小口徑防空火炮內膛往復振動式氣動擦拭機器人設計

周仁斌,倪純華

(1.武昌首義學院機電與自動化學院，湖北 武漢 430068；2.武漢華銳融創(chuàng)機械有限公司，湖北 武漢 430068)

0 引言

防空火炮在射擊前、后以及火炮的啟封和封存，均要對火炮進行擦試保養(yǎng)。防空火炮內膛擦拭，是指對炮管內膛進行清潔的工藝，主要是為了去掉火炮射擊后留下的殘留物，保證火炮正常使用[1]。由于火炮種類各異口徑大小不同，身管內膛狀況不同，使用環(huán)境各異。對炮膛擦拭控制方式，有電機驅動、液壓驅動和氣動驅動等方式。目前，國外火炮身管擦拭系統(tǒng)比較典型的有Airesco公司研制的氣動擦拭系統(tǒng)，GI Industries公司研制的電動擦拭系統(tǒng)，米爾弗姆公司設計的清洗槍、炮管擦拭設備等[2]。國外采用的Milfoam清洗系統(tǒng)擦炮裝置[3]，適用于口徑76～155 mm。在國內大、中口徑火炮擦拭方面，文獻[4-5]以150～250 mm火炮為應用環(huán)境，研究和設計一種便攜式高效線膛炮炮管擦洗機器人，并對機械部分進行了設計分析。在電機驅動控制方面，趙京鶴[6]采用電器元件自動控制清潔桿直線運動與清洗頭回轉運動，合成了自動清洗炮管內膛樣機；龐金錄等[7]對多功能便攜式火炮身管內膛擦拭機進行了結構設計，主要適用于中大口徑火炮身管擦拭保養(yǎng)。從最新的專利網(wǎng)檢索中，文獻[8-12]等驅動模塊均由1個或多個電機或步進電機驅動，行動機械及傳動結構均較復雜，并且步進動作配合協(xié)同性要求較高。在火炮內膛擦拭的氣動控制驅動方面，文獻[13]提供了一種多功能自動擦炮機，其特征包括氣缸和設置于氣缸兩側的氣動卡盤和擦拭盤，在氣缸后端固定有帶支撐的氣動卡盤，氣缸和氣動卡盤通過閥門與氣源相通，通過手動切換氣動卡盤及氣缸進排氣口實現(xiàn)，也可通過PLC控制器等實現(xiàn)，可實現(xiàn)定點擦拭。

綜合可以看出，國內外學者對火炮內膛擦拭裝置作了很多研究，但大都限于對中、大口徑身管火炮的內膛擦拭。而小口徑防空火炮炮膛擦拭，主要由多名人員進行人工擦洗，勞動強度大，擦拭效率低，不能保證火炮在連續(xù)射擊中的可靠性。針對這些問題，結合前期預研項目研究，擬進行小口徑防空火炮往復振動式氣動擦拭機器人的機構優(yōu)化設計與關鍵技術研究，適用于小口徑火炮內膛平時及戰(zhàn)時擦拭保養(yǎng)需求，提高軍事效益。

1 往復振動式氣動擦拭機器人的整體方案優(yōu)化

1.1 需求分析與設計思路

通過對已有大口徑管道機器人的運動方式和清洗炮管的特點進行分析，結合小口徑炮管對機器人擦拭的需求情況，容易得出，較好的適應性和有效的清洗方式是擦拭機器人在炮管內應當具有的性能[14]。設計并優(yōu)化炮管擦拭機器人的結構，達到對火炮內壁預期的清潔效果，應當符合以下要求：

一是結構緊湊，便于攜帶，使用符合要求；二是需要適應性強，炮管能進行一定直徑范圍的操作；三是需要快速的清潔速度，效果好，并能實現(xiàn)快速響應要求；四是需要很強的互換性，主要部分易于拆卸和互換，可以使用模塊設計；五是延展性強，能夠攜帶測試和維護設備，便于機器人的維修。

1.2 整體設計方案的確定

針對小口徑來復線防空火炮內膛擦試保養(yǎng)的需求，采用氣動擦拭方式，因為氣動方式結構簡單、工作輕便安全、可靠性高、使用壽命長。故可構建 “通用氣源+滑塊式氣動振動器+型號毛刷”的配置架構，在通用空壓機供氣下，通過更換不同直徑毛刷滿足對30 mm、35 mm和37 mm系列小口徑來復線炮膛的擦試保養(yǎng)。以37 mm防空火炮內膛氣動擦拭為例，37 mm往復振動式氣動擦拭機器人的主機結構設計如圖1所示，由滑塊式氣動振動器(3種型號一致)、37 mm擦拭毛刷和進氣附件等組成，主機可實現(xiàn)自動擦拭與自動噴液2種功能。

圖1 擦拭機器人主機的三維模型

2 往復振動式氣動擦拭機器人主機的結構設計

往復振動式氣動擦拭清洗機器人包括通用空壓機氣源及氣動控制元件(如油水分離器等)、進氣管道和擦拭主機，依次連接形成一套完整的擦拭機器人。往復振動式氣動擦拭機器人主機整體結構設計如圖2所示。

圖2 擦拭機器人主機結構示意

擦拭主機氣動擦拭功能組件，包括主機本體和擦拭毛刷。擦拭主機包括主機本體及與本體相連的前、后端蓋；位于本體內的缸套；位于缸套內的滑塊及中心軸；與中心軸連接的前后擋塊；前端蓋與前擋塊、后端蓋與后擋塊之間設計有復位彈簧；滑塊與前、后擋塊之間設計有緩沖擋圈等。

擦拭主機液體噴射功能組件，包括主機本體上的通孔液道、前端蓋上的噴嘴口及后端蓋上的進液管接頭。

2.1 滑塊式氣動振動器的設計

滑塊式氣動振動器的結構及相互之間的位置關系如圖3所示。主機本體上加工有進氣道，與后端蓋內氣道及進氣管接頭相通；套裝在中心軸上的滑塊呈圓柱體狀，外圓表面加工有前后2部分進氣環(huán)槽，滑塊內部間隔90°，加工有與前后進氣環(huán)槽相通的前后氣道。缸套與滑塊間、滑塊與中心軸之間，均是相當精密的配合，一般有0.03～0.01 mm的配合間隙，無需密封環(huán)，能確保給機構一個良好的密封性能。由于彈性效應的存在，會使其緊緊地貼在氣缸內壁上，而這種緊密的配合作用，使得滑塊、缸體與中心軸之間建立了相對可靠的動態(tài)密封。

圖3 滑塊式氣動振動器設計

在振動器中，缸套內表面、套裝在中心軸上的滑塊及前、后擋塊，將內部空腔分為前腔和后腔2個封閉空間。往復振動式氣動擦拭機器人主機工作時，高壓空氣通過外置氣源及控制元件持續(xù)地進入進氣管接頭，通過主機后端蓋內氣道及本體上內氣道，經(jīng)過缸套上專用氣孔，進入滑塊環(huán)槽，再通過與滑塊環(huán)槽相通的內氣道進入前腔或后腔，推動滑塊在中心軸上往復軸向移動，從而不斷地沖擊與中心軸固定在一起的前后擋塊及擋圈，通過中心軸帶動毛刷固定軸，從而帶動毛刷高速往復軸向移動，得到持續(xù)性振動擦拭動力。擦拭機器人在氣動擦拭時，給它一個適宜的初速度，就可以實現(xiàn)其方向的控制。由于擦拭毛刷和導向毛刷呈螺旋狀排列設計，滑塊式氣動振動器作高速往復振動時，使擦拭毛刷沿著來復線內膛螺旋式間歇性前進，由于順向擦拭時刷毛倒向振動阻力小于逆向擦拭時刷毛倒向振動阻力，可實現(xiàn)往復擦拭的同時，沿炮膛自主縱向運動。

本體的加工材料是鋁合金2A12，強度較高，但缺點是它的抗蝕性不高，故本體結構需要進行紅色陽極氧化的表面處理，來提高抗腐蝕能力。

缸套是一個重要的部件，其表面加工有進、排氣孔，與本體結構內氣道相配合，作為高壓氣體的流通氣道；缸套的前后端面及內外圓表面的表面粗糙度加工要求很高，因為這關乎到滑塊在其內部的運動工況，缸套內外圓表面的同軸度要求偏差為0.01 mm。缸套的加工材料為合金工具鋼，韌性強，性能較好。加工前要經(jīng)過熱處理，整體調質HB260-280,內圓表面等離子滲氮淬火HRC60-65，可以提高缸套的強度和綜合機械性能，對擦拭設備的運行意義重大。

滑塊中心孔與中心軸配合，外圓表面設計有一定長度的前后圓環(huán)槽，與滑塊內2對盲孔分別連接，用作氣體的流道?；钊募庸げ牧鲜?0Cr鋼，經(jīng)過調質HB265-280的熱處理后，會使活塞具有比較好的綜合性能，提高活塞的硬度和耐久性能等。

復位彈簧包含2個，當滑塊式氣動振動器處于非工作狀態(tài)時進行復位，便于啟動時活塞處于中間位置，無啟動氣室死點產生；滑塊與前、后擋塊間的緩沖擋圈起工作時碰撞緩沖及降噪作用。

2.2 擦拭毛刷的設計

該氣動擦拭機器人的擦拭毛刷，其外徑大于防空火炮內膛管道直徑，擦拭毛刷從炮膛管道入口推入，刷毛形變，倒向管道入口，擦拭或導向毛刷通過刷毛形變應力作用于管道內壁，毛刷與滑塊式氣動振動器通過毛刷固定軸及中心軸固定?？紤]到擦拭毛刷在擦拭過程中容易損壞,且該擦拭機器人可應用于3種不同小口徑的火炮炮管清洗，擦拭毛刷可以設計成不同口徑的單個式或組合式。單個式擦拭毛刷外徑大于內膛直徑0.50～1.00 mm,毛刷外包擦拭布，以清潔為主，驅動為輔；組合式擦拭毛刷在前，運動導向毛刷在后，導向毛刷外徑大于內膛直徑1.00～1.50 mm,驅動為主，清潔為輔；擦拭毛刷比導向毛刷軸向長1.5倍左右，外徑大于內膛直徑0.50～1.00 mm,毛刷外包擦拭布，以清潔為主，驅動為輔。

3 關重件的運動仿真及有限元分析

有限元法是運用類似于數(shù)學模型的辦法，把確切的物理系統(tǒng)分散為互相關聯(lián)的小區(qū)域，對每一個模塊設立一個通俗的近似解，再就是采用一定的函數(shù)關系，推算出滿足整體模塊的條件，最終求出問題的近似解。有限元法作為一種數(shù)值層面的計算辦法，目前有著很廣闊的實際應用價值，已經(jīng)成為工程數(shù)值分析的有效辦法，能適用于材料力學結構和連續(xù)體問題，通過計算機模擬分析，分步實施方案解決強度等問題，可以使產品的可靠性大大提高。滑塊是氣動振動器的重要零部件之一，其設計質量直接影響擦拭主機的使用壽命。下面運用SolidWorks軟件的仿真插件，來進行滑塊的運動仿真及有限元分析。

3.1 滑塊的受力分析

對滑塊動力學問題分析較復雜，選取滑塊的最大壓力工況，將其轉化為靜力學問題來解決。套裝于中心軸上的滑塊受到高壓空氣氣體作用力，滑塊的左右往復移動慣性力、中心軸的摩擦阻力，以及前、后擋塊和擋圈的反作用力等，垂直方向滑塊重力與中心軸支持力平衡，簡化其他力作用，并將受力近似于水平方向，滑塊的受力如圖4所示。

圖4 滑塊受力分析模型

a.高壓空氣氣體作用力。高壓空氣通過外置氣源及控制元件持續(xù)地進入進氣管接頭，通過主機后端蓋內氣道及本體上氣道，經(jīng)過缸套上氣孔，進入滑塊環(huán)槽，再通過滑塊內氣道進入前腔或后腔，作用于滑塊的端面，總壓力F可表示為

F=pπ(D2-d2)/4

(1)

D為缸套內徑；d為中心軸外徑。

b.滑塊的慣性力。由于滑塊在高壓氣體作用下，以一定加速度a作往復變速直線運動,所以滑塊的慣性力可表示為

F1=Ma

(2)

M為滑塊質量；a為慣性加速度。

c.中心軸對滑塊的摩擦阻力為

f=μM

(3)

M為滑塊質量；μ為滑動摩擦系數(shù)。

d.前、后擋塊及擋圈的反作用力為

F2=F-F1-f

(4)

根據(jù)設計，工作氣源最高壓強p為0.90 MPa，壓力F=pS，滑塊受到的理論最大壓力使用SolidWorks軟件來做有限元分析?？梢缘玫剑?/p>

S=π(222-102)/4=301.44 mm2

F=pS=0.9×106×301.44×10-6=271.30 N

3.2 滑塊的三維建模與有限元分析

首先建立滑塊的三維模型,設置約束條件并添加載荷后，生成網(wǎng)格，軟件會根據(jù)零件的尺寸自動計算網(wǎng)格的參數(shù)。通過仿真運行后，得到仿真結果圖，其中包括等效應力圖解、應變圖解。運行結果中的等效應力云圖和應變云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 滑塊等效應力云圖

圖6 滑塊應變云圖

由圖5和圖6可知，滑塊受到的最大應力為2.96 MPa，其加工材料是合金鋼，合金鋼屈服強度是620 MPa，按理想最大壓力計算，仿真出來的最大應力結果遠小于其屈服強度，所以該氣動擦拭機器人結構是偏于安全的，該結構符合擦拭的設計要求。

4 樣機測試與結果分析

考慮小口徑防空火炮的完整擦拭工藝需求，除擦拭主機外，對小口徑防空火炮內膛往復振動式氣動擦拭機器人，還可設計配套的涂油主機、涂脂主機和除銅劑注入主機，完成防空火炮的清潔擦拭、涂油、啟封和封存的保管保養(yǎng)。氣動擦拭機器人樣機如圖7所示。

圖7 氣動擦拭機器人樣機

樣機實驗如圖8所示。其中，測試條件為：實驗電源為220 VAC/50 Hz，功率為2 kW，外置通用空氣壓縮機氣源排氣量為0.29 m3/min，氣源最大壓力為0.90 MPa。37 mm防空火炮實裝炮管用模擬支架固定，炮口加裝輔助牽引器，便于氣動擦拭機器人主機進出炮管內進行擦拭。

圖8 樣機進行擦拭實驗

4.1 滑塊外徑大小分析

滑塊所受作用力的大小主要是取決于它的兩側有效圓周面大小，而已知負荷力，就可求得滑塊的輸出推力。根據(jù)外載荷理論，在大多數(shù)情況下，設備需要空壓機來平衡工況，并依據(jù)不同的轉速來選擇對應的載荷率，讓空壓機的輸出力有一定的余量，而缸套的直徑過大或者過小，都會對機器人的運動造成不利的影響，造成氣動能源的浪費。

根據(jù)式(1)可以看出，本次設計是針對于小口徑火炮炮管的內膛擦拭，根據(jù)各種實際情況的考慮及清洗效果，工作氣源最高壓強為0.90 MPa情況下，其氣缸最小直徑選擇為22 mm，中心軸外徑為10 mm。通過更換不同直徑毛刷，可滿足對30 mm、35 mm和37 mm系列小口徑來復線炮膛的擦試保養(yǎng)需求。

4.2 滑塊的往復行程分析

使用的場合以及機構的行程決定了滑塊的往復行程，大多數(shù)情況下不會選擇全行程，充分考慮滑塊外圓周上前后氣體環(huán)槽與缸套進氣口的位置關系，為保證氣源動力的連續(xù)性，具有持續(xù)的清洗效果，滑塊的往復行程一般設計為5～10 mm。

4.3 滑塊的運動速度分析

滑塊的運行速度主要與空壓機排氣量和管口大小有關。通過樣機實驗，滑塊往復振動頻率在50～170 次/s范圍內，可以有效地擦拭炮管內膛，效果較好。

5 結束語

隨著科學技術的快速發(fā)展，各行各業(yè)的很多人工勞動都被機器和科技所取代。小口徑防空火炮內膛往復振動式氣動擦拭機器人的研制，能迅速有效完成炮膛的清洗、保養(yǎng)及保管工作，可進行標準化控制，降低強度、節(jié)省勞動時間。另外，本設計采取的是氣動擦拭方式，這種方式原理簡單、可靠性高、安全性能好，并且操作方便、使用壽命長、維護成本低，所以其經(jīng)濟性和環(huán)保方面都十分不錯。因此，設計制作完成小口徑防空火炮內膛往復振動式氣動擦拭機器人，并進行實裝擦拭實際運用，可以顯著提高火炮的清潔效果，并且其維護保養(yǎng)和身管壽命都可以有效提高。