王清華

（宜昌測試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

氣動剪鉗［1］是一種應(yīng)急救援的特種工具，應(yīng)用場景是在無電無氣、狹小空間內(nèi)快速切割鋼筋等物，實(shí)施快速的應(yīng)急救援活動。氣動剪鉗的原理是人力作用積蓄能量，通過擊發(fā)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能激發(fā)子彈底火，利用無彈頭子彈火藥在近似密封空間快速燃燒產(chǎn)生的大量氣體形成高壓動力，推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)對鋼筋等進(jìn)行切斷動作。

本文探討的是設(shè)計(jì)一種適用于氣動剪鉗的擊發(fā)機(jī)構(gòu)，使作業(yè)人員在舒適握力下操作，產(chǎn)生能可靠激發(fā)子彈底火的機(jī)械能，并能快速方便地優(yōu)化構(gòu)件尺寸和進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)小巧，滿足狹小空間操作要求。

1 擊發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 擊發(fā)機(jī)構(gòu)初步設(shè)計(jì)及工作原理

擊發(fā)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。擊發(fā)機(jī)構(gòu)工作原理如下：操作者手掌握住握把8，手指壓扳機(jī)2，使其繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)推動阻鐵4、擊針定位塊7和擊針6壓縮擊針簧9，同時阻鐵4繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)擊針簧9壓縮到位時，阻鐵4與擊針定位塊7嚙合點(diǎn)脫開，擊針6在擊針簧9作用下撞擊子彈3的底火，實(shí)現(xiàn)擊發(fā)。

1.2 設(shè)計(jì)輸入量及求解量分析

已知設(shè)計(jì)輸入量如下：①子彈底火激發(fā)能量E：由選用型號的子彈特性決定，擊發(fā)機(jī)構(gòu)動作壓縮擊針簧儲存能量E0＝s·E（其中s為擊發(fā)機(jī)構(gòu)安全系數(shù)，且s＞1）；②氣動剪鉗允許的最大長度V、最大高度H：由設(shè)計(jì)限要求給定，這兩個參數(shù)限定了擊發(fā)機(jī)構(gòu)的尺寸和擊針簧壓縮量δx。

求解的目的是分析選取擊發(fā)機(jī)構(gòu)的主要尺寸（扳機(jī)特征尺寸M，阻鐵的特征尺寸N、P和L，扳機(jī)角度β，阻鐵角度α，O點(diǎn)與握把偏心距離e），使擊發(fā)機(jī)構(gòu)動作后獲得足夠的擊針簧壓縮量δx儲藏子彈底火激發(fā)能量，并分析確定特征尺寸及扳機(jī)簧參數(shù)，使操作者獲得舒適的握力操作扳機(jī)。

圖1 擊發(fā)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 建立嚙合點(diǎn)運(yùn)動學(xué)方程

作擊發(fā)機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2所示。B點(diǎn)為阻鐵和擊針定位塊嚙合點(diǎn)，按壓扳機(jī)過程中A點(diǎn)相對于O點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、B點(diǎn)相對于A點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。以扳機(jī)旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)為原點(diǎn)，建坐標(biāo)系O-xyz，以阻鐵旋轉(zhuǎn)中心A點(diǎn)為原點(diǎn)建立參考坐標(biāo)系A(chǔ)-x′y′z′，各坐標(biāo)軸如圖2所示，z及z′軸根據(jù)右手定則確定。參考坐標(biāo)系A(chǔ)-x′y′z′相對于坐標(biāo)系O-xyz的旋轉(zhuǎn)變換矩陣［2］為：

根據(jù)擊發(fā)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特性，L值相對小，因此嚙合點(diǎn)B由阻鐵繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)引起的位置變化量相對很小，在分析計(jì)算中忽略，使用齊次坐標(biāo)表示的轉(zhuǎn)換矩陣如下：

A-x′y′z′坐標(biāo)系中B 點(diǎn)坐標(biāo)為：

圖2 擊發(fā)機(jī)構(gòu)簡圖

1.4 參數(shù)化方程分析

將e作為基準(zhǔn)長度，令M＝me、N＝ne、X＝xe（m、n、x為正實(shí)數(shù)）代入公式（1），整理后各特征尺寸參數(shù)化為僅與m、n、e及β相關(guān)的參數(shù)方程：

對式（2）作變換處理：

1.5 特征尺寸求解及優(yōu)化

初始狀態(tài)β＝β0，擊發(fā)機(jī)構(gòu)處于無外力作用的自平衡狀態(tài)，α＝α0，x＝x0；按壓扳機(jī)至終止?fàn)顟B(tài)β＝β1，嚙合點(diǎn)B點(diǎn)脫開，此時α＝α1、x＝x1；當(dāng)扳機(jī)旋轉(zhuǎn)角度δβ時，計(jì)算阻鐵旋轉(zhuǎn)角度δα、嚙合點(diǎn)B點(diǎn)行程（即擊針簧壓縮量）δx如下：

根據(jù)式（3）～式（6）特性、擊發(fā)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動作原理，確定各特征參數(shù)選擇原則：

（2）為了使擊發(fā)機(jī)構(gòu)足夠小巧，應(yīng)在扳機(jī)旋轉(zhuǎn)角度δβ時獲得最大的擊針簧壓縮量δx，根據(jù)公式（5）可知此時應(yīng)該使阻鐵旋轉(zhuǎn)角度δα足夠小。結(jié)合式（6），當(dāng)選擇的mn時，可以在相同的扳機(jī)旋轉(zhuǎn)角度δβ下獲得較小的阻鐵旋轉(zhuǎn)角度δα；根據(jù)確定的β0、β1、m、n及式（5）、式（6）分別計(jì)算出δα、δX（δX＝e·δx）。

（3）選擇合適的e值，根據(jù)M＝me、N＝ne、X＝xe計(jì)算各特征尺寸，結(jié)合氣動剪鉗其他結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足L、H范圍要求。

（4）選取合適擊發(fā)機(jī)構(gòu)安全系數(shù)s，根據(jù)能量公式E0＝s·E＝s·k（δX）2（其為k為擊針簧彈性系數(shù)）計(jì)算出擊針簧k值。

（5）當(dāng)扳機(jī)由β0旋轉(zhuǎn)至β1時，嚙合點(diǎn)應(yīng)脫開，選擇合適的L、P應(yīng)滿足關(guān)系L＝Pcosδα。

（6）可調(diào)節(jié)參數(shù)m、n、β及基準(zhǔn)量e，優(yōu)化各特征尺寸，以適應(yīng)不同型號子彈底火激發(fā)；也可以根據(jù)參數(shù)方程特性選取合適參數(shù)，設(shè)計(jì)出特定功能的擊發(fā)機(jī)構(gòu)，或通過更改基準(zhǔn)量e值來方便地進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)。

2 實(shí)例

為使氣動剪鉗適應(yīng)更多使用場合，其總體尺寸要小。本例設(shè)計(jì)如圖1所示，主要特征尺寸選擇如下：

（2）取m＝2、n＝7，通過式（5）、（6）計(jì)算得δα＝4.5°、δx＝26.8mm。

（3）取e＝6mm，則 M＝12mm、N＝42mm、δX＝10mm。

（4）取s＝1.3，根據(jù)選用的子彈底火激發(fā)能量E＝0.000 25J，計(jì)算得擊針簧彈性系數(shù)k＝6.5。

（5）取P＝25mm，計(jì)算得L＝2.3mm。

3 結(jié)論

本文通過對嚙合點(diǎn)運(yùn)動方程應(yīng)用矩陣變換和引入基準(zhǔn)量，建立了擊發(fā)機(jī)構(gòu)特征尺寸的參數(shù)方程，通過調(diào)節(jié)參數(shù)值可以直觀快速實(shí)現(xiàn)擊發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及系列化設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)－實(shí)驗(yàn)－優(yōu)化的設(shè)計(jì)周期。