機載導彈彈簧蓄能彈射裝置閉鎖機構設計

李海軍，王殿宇，張　振

(海軍航空工程學院 兵器科學與技術系，山東 煙臺　264001)

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機載導彈彈簧蓄能彈射裝置閉鎖機構設計

李海軍，王殿宇，張振

(海軍航空工程學院 兵器科學與技術系，山東 煙臺264001)

摘要：蓄能機構是彈射裝置的核心部件，由于使用壓縮彈簧作為蓄能部件，需要設計可靠的閉鎖機構鎖定彈簧的壓縮量，以及設計解鎖機構使彈射時能在瞬間釋放彈射桿，使其作用在懸掛物上完成彈射動作。針對在使用EHA作為彈射驅動能源的條件下，如何設計滿足彈射要求合理可靠的蓄能機構的關鍵，提出了楔形塊卡鎖設計，并通過力學分析與計算，確定了卡鎖的尺寸結構。

關鍵詞：機載導彈；彈簧蓄能；彈射裝置；閉鎖機構；設計

根據不同的彈射動力源，機載導彈彈射裝置可分為“熱”彈射和“冷”彈射[1.2]。目前，國內廣泛應用的是采用拋放彈作為動力源的“熱”彈射裝置以及采用高壓氣瓶作為動力源的“冷”彈射裝置。本研究在分析現有彈射裝置優缺點的基礎上，提出了一種采用EHA(電靜液作動器)作為驅動裝置，壓縮彈簧進行蓄能的新型冷彈射機構。

而利用彈簧蓄能彈射，就必須設計合理可靠的閉鎖機構，使彈簧被壓縮后能夠鎖定在所需的壓縮長度，以此來獲得足夠的彈性勢能[3-6]。由于采用EHA作為彈簧的壓縮動力源，其作動距離可操控，只需要在彈射桿的底部設計閉鎖機構，保證在壓縮時阻止彈簧向下移動，在彈射時又能夠迅速解鎖，并且不阻礙彈射桿的回收[7-10]。考慮到電磁鐵閉鎖機構的不穩定性，采用純機械結構的楔形塊卡鎖設計，結構簡單可靠。若同樣采用純機械結構的同步解鎖機構進行解鎖，同步率更高。

1彈射桿整體結構及原理設計

如圖1所示，陰影部分為彈射桿外套筒，其作用為保護彈射桿零部件，承受彈簧力以及固定彈射桿。套筒內部即為彈射桿，彈射桿由可伸縮的兩級組成。在壓縮時，下半部分的二級彈射桿可回縮進一級彈射桿中；彈射時，解鎖后二級彈射桿由于彈簧力瞬間作用在懸掛物上完成彈射。

壓縮蓄能時，液壓桿推動彈射桿頂部金屬座下壓，當壓縮到預定壓縮量時，EHA控制液壓鎖的換向閥移動到中間位，使油路阻塞，固定液壓桿停止壓縮，如圖1的中間形狀所示。 彈射時，通過同步解鎖機構推動楔形塊，解開彈射桿與套筒之間約束，二級彈射桿瞬間彈射作用在懸掛物上，如圖1右圖所示。

圖1　彈射桿壓縮原理示意圖

彈射桿兩端的金屬座內部結構如圖2所示，兩個楔形塊被復位彈簧連接，安裝在底座中，金屬座兩端內部設計限位結構，阻止楔形塊滑出底座，但不影響楔形塊回縮。彈射桿外部套筒上開出如圖所示凹槽。當液壓桿將金屬座壓縮到凹槽位置時，由于彈簧力作用，兩端的楔形塊從金屬座伸出，卡在套筒的凹槽中。彈射時，通過掛鉤解鎖機構，帶動連桿推動楔形塊兩端，使其失去平衡回縮進彈射桿底部金屬座中；回收時，液壓桿拉動彈射桿向上運動，楔形塊受到套筒底部作用力而回縮，直到運動到凹槽處重新伸出并鎖住彈射桿，彈射機構回復到初始狀態。

圖2　彈射桿底部閉鎖原理示意圖

2楔形塊卡鎖設計

根據設計需求，楔形塊卡鎖需要滿足以下要求：① 在閉鎖的情況下，楔形塊必須能承受彈簧的彈力并不發生滑動，將彈射桿鎖在套筒內；② 設計合適的自鎖角使閉鎖時楔形塊處于臨界自鎖狀態，在解鎖時只需很小的解鎖力便能將楔形塊推進金屬座中；③ 在回收的過程中，需要確保楔形塊能夠受力回縮進金屬座中，不影響回收動作。下面對楔形塊進行受力分析。

1)楔形塊強度分析

閉鎖狀態下的楔形塊受力分析如圖3所示，楔形塊受到來自彈簧豎直向下的壓力f壓、套筒凹槽的支持力fN以及楔形塊下端與套筒之間的靜摩擦力f。

圖3　楔形塊閉鎖受力分析示意圖

根據初始設計參數，彈簧壓力的大小為22 120 N，則F壓為11 060 N。此時楔形塊所受剪切應力主要集中在在面A-B上。根據彈射桿的尺寸，設計楔形塊尺寸為30 mm×20 mm×20 mm，參考圖3所示，則其受力面積

A=0.03×0.03=9×10-4m2

其所受剪切應力為

τ=f壓/A≈122 MPa

2)臨界自鎖角θ設計

閉鎖時，要使楔形塊在不發生滑動，那么就必須設計楔形塊的下坡度角θ，使得水平方向上摩擦力f的分量大于fN的分量。當楔形塊受力達到平衡時，可得方程組

(1)

(2)

其中：fN為彈射桿外套筒對楔形塊的支持力；f壓為彈射桿底座對楔形塊產生的壓力；f為套筒與楔形塊之間靜摩擦力；fmax為其最大靜摩擦力，μ為滑動摩擦因數；θ為楔形塊下坡度角。

由式(2)可得μ≥tanθ，若選用航空材料中比較常見的鋁合金材料的楔形塊和套筒，可查得其滑動摩擦因數μ≈0.29，反推可得：當θ≤16.2°時，楔形塊水平方向上所受推力始終小于最大靜摩擦力，當楔形塊的強度足夠時，不會與套筒發生相對運動。

解鎖時，通過推桿推動兩端楔形塊，使其失去平衡回縮進彈射桿底座中。此時所受摩擦力為滑動摩擦力，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，可得解鎖時楔形塊水平方向受力方程

(4)

由式(3)、式(4)可得

(5)

3)復位彈簧的選取

楔形塊之間復位彈簧的作用是為了使楔形塊具有伸縮能力，在彈射后能夠回復到原來位置。由式(5)可知，彈簧回力將影響解鎖力的大小。為了使解鎖力足夠小，需要選取適宜的復位彈簧。

結合楔形塊設計尺寸，選擇線粗d=1 mm，長度L=70 mm，外徑d=20 mm的彈簧。查閱彈簧手冊可知長度為70 mm，線粗1 mm的彈簧通常圈數N0為17圈，有效圈數N可取15。這里選取具有較高的耐磨損，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。又知彈簧剛度系數公式

(6)

其中：G為彈簧材料切變模量；n為彈簧有效圈數；D為彈簧直徑；d為彈簧線徑。

將已知數據代入式(6)彈簧剛度系數公式，可得：k≈0.041 N/mm。

又知彈簧最大壓縮量為δxmax=40 mm，那么回彈力最大為F彈max=kx≈1.6 N。將已知數據代入式(5)可得F推≥13.1 N，故此時最小解鎖力只需要13.1 N。

4)回收角α的設計

對楔形塊回收過程進行受力分析如圖4所示。當彈射桿回收時，楔形塊一開始只受到來自金屬座的豎直向上的拉力F拉，當楔形塊與彈射桿外套筒的內側邊緣接觸時，又受到套筒垂直于楔形塊接觸面的壓力F套筒，以及沿著楔形塊接觸面向外的摩擦力f和彈簧的彈力F彈。

當楔形塊發生滑動并完全回縮進金屬座中時，在水平方向和豎直方向分別有：

(7)

(8)

其中：fmax為最大靜摩擦力，fmax=f套筒μ，μ=0.29；f彈max為復位彈簧最大彈力，由前文可知f彈max=1.6 N。

圖4　楔形塊回收過程受力分析

同樣，為了使回收過程可靠順利，所需要的F拉也應當盡可能小。由式(7)、式(8)可得

(9)

圖5　f拉-α曲線

因此，當設計回收角為α=30°時，只需要12.8 N的拉力就能使楔形塊完全回縮，滿足回收要求。通過計算，得到楔形塊的設計尺寸如圖6所示，厚度為20 mm。

圖6　楔形塊設計尺寸

3結論

本研究首先介紹了彈射桿的整體結構設計及原理，然后根據彈射裝置的需求，提出了閉鎖機構的設計目標。然后利用材料力學理論分析了楔形塊卡鎖的強度，在其強度滿足前提的條件下再利用力學理論分析與計算了楔形塊卡鎖的臨界自鎖角，之后選取了適宜的復位彈簧，最后又通過計算選取了滿足回收條件的回收角。本文的研究與設計工作對于彈簧蓄能彈射的研究與實踐有著較大的參考價值。

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(責任編輯周江川)

本文引用格式：李海軍，王殿宇，張振.機載導彈彈簧蓄能彈射裝置閉鎖機構設計[J].兵器裝備工程學報，2016(5):21-24.

Citation format:LI Hai-jun,WANG Dian-yu，ZHANG Zhen.Design of Locking Mechanism for Airborne Missile Spring Storage and Ejection Device[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):21-24.

Design of Locking Mechanism for Airborne Missile Spring Storage and Ejection Device

LI Hai-jun,WANG Dian-yu，ZHANG Zhen

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

Abstract:The energy storage mechanism is the core component of the ejection device.Because of the use of a compression spring as an energy storage component,a reliable locking mechanism was required to lock the spring in a specified amount of compression and to design an unlocking mechanism which can release an ejector rod in an instant,so that the action can be accomplished on the suspension.In the condition of using EHA as the driving power,how to design the energy storage mechanism that can meet the requirements of ejection is the key point.According to the requirement,this paper put forward the design of the wedge block,and the size structure of the lock was determined by the mechanics analysis and calculation.

Key words:airborne missile; spring energy storage; ejection device; locking mechanism; design

doi:【裝備理論與裝備技術】10.11809/scbgxb2016.05.006

收稿日期：2015-11-08；修回日期：2015-12-15

作者簡介：李海軍(1966—)，男，博士，教授，主要從事航空導彈測試與故障診斷研究。

中圖分類號：TJ768；TH122

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0021-04