野外炮管擦拭系統(tǒng)機(jī)構(gòu)研制

楊立峰，王川川，姜名義，劉薇娜，馬俊英

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

0 引言

當(dāng)野外火炮射擊完成后，對火炮保養(yǎng)維護(hù)的一個非常重要的環(huán)節(jié)就是擦炮。擦炮的主要目的就是清除炮管的火藥殘渣和灰燼，也是對炮管內(nèi)膛進(jìn)行潤滑涂油保護(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)時又費(fèi)力。所以就需要設(shè)計一臺野外自動擦拭機(jī)構(gòu)，在節(jié)省大量人力物力的同時，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)計的野外炮管擦拭機(jī)主要由運(yùn)動結(jié)構(gòu)、傳動結(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)簡圖如圖1所示。

圖1 擦拭機(jī)的三維結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 運(yùn)動結(jié)構(gòu)

運(yùn)動結(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，同時也給運(yùn)輸帶來了方便。

1.2 傳動結(jié)構(gòu)

傳動結(jié)構(gòu)主要是由平帶和絲杠螺母副組成，通過帶傳動將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為絲杠的轉(zhuǎn)動，再通過絲杠轉(zhuǎn)動帶動螺母水平運(yùn)動。為使炮刷實現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，采用了凸輪傳動。機(jī)架材料選用45號鋼［2］，裝置輕巧便攜。

1.3 電氣控制結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的炮管擦拭機(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，需要及時對炮管進(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)計一個簡潔高效的主控系統(tǒng)，通過數(shù)顯功能，只需按動幾個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

炮刷主要用于對炮管的擦拭。炮刷安置在清洗桿上，為達(dá)到不同炮管長度的擦拭要求，清洗桿采用傘式伸縮式結(jié)構(gòu)，可以在伸縮一段長度后自己鎖定。炮刷設(shè)計成組合式，通過螺紋連接，這樣既能達(dá)到擦拭不同長度炮管的要求，同時也給換頭、拆卸帶來方便。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，首先要用機(jī)動車將擦拭機(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，啟動電源開關(guān)，在直流電動機(jī)的驅(qū)動下，通過齒輪齒條傳動裝置帶動機(jī)架伸縮，待機(jī)架伸到一定長度后，用定位銷將機(jī)架固定，再通過機(jī)架底部的4個地腳調(diào)整擦拭機(jī)的高度。調(diào)整工作做好以后，啟動傳動裝置電源開關(guān)，傳動電機(jī)開始工作，通過減速器實現(xiàn)降速［3］。傳動裝置采用絲杠螺母副結(jié)構(gòu)，將絲杠的螺旋轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為螺母的水平移動，螺母副上安有凸輪結(jié)構(gòu)，以此實現(xiàn)炮桿的往復(fù)直線運(yùn)動。清洗桿上安裝有位置傳感器，用來反映炮刷頭在炮管中的位置。電氣控制系統(tǒng)通過位置傳感器反饋回來的位置信號對電動機(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)的正確位置來回運(yùn)動，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)計的擦拭系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

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

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

3 擦拭系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

3.1 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計

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

3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)采用自動和手動兩種方式。通過手動方式可以隨時自由地調(diào)節(jié)炮刷在炮管內(nèi)的位置，也給維護(hù)帶來方便。自動方式通過各種傳感器反饋回來的信號控制電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，使炮刷在炮管內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動，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)系到整個機(jī)構(gòu)的性能，故要對底架支座進(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)計要求，故不需做優(yōu)化設(shè)計。

5 結(jié)語

圖4 支座Y方向的應(yīng)力云圖

圖5 支座Y方向的應(yīng)變云圖

本文設(shè)計的野外炮管擦拭機(jī)構(gòu)，大大減少了人力的投入，而且攜帶方便，安裝簡單快捷，擦拭自動化程度高，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［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［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)計基礎(chǔ)課程設(shè)計［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有限元分析實用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.