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        野外炮管擦拭系統(tǒng)機(jī)構(gòu)研制

        2014-12-31 11:08:54楊立峰王川川姜名義劉薇娜馬俊英
        機(jī)械工程與自動(dòng)化 2014年5期
        關(guān)鍵詞:炮管絲杠螺母

        楊立峰,王川川,姜名義,劉薇娜,馬俊英

        (1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130400;2.中國(guó)人民解放軍63853部隊(duì),吉林 白城 137000)

        0 引言

        當(dāng)野外火炮射擊完成后,對(duì)火炮保養(yǎng)維護(hù)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)就是擦炮。擦炮的主要目的就是清除炮管的火藥殘?jiān)突覡a,也是對(duì)炮管內(nèi)膛進(jìn)行潤(rùn)滑涂油保護(hù)。在野外擦拭環(huán)境惡劣,人工擦拭困難,要將火炮運(yùn)回基地才能完成擦炮,這樣既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。所以就需要設(shè)計(jì)一臺(tái)野外自動(dòng)擦拭機(jī)構(gòu),在節(jié)省大量人力物力的同時(shí),擦拭質(zhì)量也能得到保障。

        1 擦拭系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

        本文設(shè)計(jì)的野外炮管擦拭機(jī)主要由運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、電氣控制結(jié)構(gòu)和炮刷組成[1]。擦拭機(jī)的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

        圖1 擦拭機(jī)的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

        1.1 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

        運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)用于將擦拭機(jī)運(yùn)到野外作業(yè)區(qū)域。運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)裝置主要由機(jī)架及輪子組成,機(jī)架采用伸縮式機(jī)構(gòu),極大地縮減了機(jī)器的外形尺寸,同時(shí)也給運(yùn)輸帶來(lái)了方便。

        1.2 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

        傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要是由平帶和絲杠螺母副組成,通過(guò)帶傳動(dòng)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng),再通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺母水平運(yùn)動(dòng)。為使炮刷實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),采用了凸輪傳動(dòng)。機(jī)架材料選用45號(hào)鋼[2],裝置輕巧便攜。

        1.3 電氣控制結(jié)構(gòu)

        本文設(shè)計(jì)的炮管擦拭機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、傳感器、光電隔離器等組成。通過(guò)控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成完整的炮管擦拭機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。在野外作戰(zhàn)時(shí),需要及時(shí)對(duì)炮管進(jìn)行高速快效的擦洗,炮管擦拭機(jī)器人的主要目標(biāo)是擦洗速度和擦拭效果,所以炮管擦拭機(jī)器人需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)潔高效的主控系統(tǒng),通過(guò)數(shù)顯功能,只需按動(dòng)幾個(gè)按鈕就可以輕松完成擦拭任務(wù)。電氣控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系如圖2所示。

        圖2 電氣控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系

        1.4 炮刷

        炮刷主要用于對(duì)炮管的擦拭。炮刷安置在清洗桿上,為達(dá)到不同炮管長(zhǎng)度的擦拭要求,清洗桿采用傘式伸縮式結(jié)構(gòu),可以在伸縮一段長(zhǎng)度后自己鎖定。炮刷設(shè)計(jì)成組合式,通過(guò)螺紋連接,這樣既能達(dá)到擦拭不同長(zhǎng)度炮管的要求,同時(shí)也給換頭、拆卸帶來(lái)方便。炮刷內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

        2 擦拭系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)

        2.1 工作原理

        擦拭系統(tǒng)在野外工作時(shí),首先要用機(jī)動(dòng)車(chē)將擦拭機(jī)拉到野外,選擇合適的地點(diǎn)將擦拭機(jī)放置在地面上,并將發(fā)電機(jī)及電纜線接好。待準(zhǔn)備工作完成后,啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān),在直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)裝置帶動(dòng)機(jī)架伸縮,待機(jī)架伸到一定長(zhǎng)度后,用定位銷(xiāo)將機(jī)架固定,再通過(guò)機(jī)架底部的4個(gè)地腳調(diào)整擦拭機(jī)的高度。調(diào)整工作做好以后,啟動(dòng)傳動(dòng)裝置電源開(kāi)關(guān),傳動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作,通過(guò)減速器實(shí)現(xiàn)降速[3]。傳動(dòng)裝置采用絲杠螺母副結(jié)構(gòu),將絲杠的螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的水平移動(dòng),螺母副上安有凸輪結(jié)構(gòu),以此實(shí)現(xiàn)炮桿的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。清洗桿上安裝有位置傳感器,用來(lái)反映炮刷頭在炮管中的位置。電氣控制系統(tǒng)通過(guò)位置傳感器反饋回來(lái)的位置信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的控制,以達(dá)到刷頭一直在炮管內(nèi)的正確位置來(lái)回運(yùn)動(dòng),確保擦拭清潔干凈。

        圖3 炮刷內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

        2.2 工作特點(diǎn)

        本文設(shè)計(jì)的擦拭系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):

        (1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝迅捷、攜帶方便。擦拭機(jī)可以滿足不同炮管長(zhǎng)度的需求,同時(shí)特殊結(jié)構(gòu)的刷頭能使擦拭效果更加理想。

        (2)自動(dòng)化程度高。采用了電氣控制系統(tǒng),通過(guò)數(shù)字顯示屏能輕松地知道擦拭進(jìn)程,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)交互擦拭。操作容易、方便,而且擦拭效果好。

        3 擦拭系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        3.1 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

        擦拭機(jī)的機(jī)架伸縮機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條傳動(dòng),齒輪齒條傳動(dòng)平穩(wěn),傳動(dòng)效果好,齒輪材料選擇青銅。絲杠螺母副的傳動(dòng)采用帶式傳動(dòng),通過(guò)帶輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),再通過(guò)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺母副做水平移動(dòng),最后通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擦拭桿的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)[4]。

        3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        電氣控制系統(tǒng)采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。通過(guò)手動(dòng)方式可以隨時(shí)自由地調(diào)節(jié)炮刷在炮管內(nèi)的位置,也給維護(hù)帶來(lái)方便。自動(dòng)方式通過(guò)各種傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn),使炮刷在炮管內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),以滿足預(yù)期的擦拭效果[5]。

        4 主要部件的有限元分析

        底架支座是整個(gè)機(jī)構(gòu)的支撐系統(tǒng),所受壓力是最大的,其穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)構(gòu)的性能,故要對(duì)底架支座進(jìn)行有限元分析[6]。底架支座受力最大的是中間部分,由于兩邊都有支撐結(jié)構(gòu),因此產(chǎn)生的變形不大,在支座下面有兩個(gè)連接軸的軸孔,其所承受壓力而產(chǎn)生的變形是需要考慮的。為了增大支座的剛度,減少變形量,在支座上設(shè)置了加強(qiáng)肋板,在很大程度上增強(qiáng)了其剛度,達(dá)到小變形的目的。有限元分析結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知,底架最大變形為支架中間部分,變形量很小,符合設(shè)計(jì)要求,故不需做優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        圖4 支座Y方向的應(yīng)力云圖

        圖5 支座Y方向的應(yīng)變?cè)茍D

        本文設(shè)計(jì)的野外炮管擦拭機(jī)構(gòu),大大減少了人力的投入,而且攜帶方便,安裝簡(jiǎn)單快捷,擦拭自動(dòng)化程度高,擦拭效果好,適用范圍廣,為現(xiàn)代化作戰(zhàn)提供了方便。

        [1] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,1994.

        [2] 申永勝.機(jī)械原理教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

        [3] 龐金錄,肖黎明,李宏偉,等.多功能便攜式火炮身管內(nèi)膛擦拭機(jī)的設(shè)計(jì)[J].新技術(shù)新工藝,2011(9):138-139.

        [4] 王昆,何小柏,汪信遠(yuǎn),等.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,1996.

        [5] 黃凈.電氣控制與可編程序控制器[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

        [6] 李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

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