基于便攜式取滾珠裝置擒縱控制及電磁環境結構設計與計算

爨紅亮 李慶全

摘要：起重設備、重型炮塔之所以能360度旋轉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。通過擒縱控制技術設計出便攜式取滾珠裝置，能夠取代費力費時的傳統工具，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，并可避免相關的零部件出現損壞，具有很高的實際使用價值。

關鍵詞：控制電路；設計計算

1.技術背景

起重設備或重型炮塔之所以能夠360度旋轉是由于起重設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，因此在平時的維護保養時，經常需要對軸承上下座圈軌道進行清洗和滾珠更換，由于起重設備、坦克炮塔座圈的尺寸大，滾珠數量多（滾珠直徑一般為25mm，數量通常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，還容易造成相關的零部件出現損壞等情況。本設計在于通過擒縱控制機構的研究和設計，提供一種可高效、快速取出位于起重設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，并可避免相關的零部件出現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、整形電路、驅動電路、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，檢測開關產生開關信號，開關信號通過整形電路，去觸開關信號的毛刺，整形處理后的開關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成電磁鐵，電磁鐵線圈通電后，對銜鐵產生產生電磁吸合力，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，檢測開關開關信號發生變化，經整形電路整形，驅動電路驅動后，關斷繼電器，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，所述檢測開關可以是：電容式接觸、電感式接觸開關、光電接觸開關及機械式接觸開關5種類型。

3.檢測計數電路原理

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

當金屬彈子通過所述反射式光電開關時，產生一開關脈沖信號，脈沖信號會觸發十進制計數器加1，十進制計數器輸出與七段譯碼器的輸入相連，十進制計數器累加結果經過七段譯碼器譯碼后，形成BCD碼，而后送入數碼管進行顯示，數碼管顯示的是十進制計數器對通過彈子數的計數結果。

4.電磁鐵磁力與線圈匝數的設計計算

4.1磁力罐筒設計結構及磁力計算

右下圖3所示的為磁力罐基本設計形式，產磁罐筒設計為全封閉的管式結構，分別由磁罐（工業純鐵）、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。通常采用常規電磁鐵吸力計算公式（式1）進行實際計算和和功能性設計：

（式1）

式（1）中各參數為：

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，其值為1.25×10-8亨/厘米；

z —— 為銜鐵插入線圈的長度（厘米）；

lc —— 為磁罐內壁的高度（厘米）；

IW —— 為安匝數（安匝）。其中，

I —— 為流過線圈的直流電流（安培），

W —— 為線圈匝數（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個參數均由磁罐的結構決定，當磁罐結構設計完成后，6個參數均為固定值，且μ0為常系數。

4.3常系數K的計算確定

取常系數：

（ 式3 ） 則式1轉換為式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W三個參數按照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摩擦力；

FS2 —— 為彈子與坦克結構間的靜態摩擦力；

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，設計中取FG=FS1。

FS1及FS2靜態摩擦力計算公式為：

（ 式6 ）

其中 μs —— 為物體間摩擦系數，為與材料有關的常系數，設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線圈的截面積的設計計算

線圈的截面積與電流的關系如公式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，在具體的設計中，j取值為中間值21安/毫米2。

4.7線圈外形設計計算

如圖3所示，線圈截面積q、線圈匝數W及線圈外形的關系為：

（ 式9 ）

其中

QM —— 為線圈導線截面的實際面積；

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

根據公式9，在線圈截面積q、線圈匝數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lc可設計出c與d。

將計算出的線圈外形與磁罐結構尺寸進行比對驗算，根據驗算結果進行必要的重復計算和調整，得出最優設計計算參數。

以上為基于便攜式取滾珠裝置擒縱控制電路及磁力罐結構設計與計算，通過設計與計算，為便攜式取滾珠裝置的整體設計結構及尺寸確定和功能實現，提供了可靠的理論依據和基礎設計條件。

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.

[2]劉瑞芳.混合式步進電動機靜態力位移特性的分析計算.太原工業大學電機系，1996.

[3]胡之光.電機電磁場的分析與計算[ M] .北京：機械工業出版社，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： 長期從事武器系統與運用工程的教學與研究。