采用火箭炮无人/遥控发射和装填的操作体系,以减少士兵作战风险和作战准备时间 .具体操作为:士兵遥控发射车进入预备阵地,发射车将火箭弹发射完毕后,随即机动到补给阵地,采用遥控装填的方式将装有火箭弹的发射箱吊起放置在发射车的联装架上,安装到位后,发射车联装架上的锁紧和电气插拔系统能够在s内自动完成锁紧和插头插合动作.本课题的目标是研发一款发射箱自动锁紧和电气插拔装置(以下简称锁紧插拔装置),实现在一个独立输入的情况下完成锁紧和电器插拔动作,减少手动操作,使装填动作可以远程操作,同时大大减轻驱动机构质量,降低系统能耗.锁紧插拔装置结构组成通过对方案目标的分析,确定了使用螺母丝杠机构实现电气插拔、使用杠杆机构实现锁紧的方案.方案确定后,使用三维建模软件对该方案进行建模.如图所示,锁紧插拔装置固定安装在摇架底部,工作时,用吊具将联装架吊装到摇架上,限制住联装架x向和y向的自由度,随后,锁紧插拔装置的锁紧爪下压,将联装架压紧在摇架上,限制住联装架z向的自由度,完成联装架的装填.锁紧插拔装置仿真模型如图所示,其主要由锁紧爪、插头、插座、锁紧座、蜗杆、蜗轮和锁紧爪驱动盘等零部件组成.插头通过螺钉固定在联装架底部;锁紧座通过螺钉固定在摇架上,作为锁紧插拔装置其余零部件的安装基座.插座通过螺钉固定在锁紧爪驱动盘上.锁紧爪中部铰接在锁紧座上,尾端通过插销套接在锁紧爪驱动盘的腰形孔内.联装架;摇架;锁紧插拔装置图锁紧插拔装置布置图锁紧插拔装置的工作原理为:蜗杆驱动蜗轮转动;蜗轮中心的螺母带动锁紧爪驱动盘根部的螺杆结构实现锁紧爪驱动盘的升降;锁紧爪驱动盘上升的过程中,一方面推动插座与插头对接,另一方面驱动锁紧爪下压,将联装架锁紧在摇架上.刚体动力学仿真分析动力学仿真的目的是验证各构件能否完成预定动作和功能,本文对总体方案关键零部件的运动特性和受力状况进行具体分析,为工程化设计提供参考依据 .刚体动力学模型建立首先,将建立的三维模型导入多刚体动力学仿真软件中,在锁紧座与大地之间施加固定约束.然后,将蜗轮和蜗杆分别与大地施加相对自身旋转轴的旋转副,并且对蜗轮与蜗杆添加接触副.锁紧爪驱动盘与大地施加相对自身中轴的移动副.个锁紧爪中部与安装座、锁紧爪尾端与锁紧爪驱动盘、锁紧爪驱动盘与蜗轮施加接触副.驱动施加在蜗杆上,转速设定为 r/m i n,各接触副的静摩擦因数设置为,动摩擦因数设置为 .锁紧爪;插头;插座;锁紧座;蜗杆;蜗轮;锁紧爪驱动盘图锁紧插拔装置仿真模型 仿真结果分析将仿真时间设定为 s,步长设置为 .仿真得到的锁紧爪与联装架接触力如图所示,从仿真的结果来看,锁紧力为 N左右,能满足运载车在行进和发射过程中保证对联装架的限位.图锁紧爪与联装架接触力蜗轮与蜗杆、蜗轮和锁紧爪驱动盘的接触均为面接触,工作时存在较大的摩擦力,机构运动时有出现卡滞的可能性.蜗轮与蜗杆、蜗轮与锁紧爪安装盘的接触力分别如图和图所示.由图和图可知:蜗轮和蜗杆的平均接触力为 N左右,最大接触力为 N,接触力较小,蜗轮与蜗杆的相对运动无卡滞;蜗轮和锁紧爪驱动盘的最大接触力为 N,总体上接触力也比较小,满足设计要求.图蜗轮与蜗杆接触力锁紧爪有限元分析锁紧爪是锁紧插拔装置的关键零件,在工作过程中承受着频繁的撞击和磨损,当结构的应力超过材料的屈服强度时,易引起裂纹的产生和扩展,产生一定的安全隐患,危及武器和人员的安全.由于锁紧爪与联装架的接触为线接触,受力面积较小,为确保结构的有效性和可靠性,需要对结构进行强度校核计算.图蜗轮与锁紧爪安装盘接触力选取锁紧爪作为研究对象,建立有限元仿真模型.选取切削性能较好的 C r N i M o VA材料作为锁紧爪的材料.锁紧爪中部施加沿孔的旋转约束,与联装架接触部施加固定副,在另一端施加沿z向的集中力.锁紧爪应力云图如图所示,从仿真结果来看,锁紧爪最大应力为 MP a,局部超过 MP a的区域是由于锐角引起的,在工程实践中通过倒角和倒圆角能消除该问题,总体上,锁紧爪满足强度要求.图锁紧爪应力云图锁紧爪寿命预测锁紧爪属于锁紧插拔装置的关键零部件,在反复的使用过程中承受着较大的载荷和剧烈的冲击震动,会出现疲劳断裂破坏,为确保工作过程中的安全性,需要在强度校核的基础上对闭锁机构的使用寿命进行评估.本文采用SN方法,在锁紧爪相应位置施加循环载荷.安全系数选取为,分析结果如图所示,失效区域最先出现在锁紧爪与联装架贴合面,锁紧爪最低寿命为 万次,满足设计和使用要求.图锁紧爪寿命分析流程框图样机试制情况如图所示,在多刚体动力学仿真分析和有限元拓扑优化的基础上,使用 D增材制造方法,开展了核机 械 工 程 与 自 动 化 年第期心零部件的试制和动作验证工作,结果表明各机构运动灵活,锁紧爪锁紧时无空回间隙.图核心零部件试制结束语本文在前人研究的基础上,提出了一种一体式火箭炮发射箱自动化锁紧和电源插拔方案,并对方案进行了细化;开展了多刚体动力学仿真分析,对关键零件锁紧爪进行了有限元仿真和寿命预测.经样机试制和试验表明,本文提出的方案在原理上满足要求,该结构具有体积小、质量轻、运动灵活等特点,为发射箱锁紧和电源插接装置的进一步分析研究奠定了基础.参考文献:邵明坤,汤振,江浪,等电连接器接触件断裂失效分析J机电工程技术,():骆燕燕,潘晓松,马旋,等红外热成像技术在电连接器插拔磨损检测中的应用研究J工程设计学报,():郭卿炜,王勇,韩家桢,等水下插拔电连接器的结构热应力及动力学分析J/O L山东大 学学 报(工 学版):h t t p:/k n s c n k i n e t/k c m s/d e t a i l/T h t m l 刘长萍,姚旭成,方武震,等一种航空电连接器接触偶机械性能检测装置设计J电线电缆,():臧竹青一种圆形密封电连接器的设计J机电元件,():,段雨男,段富海,曹慧考虑退化特性相关性的航空电连接器可靠性分析方法J大连理工大学学报,():王孝利,范小平,张勇强,等温湿高交变环境荷电连接器失效分析和可靠性改进J机电元件,():张彤,郁大照航空电连接器热电耦合试验设计及仿真分析J装备环境工程,():汪日超,张伟,徐佳济,等电连接器接触件结构分析与结构参数优化设计J机械制造与自动化,():张玉鑫无人值守共架发射火箭炮自动装填技术研究D太原:中北大学,:杨翠东,鄢章渝,韩磊,等火箭武器发射箱结构优化方法及应用J中北大学学报(自然科学版),():鄢章渝火箭武器发射箱结构优化研究D南京:南京理工大学,:吴媛贮运发射箱结构设计及有限元分析D成都:电子科技大学,:高洪波自动化弹库系统设计与仿真研究D哈尔滨:哈尔滨工程大学,:朱玉川某箱式多管火箭炮快速装填与高精度自动操瞄系统研究D南京:南京理工大学,:D e s i g no fL o c k i n ga n dP o w e rP l u ga n dU n p l u gD e v i c e f o rL a u n c hB o xL IP e n g,L U OJ i a s h e n g,X I NY i b i n g,WUY a n g,L I UB o(H u n a nD e f e n s e I n d u s t r yP o l y t e c h n i c,X i a n g t a n ,C h i n a;W u h a nG u i d e I n f r a r eC o,L t d,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt or e d u c em a n u a lo p e r a t i o n,i m p r o v ec r e ws a f e t ya n dr e a l i z ea u t o m a t i cl o c k i n ga n dp o w e rp l u ga n du n p l u go fr o c k e t l a u n c h e r,a ni n t e g r a t e da u t o m a t i cl o c k i n ga n dp o w e rp l u ga n du n p l u go fr o c k e tl a u n c h e rb a s e do nl e v e rp r i n c i p l ea n dl e a ds c r e wm e c h a n i s mi sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r F i r s t l y,t h es c h e m e i sm o d e l e db yu s i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r e,a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h em e c h a n i s mp r i n c i p l e i sv e r i f i e db y i n t r o d u c i n gt h em o d e l i n t om u l t i r i g i d b o d yd y n a m i c s s i m u l a t i o ns o f t w a r e T h e n,t h e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n dl i f es i m u l a t i o no f t h el o c k i n gc l a wa r ec a r r i e do u t,a n dt h es t r e n g t ha n dl i f eo ft h el o c k i n gc l a wa r ed e t e r m i n e dt om e e t t h er e q u i r e m e n t s F i n a l l y,t h e t r i a lp r o d u c t i o no f t h ed e v i c e i sc a r r i e do u t T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e ds c h e m e i sf e a s i b l ei np r i n c i p l e,t h e m o v e m e n to fe a c h m e c h a n i s mi ss m o o t h,l i g h tw e i g h t,s m a l ls i z e,a n di n i t i a l l y m e e t st h er e q u i r e m e n t so f t e c h n i c a l i n d i c a t o r s K e y w o r d s:l a u n c hb o x;p o w e rp l u ga n du n p l u gd e v i c e;l o c k i n gc l a w;f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s;l i f ep r e d i c t i o n(上接第 页)D e s i g no fV a l v eF r a m eD e v i c eH i n g e dt oC r o s s b e a mo fS l i d i n gA d v a n c eS u p p o r tH EJ u n(J i n m e iQ i n x i uC o a l I n d u s t r yC o,L t d,J i n n e n gH o l d 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