一種氣動剪鉗擊發(fā)機構的參數(shù)化設計

王清華

（宜昌測試技術研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

氣動剪鉗［1］是一種應急救援的特種工具，應用場景是在無電無氣、狹小空間內快速切割鋼筋等物，實施快速的應急救援活動。氣動剪鉗的原理是人力作用積蓄能量，通過擊發(fā)機構轉化為機械能激發(fā)子彈底火，利用無彈頭子彈火藥在近似密封空間快速燃燒產生的大量氣體形成高壓動力，推動執(zhí)行機構對鋼筋等進行切斷動作。

本文探討的是設計一種適用于氣動剪鉗的擊發(fā)機構，使作業(yè)人員在舒適握力下操作，產生能可靠激發(fā)子彈底火的機械能，并能快速方便地優(yōu)化構件尺寸和進行系列化設計，使其結構小巧，滿足狹小空間操作要求。

1 擊發(fā)機構設計

1.1 擊發(fā)機構初步設計及工作原理

擊發(fā)機構結構示意圖如圖1所示。擊發(fā)機構工作原理如下：操作者手掌握住握把8，手指壓扳機2，使其繞O點旋轉推動阻鐵4、擊針定位塊7和擊針6壓縮擊針簧9，同時阻鐵4繞A點旋轉，當擊針簧9壓縮到位時，阻鐵4與擊針定位塊7嚙合點脫開，擊針6在擊針簧9作用下撞擊子彈3的底火，實現(xiàn)擊發(fā)。

1.2 設計輸入量及求解量分析

已知設計輸入量如下：①子彈底火激發(fā)能量E：由選用型號的子彈特性決定，擊發(fā)機構動作壓縮擊針簧儲存能量E0＝s·E（其中s為擊發(fā)機構安全系數(shù)，且s＞1）；②氣動剪鉗允許的最大長度V、最大高度H：由設計限要求給定，這兩個參數(shù)限定了擊發(fā)機構的尺寸和擊針簧壓縮量δx。

求解的目的是分析選取擊發(fā)機構的主要尺寸（扳機特征尺寸M，阻鐵的特征尺寸N、P和L，扳機角度β，阻鐵角度α，O點與握把偏心距離e），使擊發(fā)機構動作后獲得足夠的擊針簧壓縮量δx儲藏子彈底火激發(fā)能量，并分析確定特征尺寸及扳機簧參數(shù)，使操作者獲得舒適的握力操作扳機。

圖1 擊發(fā)機構結構示意圖

1.3 建立嚙合點運動學方程

作擊發(fā)機構簡圖，如圖2所示。B點為阻鐵和擊針定位塊嚙合點，按壓扳機過程中A點相對于O點做旋轉運動、B點相對于A點做旋轉運動。以扳機旋轉中心O點為原點，建坐標系O-xyz，以阻鐵旋轉中心A點為原點建立參考坐標系A-x′y′z′，各坐標軸如圖2所示，z及z′軸根據(jù)右手定則確定。參考坐標系A-x′y′z′相對于坐標系O-xyz的旋轉變換矩陣［2］為：

根據(jù)擊發(fā)機構結構特性，L值相對小，因此嚙合點B由阻鐵繞A點旋轉引起的位置變化量相對很小，在分析計算中忽略，使用齊次坐標表示的轉換矩陣如下：

A-x′y′z′坐標系中B 點坐標為：

圖2 擊發(fā)機構簡圖

1.4 參數(shù)化方程分析

將e作為基準長度，令M＝me、N＝ne、X＝xe（m、n、x為正實數(shù)）代入公式（1），整理后各特征尺寸參數(shù)化為僅與m、n、e及β相關的參數(shù)方程：

對式（2）作變換處理：

1.5 特征尺寸求解及優(yōu)化

初始狀態(tài)β＝β0，擊發(fā)機構處于無外力作用的自平衡狀態(tài)，α＝α0，x＝x0；按壓扳機至終止狀態(tài)β＝β1，嚙合點B點脫開，此時α＝α1、x＝x1；當扳機旋轉角度δβ時，計算阻鐵旋轉角度δα、嚙合點B點行程（即擊針簧壓縮量）δx如下：

根據(jù)式（3）～式（6）特性、擊發(fā)機構結構特點和動作原理，確定各特征參數(shù)選擇原則：

（2）為了使擊發(fā)機構足夠小巧，應在扳機旋轉角度δβ時獲得最大的擊針簧壓縮量δx，根據(jù)公式（5）可知此時應該使阻鐵旋轉角度δα足夠小。結合式（6），當選擇的mn時，可以在相同的扳機旋轉角度δβ下獲得較小的阻鐵旋轉角度δα；根據(jù)確定的β0、β1、m、n及式（5）、式（6）分別計算出δα、δX（δX＝e·δx）。

（3）選擇合適的e值，根據(jù)M＝me、N＝ne、X＝xe計算各特征尺寸，結合氣動剪鉗其他結構尺寸應滿足L、H范圍要求。

（4）選取合適擊發(fā)機構安全系數(shù)s，根據(jù)能量公式E0＝s·E＝s·k（δX）2（其為k為擊針簧彈性系數(shù)）計算出擊針簧k值。

（5）當扳機由β0旋轉至β1時，嚙合點應脫開，選擇合適的L、P應滿足關系L＝Pcosδα。

（6）可調節(jié)參數(shù)m、n、β及基準量e，優(yōu)化各特征尺寸，以適應不同型號子彈底火激發(fā)；也可以根據(jù)參數(shù)方程特性選取合適參數(shù)，設計出特定功能的擊發(fā)機構，或通過更改基準量e值來方便地進行系列化設計。

2 實例

為使氣動剪鉗適應更多使用場合，其總體尺寸要小。本例設計如圖1所示，主要特征尺寸選擇如下：

（2）取m＝2、n＝7，通過式（5）、（6）計算得δα＝4.5°、δx＝26.8mm。

（3）取e＝6mm，則 M＝12mm、N＝42mm、δX＝10mm。

（4）取s＝1.3，根據(jù)選用的子彈底火激發(fā)能量E＝0.000 25J，計算得擊針簧彈性系數(shù)k＝6.5。

（5）取P＝25mm，計算得L＝2.3mm。

3 結論

本文通過對嚙合點運動方程應用矩陣變換和引入基準量，建立了擊發(fā)機構特征尺寸的參數(shù)方程，通過調節(jié)參數(shù)值可以直觀快速實現(xiàn)擊發(fā)機構的設計、優(yōu)化以及系列化設計，縮短了產品設計－實驗－優(yōu)化的設計周期。