一種行程開關(guān)觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

莊明， 何鑫， 吳翔

（北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100854）

一種行程開關(guān)觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

莊明， 何鑫， 吳翔

（北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100854）

為實(shí)現(xiàn)某導(dǎo)彈型號(hào)測(cè)試中觸發(fā)行程延時(shí)開關(guān)的一致性和可靠性，設(shè)計(jì)了一種行程開關(guān)觸發(fā)裝置，分析了行程開關(guān)觸發(fā)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在ADAMS中建立了虛擬樣機(jī)模型，并在ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。仿真分析了電磁鐵吸合力、驅(qū)動(dòng)力矩以及行程位移等參數(shù)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了行程開關(guān)觸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用的正確性、可靠性，為電磁鐵型號(hào)選擇、行程位移選擇提供參考依據(jù)。

行程開關(guān)觸發(fā)裝置；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；電磁螺線管；ADAMS

0 引言

彈上行程延時(shí)開關(guān)的作用是在導(dǎo)彈和發(fā)射架［1］分離時(shí)刻給出分離信號(hào)，并給出延時(shí)控制信號(hào)，保證導(dǎo)彈和發(fā)射架正確分離。行程延時(shí)開關(guān)信號(hào)動(dòng)作的正確性對(duì)于導(dǎo)彈和發(fā)射架正確分離、導(dǎo)彈順利執(zhí)行后續(xù)指令具有重要意義。行程延時(shí)開關(guān)的作用決定了其需要精確動(dòng)作控制來保證信號(hào)傳遞的實(shí)時(shí)性和正確性。以往測(cè)試過程中，長(zhǎng)期采用人工形式按壓和觸發(fā)行程延時(shí)開關(guān)，每次需要按壓5～10 min，可靠性差，并且操作者一旦操作稍有疏忽就會(huì)導(dǎo)致測(cè)試過程的失敗，而且有時(shí)測(cè)試環(huán)境具有放射性，人工形式具備不可操作性；還有一種形式是通過給電磁鐵長(zhǎng)期加電來吸合行程延時(shí)開關(guān)，此種方式電磁鐵長(zhǎng)期通電能耗大，并且有一定使用壽命［2］，導(dǎo)致需定期更換電磁鐵，使用成本高，可靠性差。

為了解決該問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型行程開關(guān)觸發(fā)裝置，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)［3］作行程延時(shí)開關(guān)，適時(shí)模擬分離信號(hào)，保證了信號(hào)傳遞的實(shí)時(shí)性和正確性；在Pro/E中建立3維模型，并在ADAMS中建立動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析了電磁鐵吸合力、驅(qū)動(dòng)力矩以及行程位移等參數(shù)，為后續(xù)該裝置改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，提高了設(shè)計(jì)效率［4－5］，縮短了產(chǎn)品調(diào)試周期，對(duì)工程實(shí)際有著重要作用。

1 行程開關(guān)觸發(fā)裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

圖1 行程開關(guān)觸發(fā)裝置3維模型

根據(jù)彈體結(jié)構(gòu)和行程開關(guān)安裝位置，設(shè)計(jì)的行程開關(guān)觸發(fā)裝置3維模型如圖1所示,該裝置外形尺寸為535mm× 315.5 mm×54 mm，為保證裝置的剛性，主要支撐件材料選用Q235鋼，重約5.12 kg。行程開關(guān)觸發(fā)裝置主要由夾緊支架、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和電磁螺線管組成。電磁螺線管由電磁線圈和鐵柱塞組成，電磁螺線管鐵柱塞插入電磁螺線管越深則拉力越大，為盡量讓電磁螺線管工作在拉力較大的行程，電磁螺線管尾端設(shè)計(jì)有滑動(dòng)銷；為了避免連桿行程不越過死點(diǎn)，連桿1和連桿2連接處設(shè)置有可調(diào)節(jié)螺釘1，根據(jù)電磁螺線管拉力曲線調(diào)節(jié)連桿作用行程；曲柄滑塊機(jī)構(gòu)包括連桿組、滑桿、支撐彈簧、直線軸承、緩沖墊組成；夾緊支架由鞍形支架和夾緊塊組成；動(dòng)作開關(guān)位置處設(shè)置成可調(diào)節(jié)形式，可以根據(jù)行程開關(guān)安裝位置和電磁鐵動(dòng)作誤差微調(diào)螺釘頭與行程開關(guān)之間距離，做到精確動(dòng)作。不同型號(hào)彈體行程開關(guān)安裝位置會(huì)有不同，在設(shè)計(jì)過程中考慮到結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性，可以通過改變夾緊支架與鞍形支架相對(duì)位置來適應(yīng)行程開關(guān)位置變化。

1.2 工作原理

壓縮過程：用手握緊手柄使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)越過死點(diǎn)，在支撐彈簧的作用下連桿頂在調(diào)節(jié)螺釘上，滑塊壓迫行程開關(guān)柱塞，使行程開關(guān)閉合。動(dòng)作狀態(tài)如圖2所示。

釋放過程：電磁螺線管通電后使螺線管產(chǎn)生磁場(chǎng)，電磁螺線管鐵柱塞吸合，螺線管尾部滑動(dòng)銷由前端滑動(dòng)到后端，電磁螺線管拉動(dòng)連桿（此時(shí)電磁螺線管工作在拉力較大行程），越過死點(diǎn)，滑桿上移，釋放行程開關(guān)，電磁螺線管斷電，在行程開關(guān)柱塞和支撐彈簧彈力作用下滑桿不會(huì)下滑。過程持續(xù)0.5 s，通電時(shí)間較以往形式大大縮短。動(dòng)作狀態(tài)如圖3所示。

圖2 行程開關(guān)觸發(fā)裝置壓縮狀態(tài)

圖3 行程開關(guān)觸發(fā)裝置釋放狀態(tài)

2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

行程延時(shí)開關(guān)全行程力要求大于80 N，設(shè)定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)至少需要產(chǎn)生100 N力，運(yùn)動(dòng)行程S為3～5 mm；晃動(dòng)不大于1 mm。

根據(jù)牛頓定律，連桿受力分析如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

所需電磁螺線管拉力，由圖4、圖5可得：

圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)受力示意圖

圖5 連桿1受力示意圖

圖6 連桿2受力示意圖

圖7 連桿銷頂受力示意圖

式中：FA為所需電磁螺線管拉力；FBY為滑桿產(chǎn)生的推力，包括開關(guān)產(chǎn)生推力100 N和保持彈簧所產(chǎn)生的推力20 N共計(jì)120 N；琢為連桿越過死點(diǎn)后與豎直方向夾角，取9°。

由圖4亦可得電磁螺線管需用行程：X=Lsin琢=9.39mm，

式中連桿長(zhǎng)度L為60 mm。

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果選取電磁螺線管型號(hào)，選取KSD32-55型電磁螺線管，拉力最大值可達(dá)44 N，行程12 mm，工作電壓24 V。電磁螺線管拉力44 N>38.01 N拉力滿足要求，電磁螺線管行程12 mm大于螺線管需用行程9.39 mm滿足要求。

滑桿導(dǎo)向選用直線運(yùn)動(dòng)球動(dòng)軸承LPB171026，直線運(yùn)動(dòng)球動(dòng)軸承具有摩擦力小，導(dǎo)向精度（普通等級(jí)E級(jí)徑向跳動(dòng)即可達(dá)到0.06 mm/300 mm的導(dǎo)向精度），其導(dǎo)向精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過技術(shù)要求的1 mm晃動(dòng)量的要求。

3 運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)果分析

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真

因項(xiàng)目涉及彈上產(chǎn)品，研制過程中需要嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)，模型裝配需要齊全、細(xì)致。但在仿真過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，加快計(jì)算速度，同時(shí)又不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，可以將緊固用螺釘及裝飾件去掉［6］。根據(jù)行程開關(guān)觸發(fā)裝置實(shí)際材料設(shè)定機(jī)構(gòu)材料屬性，根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系設(shè)定各關(guān)節(jié)約束。

圖8 驅(qū)動(dòng)力矩曲線

圖9 滑桿推力曲線

圖10 滑桿運(yùn)動(dòng)行程曲線

圖11 電磁螺線管行程曲線

圖12 電磁螺線管作用拉力曲線

由行程開關(guān)觸發(fā)裝置工作原理知，在壓縮過程中驅(qū)動(dòng)件為手柄，驅(qū)動(dòng)力矩為主動(dòng)力，釋放過程中驅(qū)動(dòng)件為電磁螺線管，壓縮過程設(shè)定為1.5 s，此過程中對(duì)手柄施加驅(qū)動(dòng)力矩使其處于壓縮狀態(tài)，行程開關(guān)閉合，進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)，此過程設(shè)定為2 s（為提高效率，將此過程時(shí)間縮短），待測(cè)試完畢后，電磁螺線管通電，釋放行程開關(guān)，此時(shí)根據(jù)要求在滑桿處施加120 N推力，即可反推出電磁螺線管此時(shí)所需施加拉力，釋放過程設(shè)定為0.5 s。

壓縮過程中驅(qū)動(dòng)力矩函數(shù)：T（time）=STEP（time，0，0，0.5，20）+STEP（time，1，0，1.5，-20），曲線如圖8所示。釋放過程中滑桿推力函數(shù)：F（time）=STEP（time，3.5，0，4，120），曲線如圖9所示。設(shè)置仿真時(shí)間4s，仿真步長(zhǎng)為400，運(yùn)行一次仿真，結(jié)束后可以在ADAMS/ PostProcessor中查看運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真過程前1.5 s，在驅(qū)動(dòng)力矩作用下行程開關(guān)觸發(fā)裝置進(jìn)入壓縮狀態(tài)，1.5～3.5 s，行程開關(guān)閉合，處于測(cè)試狀態(tài)；3.5～4 s，行程開關(guān)打開，仿真結(jié)束。

圖10為滑桿運(yùn)動(dòng)行程曲線，圖11為電磁螺線管行程曲線，圖12為電磁螺線管反作用拉力曲線?？梢钥闯觯麄€(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，滑桿運(yùn)動(dòng)行程為3.98 mm，滿足運(yùn)動(dòng)行程3～5 mm的要求，電磁螺線管行程為9.45 mm，所選電磁螺線管最大行程為12 mm，尾端滑動(dòng)銷長(zhǎng)度為10 mm，22 mm的長(zhǎng)度保證了電磁螺線管能夠工作在拉力較大的行程，行程開關(guān)打開時(shí)，電磁螺線管反作用拉力最大值為33.2 N，動(dòng)作開始和結(jié)束時(shí)刻發(fā)生的振蕩可以不予考慮，所選電磁螺線管拉力變化范圍為27～44 N，滿足要求。通過仿真，可以實(shí)時(shí)觀察機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中各項(xiàng)參數(shù)變化。

4 結(jié)論

1）兩處可調(diào)節(jié)螺釘設(shè)計(jì)增加了機(jī)構(gòu)使用的適用性，通過調(diào)節(jié)螺釘適應(yīng)行程開關(guān)行程的變化，使該裝置具備一定擴(kuò)展性；在不改變裝置結(jié)構(gòu)形式的情況下，通過調(diào)節(jié)螺釘，在一定范圍內(nèi)適應(yīng)行程開關(guān)型號(hào)變化。

2）通過仿真實(shí)驗(yàn)分析，確定電磁螺線管行程為9.45mm，所需拉力最大值為33.2 N，所得結(jié)果能夠直接用于電磁螺線管選型，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，相比理論計(jì)算更加準(zhǔn)確和富有動(dòng)態(tài)性，提高了工作效率。

［1］ 張華，楊擁民.采用有限元模型對(duì)武器發(fā)射架的仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2005（8）：9-112.

［2］ 聶聆聰，莫昱，姚曉先.一種螺管式電磁鐵的測(cè)試與仿真［J］.機(jī)床與液壓，2008（2）：103-108.

［3］ 唐元貴，張艾群.形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（6）：49-51.

［4］ 熊光楞，李伯虎，柴旭東.虛擬樣機(jī)技術(shù)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001（1）：114-116.

［5］ 賀兵，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的包裝機(jī)械系統(tǒng)仿真研究［J］.包裝工程，2008（2）：47-49.

［6］ 王立權(quán)，俞志偉.基于ADAMS的雙足機(jī)器人擬人行走動(dòng)態(tài)仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2009（3）：160-164. （編輯：明 濤）

Mechanical Design and Motion Simulation of a Limit Switch Triggering Device

ZHUANG Ming，HE Xin，WU Xiang
（Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement,Beijing 100854,China）

To guarantee the consistency and reliability of trigger the limit switch in a test of one certain missile type,a limit triggering switch device is designed.On the base of analysis of the mechanical structure,a virtual prototype model and the motion of the limit triggering switch device are simulated using ADAMS.The solenoid pull force,driving torque,stroke displacement and other parameters are analyzed.The simulation study indicates that the design of the limit switch triggering device structure is reasonable,the practical application are reliable.And results provide reference for the selection of solenoid model and stroke displacement.

limit switch triggering device;slider-crank mechanism;solenoid;ADAMS

U 674.703.54

A

1002－2333（2014）04－0053－03

莊明（1988—），男，助理工程師，碩士研究生，從事測(cè)發(fā)控設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究。

2014-01-27