基于便攜式取滾珠裝置擒縱控制及電磁環(huán)境結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

爨紅亮 李慶全

摘要：起重設(shè)備、重型炮塔之所以能360度旋轉(zhuǎn)是由于炮塔與車體之間安裝有壓力軸承，維修時須將滾珠取出才能使上、下座圈分離。通過擒縱控制技術(shù)設(shè)計出便攜式取滾珠裝置，能夠取代費力費時的傳統(tǒng)工具，可高效、快速取出壓力軸承的滾珠，不僅能降低的勞動強度，提高工作效率，并可避免相關(guān)的零部件出現(xiàn)損壞，具有很高的實際使用價值。

關(guān)鍵詞：控制電路；設(shè)計計算

1.技術(shù)背景

起重設(shè)備或重型炮塔之所以能夠360度旋轉(zhuǎn)是由于起重設(shè)備或重型炮塔與車體之間安裝有壓力軸承，通常壓力軸承分別由上座圈、滾珠、下座圈組成，并通過滾珠將上、下座圈連接為一體。上座圈連接起重設(shè)備或炮塔，下座圈連接車體。拆卸時必須將滾珠取出才能使上、下座圈分離。 由于該部分機構(gòu)外露，易 受到灰塵、砂石顆粒、雨、海水進入而使得滾珠、軌道銹蝕而影響炮塔旋轉(zhuǎn)，因此在平時的維護保養(yǎng)時，經(jīng)常需要對軸承上下座圈軌道進行清洗和滾珠更換，由于起重設(shè)備、坦克炮塔座圈的尺寸大，滾珠數(shù)量多（滾珠直徑一般為25mm，數(shù)量通常100個以上），且取出滾珠的通道的出口周邊具有很多會妨礙人們活動的裝置，傳統(tǒng)的滾珠取出工具既費力又費時，導致取出滾珠的工作勞動強度大，工作效率也很低，還容易造成相關(guān)的零部件出現(xiàn)損壞等情況。本設(shè)計在于通過擒縱控制機構(gòu)的研究和設(shè)計，提供一種可高效、快速取出位于起重設(shè)備或重型炮塔與車體之間壓力軸承的滾珠，降低取出工作的勞動強度，提高工作效率，并可避免相關(guān)的零部件出現(xiàn)損壞的便攜式坦克炮塔座圈滾珠提取裝置。

2.擒縱控制電路原理

如圖1所示，擒縱控制電路由檢測開關(guān)、整形電路、驅(qū)動電路、繼電器、及線圈5部分組成。

擒縱控制電路原理為當永久磁鐵磁力吸附金屬彈子時，金屬彈子接觸位于永久磁鐵表面的檢測開關(guān)，檢測開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號，開關(guān)信號通過整形電路，去觸開關(guān)信號的毛刺，整形處理后的開關(guān)信號控制繼電器吸合，使電源電壓通過繼電器加載于線圈上，線圈與磁罐及銜鐵共同構(gòu)成電磁鐵，電磁鐵線圈通電后，對銜鐵產(chǎn)生產(chǎn)生電磁吸合力，帶動連接在銜鐵的擒縱桿一起運動，將金屬彈子取出，金屬彈子快速運動到機械卡槽時，靠運動勢能將彈子與永久磁鐵剝離；當彈子脫離永久磁鐵時，檢測開關(guān)開關(guān)信號發(fā)生變化，經(jīng)整形電路整形，驅(qū)動電路驅(qū)動后，關(guān)斷繼電器，電磁鐵線圈斷電，靠彈簧力將擒縱桿推回原位，完成一個擒縱行程。

其中，所述檢測開關(guān)可以是：電容式接觸、電感式接觸開關(guān)、光電接觸開關(guān)及機械式接觸開關(guān)5種類型。

3.檢測計數(shù)電路原理

如圖2所示，所述檢測計數(shù)電路由反射式光電開關(guān)、十進制計數(shù)器、七段譯碼器及數(shù)碼管四部分組成。

當金屬彈子通過所述反射式光電開關(guān)時，產(chǎn)生一開關(guān)脈沖信號，脈沖信號會觸發(fā)十進制計數(shù)器加1，十進制計數(shù)器輸出與七段譯碼器的輸入相連，十進制計數(shù)器累加結(jié)果經(jīng)過七段譯碼器譯碼后，形成BCD碼，而后送入數(shù)碼管進行顯示，數(shù)碼管顯示的是十進制計數(shù)器對通過彈子數(shù)的計數(shù)結(jié)果。

4.電磁鐵磁力與線圈匝數(shù)的設(shè)計計算

4.1磁力罐筒設(shè)計結(jié)構(gòu)及磁力計算

右下圖3所示的為磁力罐基本設(shè)計形式，產(chǎn)磁罐筒設(shè)計為全封閉的管式結(jié)構(gòu)，分別由磁罐（工業(yè)純鐵）、電磁線圈、銜鐵組成。

由以上所描述的擒縱控制電路，控制銜鐵的功能性軸向移動。通常采用常規(guī)電磁鐵吸力計算公式（式1）進行實際計算和和功能性設(shè)計：

（式1）

式（1）中各參數(shù)為：

F —— 為電磁鐵吸力（公斤）；

R —— 為銜鐵半徑（厘米）；

δ—— 為銜鐵的最大行程（厘米）；

μ0 —— 為空氣導磁系數(shù)，其值為1.25×10-8亨/厘米；

z —— 為銜鐵插入線圈的長度（厘米）；

lc —— 為磁罐內(nèi)壁的高度（厘米）；

IW —— 為安匝數(shù)（安匝）。其中，

I —— 為流過線圈的直流電流（安培），

W —— 為線圈匝數(shù)（匝）。

G —— 為單位長度上的磁導，叫做比磁導（亨/厘米），計算公式如為：

4.2 計算比磁導g

比磁導指單位面積的磁導，可通過（ 式2 ）進行計算

（ 式2 ） 式2中 d —— 為銜鐵直徑（厘米）；c —— 為磁罐內(nèi)壁直徑（厘米）。

可以看出，式1、式2中，r、d、δ、z、lc及c 6個參數(shù)均由磁罐的結(jié)構(gòu)決定，當磁罐結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，6個參數(shù)均為固定值，且μ0為常系數(shù)。

4.3常系數(shù)K的計算確定

取常系數(shù)：

（ 式3 ） 則式1轉(zhuǎn)換為式4：

（ 式4 ）

所以，當磁罐尺寸確定后，吸合力F、線圈電流I和線圈匝數(shù)W三個參數(shù)按照4式進行計算。

4.4抓取彈子全行程的最大拉力確定吸合力F

根據(jù)力平衡原理第4步驟的計算公式為：

（ 式5 ）

其中

FS1 —— 為隨擒縱桿運動的所有部件與取彈子器殼體之間的靜態(tài)摩擦力；

FS2 —— 為彈子與坦克結(jié)構(gòu)間的靜態(tài)摩擦力；

FG —— 為擒縱桿彈簧的最大彈力，這個力用來使擒縱桿取彈子后復位，設(shè)計中取FG=FS1。

FS1及FS2靜態(tài)摩擦力計算公式為：

（ 式6 ）

其中 μs —— 為物體間摩擦系數(shù)，為與材料有關(guān)的常系數(shù)，設(shè)計選定材料后查表可以獲得。

Ni —— 分別為為隨擒縱桿運動的所有部件及彈子的重量（公斤）

4.5按照設(shè)定的電源功耗確定線圈電流I

采用直流電磁鐵，可以用公式7確定線圈電流I：

（ 式7 ）

其中， W —— 為選定電源的輸出功率（伏安），按照80%計算。U —— 為電源電壓，單位（伏特）。

4.6線圈的截面積的設(shè)計計算

線圈的截面積與電流的關(guān)系如公式8所示：

（ 式8 ）

其中，j —— 為電流密度（安/毫米2），對于短時間工作的磁鐵，取值為12～30安/毫米2，在具體的設(shè)計中，j取值為中間值21安/毫米2。

4.7線圈外形設(shè)計計算

如圖3所示，線圈截面積q、線圈匝數(shù)W及線圈外形的關(guān)系為：

（ 式9 ）

其中

QM —— 為線圈導線截面的實際面積；

fk —— 為填充系數(shù)，這一值決定于導線形狀、導線直徑、絕緣厚度、繞線方法等，本設(shè)計fk取值為0.535。

根據(jù)公式9，在線圈截面積q、線圈匝數(shù)W確定的前提下，按照選定的外形尺寸c、d，可計算出lc，或根據(jù)lc可設(shè)計出c與d。

將計算出的線圈外形與磁罐結(jié)構(gòu)尺寸進行比對驗算，根據(jù)驗算結(jié)果進行必要的重復計算和調(diào)整，得出最優(yōu)設(shè)計計算參數(shù)。

以上為基于便攜式取滾珠裝置擒縱控制電路及磁力罐結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算，通過設(shè)計與計算，為便攜式取滾珠裝置的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)及尺寸確定和功能實現(xiàn)，提供了可靠的理論依據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)計條件。

參考文獻：

[1]王宗培，程樹康.步進電機的齒層比磁導法模型[J].電世界， 1988.

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[3]胡之光.電機電磁場的分析與計算[ M] .北京：機械工業(yè)出版社，1982.6982.

作者簡介：爨紅亮（1963.08-），男，學歷：本科，職稱：裝甲兵工程學院試裝大隊高級實驗師，從事專業(yè)： 長期從事武器系統(tǒng)與運用工程的教學與研究。