某種新型機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射架閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與研究

李海軍，王殿宇

(海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái)　264001)

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某種新型機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射架閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與研究

李海軍，王殿宇

(海軍航空工程學(xué)院 兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái)264001)

摘要：彈射裝置及其掛鉤的閉鎖機(jī)構(gòu)是機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射架的關(guān)鍵部件，其性能關(guān)系到導(dǎo)彈能否快速、準(zhǔn)確并且安全地被彈射；在用彈簧蓄能彈射的基礎(chǔ)上，提出了一種新型彈射裝置閉鎖機(jī)構(gòu)及掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)同步解鎖裝置使兩閉鎖機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)解鎖，并對(duì)其各部分進(jìn)行受力分析與計(jì)算，得到可以滿足開(kāi)鎖閉鎖條件的解鎖力，結(jié)果表明：此設(shè)計(jì)可以合理應(yīng)用于機(jī)載導(dǎo)彈彈射系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)載導(dǎo)彈；發(fā)射架；閉鎖機(jī)構(gòu)；機(jī)械設(shè)計(jì)；受力分析

Citation format:LI Hai-jun, WANG Dian-yu.Design Analysis and Research of A New Type of Aircraft Missile Launcher Lock Mechanism[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):6-8.

彈射裝置是導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，擔(dān)負(fù)著運(yùn)載導(dǎo)彈和發(fā)射導(dǎo)彈的任務(wù)。機(jī)載導(dǎo)彈的彈射方式按彈射動(dòng)力源又可分為冷彈射和熱彈射。目前我軍機(jī)載導(dǎo)彈廣泛采用技術(shù)相對(duì)比較成熟的，以拋放彈為動(dòng)力源的熱彈射方式，但是高壓燃?xì)鉄g零部件、需要經(jīng)常清洗彈射筒等缺點(diǎn)。冷彈射則采用清潔能源，如高壓冷氣或者彈簧壓縮蓄能彈射等。

本文在以彈簧蓄能彈射SDB小型炸彈的基礎(chǔ)上，對(duì)彈射桿的閉鎖機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)彈掛鉤的閉鎖進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)了一種新型的閉鎖方式以及同步解鎖裝置，并對(duì)其進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度分析，確定最小開(kāi)鎖力。

1彈射機(jī)構(gòu)

1.1彈射桿結(jié)構(gòu)原理

如圖1所示，彈射桿分為可伸縮的兩級(jí)，安裝在套筒中，彈簧分別固定在彈射桿的頂部和底部金屬座。金屬座內(nèi)部裝有楔形塊卡鎖，在套筒壁上開(kāi)凹槽，使楔形塊能夠剛好卡在槽中。安裝時(shí)先用金屬塊堵住套筒中部的凹槽，再將彈射桿下端底座卡在套筒底部凹槽中，安裝完畢后如圖1中左圖所示。壓縮蓄能時(shí)，液壓桿推動(dòng)彈射桿頂部金屬座下壓，當(dāng)金屬座運(yùn)動(dòng)到套筒中部的凹槽處，楔形塊由于彈簧作用伸出，卡在凹槽中如圖1右圖所示，阻止彈射桿向上回彈。 彈射時(shí)，通過(guò)同步解鎖機(jī)構(gòu)推動(dòng)楔形塊，解開(kāi)彈射桿與套筒之間約束，彈射桿內(nèi)第二級(jí)活塞瞬間彈射作用在懸掛物上。

彈射桿金屬座內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩個(gè)楔形塊被彈簧連接安裝在底座中，底座兩端帶有凸槽限位結(jié)構(gòu)，阻止楔形塊滑出底座，但不影響楔形塊回縮。彈簧桿外部套筒上開(kāi)出如圖所示梯形槽。彈簧桿閉鎖時(shí)，由于彈簧力作用，兩端的楔形塊從底座伸出，卡在套筒的楔形槽中。解鎖時(shí)通過(guò)掛鉤解鎖機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)連桿推動(dòng)楔形塊兩端，使其失去平衡回縮進(jìn)彈簧桿底座中。套筒底部設(shè)計(jì)坡度，使彈簧桿回收時(shí)楔形塊能夠受力回縮進(jìn)底座內(nèi)部。

圖2　彈簧桿底座閉鎖示意圖

1.2彈射桿閉鎖力及強(qiáng)度計(jì)算假設(shè)彈簧底座一共受到6 000 N的壓力，則F壓為3 000 N。首先對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，楔形塊機(jī)構(gòu)尺寸如圖3所示，受力面積：

A=0.03×0.03=9×10-4m2

其所受剪切應(yīng)力為

τ=F壓/A≈333MPa

圖3　楔形塊尺寸及受力分析圖

再對(duì)楔形塊進(jìn)行受力分析，當(dāng)力達(dá)到平衡時(shí)，可得方程組：

(1)

(2)

其中，F(xiàn)N為彈簧桿外套筒對(duì)楔形塊的支持力；F壓為彈簧桿底座對(duì)楔形塊產(chǎn)生的壓力；f為套筒與楔形塊之間靜摩擦力，F(xiàn)max為其最大靜摩擦力，μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；θ為楔形塊坡度角。

由式(2)可得μ≥tanθ，若選用鋁合金材料的楔形塊和套筒，可查得其滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ≈0.29，反推可得當(dāng)θ≤16.2°時(shí)，楔形塊水平方向上所受推力始終小于最大靜摩擦力，當(dāng)楔形塊的強(qiáng)度足夠時(shí)，其與套筒間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

解鎖時(shí)，通過(guò)推桿推動(dòng)兩端楔形塊，使其失去平衡回縮進(jìn)彈簧桿底座中。此時(shí)所受摩擦力為滑動(dòng)摩擦力，f=FN×μ，代入式(1)可得：

(3)

在式(2)中加入推力F推以及彈簧反力F彈，可得解鎖時(shí)楔形塊水平方向受力方程：

(4)

將式(3)代入式(4)可得不等式

(5)

若要使解鎖力達(dá)到最小，一方面要使μ-sinθ達(dá)到最小，由于μ大小已知，θ≤16.2°，不妨取θ=16°；另一方面需要選取尺寸適宜且彈性小的彈簧。

結(jié)合設(shè)計(jì)尺寸，選則線粗d=1.5 mm，長(zhǎng)度L=70 mm，外徑D=20 mm的彈簧，又知彈簧剛度系數(shù)公式：

(6)

其中:G為彈簧材料切變模量；n為彈簧有效圈數(shù)；C為旋繞比，即彈簧直徑D與線粗d比值，此時(shí)C=13.3。在此選取較高的耐磨損，耐腐蝕和防磁性能的錫青銅線作為材料，其切變模量通常為40 000 MPa 。查閱機(jī)械手冊(cè)可知長(zhǎng)度為70 mm的彈簧通常圈數(shù)n0為17圈，有效圈數(shù)n可取15，代入式(6)可得k≈0.29 N/mm。

又知彈簧最大壓縮量為x=40 mm，則最大回彈力F彈=kx≈11.6 N。將已知數(shù)據(jù)代入式(5)可得F推≥23.1 N。

2掛鉤閉鎖裝置原理

掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)如圖4所示，通過(guò)外力同時(shí)作動(dòng)前后兩個(gè)解鎖搖臂，通過(guò)連桿運(yùn)動(dòng)，使前后掛鉤同時(shí)失去滾輪搖臂的支撐，在開(kāi)鉤作用力、扭簧和載荷的作用下同步打開(kāi)前后掛鉤；由于分為前后兩組，可分別傳動(dòng)，當(dāng)掛物懸掛時(shí)，吊耳分別頂壓前后掛鉤的鼻狀臂，使掛鉤旋轉(zhuǎn)，滾輪搖臂的滾輪從掛鉤凹槽中滑出，在扭簧作用下，作動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)?shù)醵享數(shù)轿粫r(shí)，滾輪進(jìn)入掛鉤鎖閉位置，掛鉤閉鎖。

該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是在四連桿的基礎(chǔ)上，利用杠桿原理，結(jié)合滾輪搭接形式的二力桿結(jié)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)模型，合理減載，將載荷的影響控制在掛鉤和滾輪搖臂這兩個(gè)零件，不再向下傳遞，滾輪搖臂以后的傳動(dòng)連桿僅需承受開(kāi)鉤力的影響，故該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠有效地控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和所受載荷在可承受范圍內(nèi)。

圖4　掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)開(kāi)閉鎖示意圖

3同步解鎖機(jī)構(gòu)

3.1同步解鎖機(jī)構(gòu)原理

如圖5所示，利用杠桿原理設(shè)計(jì)類似于夾子的省力裝置來(lái)進(jìn)行同步解鎖。此同步解鎖裝置由兩個(gè)S形曲桿和一系列連桿組成，上半部分環(huán)繞在彈簧桿套筒外圍，兩滑塊對(duì)準(zhǔn)彈簧桿底座的楔形塊；中間連接部分打孔，通過(guò)銷子固定，兩曲桿可以銷子為中心轉(zhuǎn)動(dòng)；底部通過(guò)連桿與掛鉤閉鎖裝置上的解鎖搖臂相連接，解鎖時(shí)，電磁鐵通電，吸力使解鎖搖臂下壓，同時(shí)帶動(dòng)連桿拉動(dòng)同步解鎖裝置，連桿又帶動(dòng)兩邊曲桿收緊，使滑塊推動(dòng)楔形塊回縮，從而解鎖彈簧桿。

3.2解鎖力計(jì)算及電磁鐵選取

由力的平衡原理可得：

F推sinα×L1=F桿sinβ×L2

(7)

F拉cosγ=F桿

(8)

(9)

已知套筒直徑為65 mm，兩端滑塊長(zhǎng)度為20 mm，故可知：

將已知數(shù)據(jù)代入式(9)可得F拉≈23.2N，進(jìn)而可知解鎖兩端彈簧桿所需總拉力：

F=4×F拉≈92.9N

若選取吸力為15 kg的電磁鐵作為開(kāi)鎖動(dòng)力源，即可滿足開(kāi)鎖要求。

圖5　同步解鎖機(jī)構(gòu)示意圖

4彈射桿回收原理

當(dāng)彈射完成后需要回收時(shí)，首先，掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)中的電磁鐵斷開(kāi)電流，開(kāi)鉤搖臂由于拉簧作用回到閉鎖位置，通過(guò)連桿傳動(dòng)使掛鉤回到原位，推動(dòng)同步解鎖機(jī)構(gòu)使曲桿將滑塊拉出套筒；然后，作動(dòng)器控制液壓桿向上回收，如圖6所示，液壓桿先通過(guò)連桿將楔形塊拉回金屬座內(nèi)，當(dāng)楔形塊完全回縮時(shí)，液壓桿剛好運(yùn)動(dòng)接觸到金屬擋板，進(jìn)而帶動(dòng)彈射桿一起向上回收；由于套筒底部坡度設(shè)計(jì)，彈射桿下端金屬座中的楔形塊被擠壓回縮，當(dāng)向上運(yùn)動(dòng)到套筒底部的凹槽時(shí)，楔形塊再次伸出，將彈射桿底部金屬座鎖緊在套筒中。至此彈射機(jī)構(gòu)完全回復(fù)到初始狀態(tài)。

圖6　彈射桿回收原理圖

5結(jié)論

本文在利用彈簧蓄能彈射的背景下，設(shè)計(jì)了一種新型的彈射桿彈射及閉鎖機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)同步解鎖裝置使其與掛鉤閉鎖機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到同步解鎖。通過(guò)對(duì)楔形塊和同步解鎖機(jī)構(gòu)的受力分析及強(qiáng)度分析，找到最佳設(shè)計(jì)尺寸，計(jì)算出所需最小解鎖力，選取合適的電磁鐵用作解鎖的動(dòng)力源。此設(shè)計(jì)對(duì)于將彈簧蓄能彈射應(yīng)用于機(jī)載導(dǎo)彈的發(fā)射具有重要參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯周江川)

Design Analysis and Research of A New Type of Aircraft Missile Launcher Lock Mechanism

LI Hai-jun, WANG Dian-yu

(Department of Armament Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract:Ejection device and hook locking mechanism are key components in the airborne missile launcher, and its performance is related to whether the missile can have a rapid, accurate and safe ejection. On the basis of spring energy storage ejection, this paper put forward a new type of ejection device blocking mechanism and hook locking mechanism, and synchronous unlock device was designed to make the two locking mechanism unlock at the same time, and had the force analysis and calculation of its parts, and got the releasing forces satisfied the unlock conditions. The lock closure condition results show that the reasonable design can be applied by the airborne missile ejection system.

Key words:airborne missile; launcher; locking mechanism; mechanical design; force analysis

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0006-04

中圖分類號(hào)：TH122；TJ768.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.002

作者簡(jiǎn)介：李海軍(1966—)，男，教授，主要從事航空導(dǎo)彈測(cè)試與故障診斷研究。

收稿日期：2015-07-29；修回日期：2015-09-15

本文引用格式：李海軍，王殿宇.某種新型機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)射架閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):6-8.

【裝備理論與裝備技術(shù)】