新型無(wú)人機(jī)液壓彈射裝置的設(shè)計(jì)與研究

， ， (鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河南 鄭州　450001)

引言

無(wú)人機(jī)起飛方式眾多，有手拋、火箭助推、彈射起飛等方式[1]，而彈射起飛中的液壓彈射是目前國(guó)內(nèi)外的研究主流。目前，液壓彈射常用如下兩種方案：方案一，采用液壓缸帶動(dòng)滑輪增速系統(tǒng)進(jìn)行彈射，該方案由液壓能源系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、滑輪組增速機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、無(wú)人機(jī)及滑行小車(chē)等組成，由于液壓缸結(jié)構(gòu)特征、密封性能以及安裝方式的限制，液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度一般只有3 m/s左右，遠(yuǎn)低于無(wú)人機(jī)的起飛速度38 m/s，所以需要設(shè)置增速比不小于12.7的增速滑輪組，而增速比越大滑輪組結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，能耗越大、效率越低、性能越差、維護(hù)成本越高，所以該方案多適用于中小型無(wú)人機(jī)低速起飛的場(chǎng)合。方案二，液壓馬達(dá)彈射方案，該方案主要由液壓能源系統(tǒng)、液壓馬達(dá)、運(yùn)載裝置、緩沖制動(dòng)系統(tǒng)、彈射架裝置等多個(gè)分系統(tǒng)組成，直接由馬達(dá)帶動(dòng)繩輪使無(wú)人機(jī)加速至起飛速度，無(wú)需增速機(jī)構(gòu)，提高了系統(tǒng)效率，但由于液壓馬達(dá)排量和成本的限制，該方案多用于中小型無(wú)人機(jī)的彈射起飛[2]。

為滿足中、重型無(wú)人機(jī)彈射起飛的要求，提出了一種新型無(wú)人機(jī)液壓彈射系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用液壓缸帶動(dòng)齒輪齒條增速原理，增速比可達(dá)15倍，該方案結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、成本低，最高可彈射質(zhì)量為400 kg的無(wú)人機(jī)。

1　無(wú)人機(jī)彈射起飛工作原理

無(wú)人機(jī)液壓彈射起飛裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括彈射軌道2、液壓系統(tǒng)3、增速系統(tǒng)4、緩沖系統(tǒng)5、拖車(chē)6、滑行小車(chē)7等組成。

圖1　無(wú)人機(jī)液壓彈射系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

無(wú)人機(jī)置于滑行小車(chē)上，滑行小車(chē)通過(guò)鋼絲繩與繩輪連接，繩輪通過(guò)花鍵與增速系統(tǒng)中增速箱的齒輪輸出軸連接，在液壓缸的兩端設(shè)置有齒條(齒條與液壓缸同步運(yùn)動(dòng))。彈射前，滑行小車(chē)由卡緊裝置固定在軌道上，由液壓泵向蓄能器充入高壓油液[3]，當(dāng)油壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，溢流閥溢流，該過(guò)程為蓄能器儲(chǔ)能階段；彈射時(shí)，液控單向閥反向開(kāi)啟，高壓油液瞬間進(jìn)入增速系統(tǒng)液壓缸的無(wú)桿腔中，在高壓油液的推動(dòng)下缸體向前運(yùn)動(dòng)(活塞桿固定)，帶動(dòng)固定在缸體左右兩側(cè)的齒條運(yùn)動(dòng)，齒條又與增速箱輸入軸小齒輪嚙合，從而帶動(dòng)固定在兩個(gè)增速箱高速軸上的繩輪做高速轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)人機(jī)和滑行小車(chē)在鋼絲繩牽引力的作用下沿軌道迅速加速[4]，達(dá)到起飛速度后與設(shè)置在軌道末端的緩沖液壓缸上的緩沖塊撞擊，無(wú)人機(jī)脫離滑車(chē)后在自身動(dòng)力和慣性的作用下彈射起飛，該過(guò)程為無(wú)人機(jī)彈射起飛過(guò)程；彈射后，滑行小車(chē)最終通過(guò)繩輪制動(dòng)和撞擊緩沖液壓缸上的緩沖塊兒而停止。無(wú)人機(jī)順利彈射后，液壓系統(tǒng)同時(shí)完成復(fù)位狀態(tài)，即：增速系統(tǒng)液壓缸、繩輪制動(dòng)液壓缸活塞桿收回、緩沖液壓缸活塞桿伸出，高壓油泵向蓄能器充油，蓄能器處于滿載狀態(tài)。

2　增速系統(tǒng)

2.1　工作原理

增速系統(tǒng)的作用是使無(wú)人機(jī)隨滑行小車(chē)在有限長(zhǎng)度的軌道上加速至安全起飛速度。結(jié)合滑輪增速系統(tǒng)的不足，提出一種新的增速系統(tǒng)，如圖2所示。

該增速系統(tǒng)由增速箱1、繩輪2、液壓缸3、齒條4、油箱5組成。增速箱放在兩側(cè)的油箱上，繩輪通過(guò)花鍵連接到兩增速箱高速軸之間，兩個(gè)齒條固定在液壓缸兩側(cè)(齒條與液壓缸同步運(yùn)動(dòng))，與增速箱低速軸小齒輪相嚙合。高壓油液進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，推動(dòng)液壓缸及齒條向前運(yùn)動(dòng)，從而可以通過(guò)增速箱使繩輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，以使無(wú)人機(jī)迅速加速到起飛速度。

1.增速箱　2.繩輪　3.液壓缸　4.齒條　5.郵箱

2.2　增速系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方程

在對(duì)增速系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)無(wú)人機(jī)彈射技術(shù)指標(biāo)的要求[5]，通過(guò)對(duì)滑行小車(chē)加速過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)繩輪及增速箱齒輪進(jìn)行受力分析，確定增速箱齒輪模數(shù)、分度圓直徑及齒寬等參數(shù)；并根據(jù)所受扭矩確定軸的直徑；以及對(duì)液壓缸進(jìn)行推力及速度計(jì)算，確定液壓缸的活塞桿推力、運(yùn)動(dòng)速度、工作壓力、活塞有效面積和行程。增速箱和液壓缸選型設(shè)計(jì)計(jì)算方程如下(式中符號(hào)見(jiàn)表1)。

表1　符號(hào)索引

齒輪設(shè)計(jì)公式：

軸設(shè)計(jì)公式：

液壓缸設(shè)計(jì)公式：

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)將初始參數(shù)設(shè)為無(wú)人機(jī)400 kg，起飛速度38 m/s，傳動(dòng)比12.7。通過(guò)計(jì)算分析得出三組齒輪模數(shù)分別為8、10、12；齒寬分別為110 mm、145 mm、170 mm；液壓缸內(nèi)徑160 mm，活塞桿直徑80 mm，傳動(dòng)比15。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，安全可靠，效率高，在尺寸、結(jié)構(gòu)及性能上完全可以成功的將中到重型無(wú)人機(jī)(300～400 kg)以38 m/s的速度發(fā)射出去，解決了目前只能發(fā)射中小型無(wú)人機(jī)這個(gè)瓶頸，并為以后其他類(lèi)型的無(wú)人機(jī)彈射器的研究奠定了基礎(chǔ)。

3　液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)彈射系統(tǒng)的動(dòng)力源，是系統(tǒng)的核心部分[6]，而蓄能器可瞬時(shí)釋放大量的高壓油，可使無(wú)人機(jī)瞬時(shí)加速到較大的速度，因此選用蓄能器作為儲(chǔ)能元件；該液壓彈射系統(tǒng)需滿足在蓄能器充油壓力為25 MPa時(shí)，短時(shí)間內(nèi)(0.7 s)將質(zhì)量最高為400 kg 的無(wú)人機(jī)以38 m/s彈射起飛。液壓缸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓原理圖如圖3所示。

整個(gè)液壓系統(tǒng)主要分為以下四個(gè)階段。電磁閥通、斷電順序如表2所示。

1) 蓄能器儲(chǔ)能階段

按下電機(jī)啟動(dòng)按鈕，電機(jī)帶動(dòng)液壓泵工作，油液通過(guò)單向閥5進(jìn)入蓄能器7中，當(dāng)蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，溢流閥4溢流，充油結(jié)束，蓄能器儲(chǔ)能。

2) 無(wú)人機(jī)彈射階段

電磁換向球閥8、電磁換向閥10右側(cè)通電，液控單向閥9反向開(kāi)啟，蓄能器7中的高壓油液經(jīng)過(guò)液控單向閥9迅速進(jìn)入彈射液壓缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)液壓缸缸體向前運(yùn)動(dòng)，通過(guò)增速箱帶動(dòng)繩輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，完成無(wú)人機(jī)的發(fā)射階段。

3) 緩沖階段

所研究的緩沖系統(tǒng)由兩部分組成， 一是電磁換向閥13右側(cè)通電(電磁換向閥8斷電)，油液進(jìn)入緩沖液壓缸7的無(wú)桿腔中，通過(guò)背壓閥11決定無(wú)桿腔中油液的壓力，在滑行小車(chē)撞擊沖擊塊16時(shí)，通過(guò)油液的壓縮性來(lái)吸收一定的沖擊能；二是通過(guò)給換向閥12右側(cè)通電，油液進(jìn)入繩輪制動(dòng)液壓缸17，從而使繩輪抱緊裝置作用，抱緊繩輪，從而通過(guò)連接在滑行小車(chē)后側(cè)的鋼絲繩制動(dòng)滑行小車(chē)。值得注意的是，兩部分緩沖裝置需同時(shí)作用，并合理匹配其結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，以避免鋼絲繩受力過(guò)大而崩斷。

1.油箱　2.過(guò)濾器　3.液壓泵　4.先導(dǎo)式溢流閥　5.單向閥 6.壓力表　7.蓄能器　8.電磁換向球閥　9.液控單向閥 10、12、13.電磁換向閥　11.背壓閥 14、17.彈射液壓缸　15.緩沖液壓缸　16.緩沖塊

4) 液壓缸復(fù)位

一次彈射結(jié)束后，電磁換向閥10、電磁換向閥9和電磁換向閥5左側(cè)通電，液壓缸14、15、17復(fù)位。

表2　電磁閥通斷電順序

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了研究蓄能器充油壓力對(duì)彈射性能的影響，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)蓄能器充油壓力為15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)起飛速度和彈射時(shí)間的影響做了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)果如表3所示。

表3　充油壓力的影響

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，該系統(tǒng)在25 MPa時(shí)，滿足了無(wú)人機(jī)起飛速度為38 m/s的性能指標(biāo)，并且隨著充油壓力的增大，液壓缸推力增大，無(wú)人機(jī)起飛速度增大，彈射時(shí)間縮短。當(dāng)壓力每增加5 MPa 時(shí)，起飛速度增加率分別為7.1%、5.2%和1.3%，起飛速度增加趨勢(shì)減小，因此可通過(guò)適當(dāng)?shù)脑黾有钅芷鞒溆蛪毫?lái)提高無(wú)人機(jī)末速度。

5　結(jié)論

(1) 所研究液壓彈射裝置，采用齒輪齒條增速系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，增速比大，性能穩(wěn)定；

(2) 緩沖系統(tǒng)由滑車(chē)緩沖裝置和繩輪抱緊裝置兩部分組成，該緩沖系統(tǒng)安全可靠；

(3) 試驗(yàn)結(jié)果得知，通過(guò)改變蓄能器充油壓力的大小，可滿足不同彈射質(zhì)量、不同起飛速度無(wú)人機(jī)的彈射性能要求，其中，最大可彈射質(zhì)量為400 kg、起飛速度為38 m/s的無(wú)人機(jī)。

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