一種模擬旋轉(zhuǎn)拋射實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一種模擬旋轉(zhuǎn)拋射實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一種模擬旋轉(zhuǎn)拋射實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),一種,模擬,摹擬,旋轉(zhuǎn),拋射,實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),裝置,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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1 緒論
1.1 課題背景
子母彈是以均勻散布的子彈覆蓋目標(biāo)，提高有效的殺傷范圍的一類武器。子母彈的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求決定了子彈在目標(biāo)區(qū)上空要呈現(xiàn)均勻的散布狀態(tài)，而能否達(dá)到要求的散布就離不開拋撒技術(shù)。子母彈拋撒技術(shù)是子母武器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本課題在子母彈技術(shù)研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種靜態(tài)地面模擬試驗(yàn)裝置（帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)），并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對(duì)子母彈拋撒技術(shù)研究的工程研制提供幫助。
彈藥拋撒技術(shù)是指將不帶制導(dǎo)或帶制導(dǎo)的子彈藥，從炮彈、火箭彈、炸彈和地地戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈等載彈中，按預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)要求拋撒出來的技術(shù)。子彈藥的拋撒技術(shù)也就是子彈藥拋撒系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)彈藥拋撒技術(shù)是一項(xiàng)很復(fù)雜的技術(shù)，它涉及到機(jī)械學(xué)、理論力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等許多學(xué)科方面的問題。具體來說，它涉及到子彈藥在母彈中的安裝問題、如何從母彈中拋撒出來的問題、子彈藥的拋撒高度和拋撒時(shí)的初速度/角度、拋撒后彈藥的飛行姿態(tài)、子彈藥拋撒后的分布形狀和分布密度、以及子彈藥的拋撒方向和子彈藥下落路線等一系列技術(shù)問題。
1.2 子母彈的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代初期，美國波音公司，曾為美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局的"突擊破壞者"計(jì)劃，發(fā)展了一種導(dǎo)彈用帶動(dòng)力的子彈藥(子導(dǎo)彈)拋撒系統(tǒng)，即T-22地地戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的子彈藥拋撒系統(tǒng)。美軍現(xiàn)役的ATACMS陸軍地地戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的子母戰(zhàn)斗部，可能也是采用的這種拋撒系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種后向拋撒系統(tǒng)，它由發(fā)射管支撐體(一金屬園筒)、發(fā)射管、發(fā)射管與支撐體連接件、發(fā)射管控制桿(鉸鏈連接)、棘輪爪、作動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞管、點(diǎn)火導(dǎo)線、熱氣發(fā)生器、活塞、活塞桿前平板、氣體發(fā)生器、棘輪裝置、作動(dòng)器連桿(園柱形)圓形基座等部分組成。每一個(gè)發(fā)射管裝一枚子彈藥，其子彈藥可以是帶制導(dǎo)的，也可以是不帶制導(dǎo)的，但是，這種拋撒系統(tǒng)大多被用作帶制導(dǎo)子彈藥的導(dǎo)彈子母戰(zhàn)斗部的拋撒系統(tǒng)。
子彈藥的拋撒是由母彈彈上攜帶的微機(jī)自動(dòng)控制的，它可以單發(fā)拋撒，也可一組子彈藥以齊射方式拋撒。不過，以齊射方式拋撒時(shí)，要注意盡量減少拋撒動(dòng)作對(duì)母彈正常飛行的影響。
為了達(dá)到較好的毀傷效果, 子彈拋撒需滿足如下的基本要求:
(l)滿足合理的撒布范圍。根據(jù)毀傷目標(biāo)的要求和戰(zhàn)斗部攜帶子彈的總數(shù)量，從戰(zhàn)術(shù)使用上提出合理的子彈散布范圍，以保證子彈拋出后能覆蓋一定大小的面積。實(shí)際子彈拋射范圍的大小還與開艙的高度有關(guān)。
(2)達(dá)到合理的散布密度。在子彈散布范圍內(nèi)，子彈應(yīng)盡可能地均勻分布，至少不能出現(xiàn)明顯的子彈堆積現(xiàn)象。均勻分布有利于提高對(duì)集群裝甲目標(biāo)的命中概率。
(3)子彈相互間易于分離。在拋射過程中，要求子彈能相互順利分開。不允許出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，如果子彈分離不開，尾帶張不起來，子彈引信就解脫不了保險(xiǎn)，這將導(dǎo)致子彈失效。
(4)子彈作用性能不受影響。拋射過程中，子彈不得有明顯變形，更不能出現(xiàn)殉爆現(xiàn)象，力求避免子彈間的相互碰撞。此外，還要求子彈引信解脫保險(xiǎn)可靠，發(fā)火率正常，子彈起爆完全性好。
1.3 國內(nèi)外拋撒技術(shù)的方法
目前國內(nèi)外拋撒技術(shù)主要有一下幾種：
(1)中心藥管式拋射
中心爆管拋撒技術(shù)是依靠位于母彈中心的爆炸管(裝有高裝填密度火藥或炸藥)來提供拋撒動(dòng)能推動(dòng)子彈運(yùn)動(dòng)的一種拋撒方式。中心爆管(或爆炸)拋撒一般為一次拋撒, 即母體切殼、拋殼、拋?zhàn)訌椧淮瓮瓿? 子彈的空拋過程是復(fù)雜的, 包括了拋撒藥燃燒、中心管炸裂、子彈運(yùn)動(dòng)、倉體蒙皮破裂等多種現(xiàn)象。子母彈發(fā)射后, 到達(dá)預(yù)定目標(biāo)上空時(shí), 由戰(zhàn)斗部前端裝定的時(shí)間引信起爆, 點(diǎn)燃點(diǎn)火具中的點(diǎn)火藥, 點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馀c熾熱的固體粒子經(jīng)過藥床中央傳火管上的各傳火孔噴入拋撒藥床, 點(diǎn)燃拋撒藥。中心管內(nèi)拋撒藥燃燒釋放出高溫高壓氣體, 當(dāng)壓力超過管本身所具有的承壓強(qiáng)度極限時(shí), 中心管爆裂, 拋撒藥的燃?xì)馐紫葔嚎s子彈周圍的填充物, 將子彈壓向四周的蒙皮, 蒙皮約束著子彈，蒙皮破裂，子彈解除約束后, 在中心爆管釋放的高溫、高壓、高速的燃?xì)庾饔孟卵刂鴱较蛳蛩闹苓\(yùn)動(dòng), 最終拋撒出母體。中心爆管子母彈優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠、拋速高,可以使內(nèi)外層子彈間具有一定的速度梯度順序拋出,使內(nèi)、外層子彈散布均勻, 特別適合于多子彈的中、大彈徑的殺傷爆破子母彈使用, 但不足的是在爆炸拋撒過程中, 子彈承受的沖擊過載相當(dāng)高, 加速度一般為幾萬甚至十幾萬個(gè)g, 而且這種過載具有高峰值、短脈寬的特征, 如果過載問題得不到很好的解決, 那么將會(huì)嚴(yán)重的影響母彈內(nèi)子彈的強(qiáng)度, 使子彈發(fā)生明顯變形, 也可能沖擊引爆子彈中的裝藥, 甚至發(fā)生殉爆現(xiàn)象。
使用成功的典型結(jié)構(gòu)是美國MLRS火箭子母彈戰(zhàn)斗部，遠(yuǎn)程子母彈囊式拋撒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)每發(fā)火箭攜帶子彈644枚。一般子彈排列不多于兩圈。如圓柱部外圈排14枚子彈，內(nèi)圈排7枚子彈。戰(zhàn)斗部中心部位裝有藥管。時(shí)間引信作用引起中心藥柱爆燃后，沖擊波既使殼體沿全長開裂，又將子彈向四周拋出。
(2)燃?xì)饽覓伾?
燃?xì)饽覓伻黾夹g(shù)是利用氣囊充氣膨脹推動(dòng)子彈運(yùn)動(dòng)的一種拋撒方式。主要是利用氣囊來延長燃?xì)鈱?duì)子彈的有效作用時(shí)間, 達(dá)到子彈平緩加載的目的, 其拋撒過載一般可以控制在不大于2000 個(gè)g 的范圍內(nèi)。它是一種較為理想的子母彈拋撒結(jié)構(gòu), 具有廣泛的應(yīng)用前景。囊式拋撒方式根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生室在氣囊的內(nèi)外可分為內(nèi)燃式和外燃式兩種形式。
使用這種拋射結(jié)構(gòu)的典型產(chǎn)品是英國的BL755航空子母炸彈。共攜帶小炸彈147枚，分裝在7個(gè)隔艙中。小炸彈外緣用鋼帶束住，小炸彈內(nèi)側(cè)配有氣囊。當(dāng)燃?xì)饽页錃鈺r(shí)，子彈頂緊鋼帶，使其從薄弱點(diǎn)斷裂，解除約束。在燃?xì)饽覐椓Φ淖饔孟拢?47枚小炸彈以不同的方向，不同的名義速度拋出，以保證子彈散布均勻。
(3)母彈高速旋轉(zhuǎn)下的離心拋射。
這種拋射方式，對(duì)于一切旋轉(zhuǎn)的母彈，不論轉(zhuǎn)速的高低，均能起到使子彈飛散的作用。特別是對(duì)于火炮子母彈轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)，以至上萬轉(zhuǎn)時(shí)，則起到主要的乃至全部的拋射作用。
(4)機(jī)械式分離拋射
這種拋射方式是在子彈被拋出過程中，通過導(dǎo)向桿或撥簧等機(jī)構(gòu)的作用，賦予子彈沿戰(zhàn)斗部徑向分離的分力。導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)己經(jīng)成功的使用在122mm火箭子母彈上。
(5)燃?xì)鈧?cè)向活塞拋射
燃?xì)饣钊綊伻黾夹g(shù)是利用火藥在燃燒室燃燒產(chǎn)生的火藥氣體壓力推動(dòng)活塞和子彈運(yùn)動(dòng)的拋撒方式。根據(jù)燃燒室的結(jié)構(gòu)可分為單燃燒室和雙燃燒室兩種形式。
這種方式主要用于子彈直徑較大的情況，如美MLRS火箭末端敏感子母戰(zhàn)斗部所用的拋射機(jī)構(gòu)。前后相接的一對(duì)末敏子彈，在側(cè)向活塞的推動(dòng)下，垂直彈軸沿相反方向拋出(互成130度)。每一對(duì)子彈的拋射方向又有變化，對(duì)整個(gè)戰(zhàn)斗部而言，子彈向四周各方向均有拋出。
(6)子彈氣動(dòng)力拋射
通過改變子彈氣動(dòng)力參數(shù)，使子彈之間空氣阻力有差異，以達(dá)到使子彈飛散的目的。這種方式已在國外的一些產(chǎn)品中使用。在國外的炮射子母彈上，就有意地裝入兩種不同長度尾帶的子彈;在航空殺傷子母彈中，采用由鋁瓦穩(wěn)定的改制手榴彈作的小殺傷炸彈，拋射后靠鋁瓦穩(wěn)定方位的隨機(jī)性，從而使子彈達(dá)到均勻散開的日的。
(7)微機(jī)控制程序拋射
應(yīng)用于大型導(dǎo)彈子母彈上。由單片機(jī)控制開艙與拋射的全過程，子彈按既定程序分期分批以不同的速度拋出，以得到預(yù)期的拋射效果。
1.4 本文主要的研究內(nèi)容
本文是關(guān)于某型集束彈藥的研究，目的是設(shè)計(jì)出一種靜態(tài)地面模擬試驗(yàn)裝置，全文的主要任務(wù)包含以下幾個(gè)方面：
（1） 模擬試驗(yàn)裝置的理論設(shè)計(jì)計(jì)算與校核；
（2） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
（3） 撞擊部分設(shè)計(jì)；
（4） 模擬旋轉(zhuǎn)拋射試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2 模擬試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 基本設(shè)計(jì)思想
模擬試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2.1。
圖2.1 模擬試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)機(jī)構(gòu)工作原理是先拉動(dòng)后面的操作輪盤，向右拉手輪，動(dòng)力彈簧被壓縮，存儲(chǔ)發(fā)射能量，發(fā)射距離和初速度決定所需的能量，也就是彈簧的壓縮量，由主軸上的刻度，很容易定位。釋放時(shí)彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)換成撞針的動(dòng)能，完成撞擊，后面的阻尼彈簧是發(fā)射的時(shí)候，防止手輪撞壞。炮彈部分是靠主軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)炮彈旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過兩大塊的結(jié)合可以很好的完成模擬旋轉(zhuǎn)拋射試驗(yàn)。
整個(gè)裝置設(shè)計(jì)思路清晰，手輪拉壓彈簧模擬發(fā)射的設(shè)計(jì)方案新穎實(shí)用，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局合理，裝置結(jié)構(gòu)較簡單，但是能很好的達(dá)到模擬旋轉(zhuǎn)拋射試驗(yàn)的預(yù)期效果。
2.2 元件的介紹和確定
2.2.1 彈簧
彈簧是一種利用彈性來工作的機(jī)械零件。一般用彈簧鋼制成。用以控制機(jī)件的運(yùn)動(dòng)、緩和沖擊或震動(dòng)、貯蓄能量、測量力的大小等，廣泛用于機(jī)器、儀表中。彈簧的種類復(fù)雜多樣，按形狀分，主要有螺旋彈簧、渦卷彈簧、板彈簧等。
按受力性質(zhì)，彈簧可分為拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧；按形狀可分為碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板彈簧、螺旋彈簧、截錐渦卷彈簧以及扭桿彈簧等。普通圓柱彈簧由于制造簡單，且可根據(jù)受載情況制成各種型式，結(jié)構(gòu)簡單，故應(yīng)用最廣。彈簧的制造材料一般來說應(yīng)具有高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性及良好的熱處理性能等，常用的有碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、不銹彈簧鋼以及銅合金、鎳合金和橡膠等。彈簧的制造方法有冷卷法和熱卷法。彈簧絲直徑小于8毫米的一般用冷卷法，大于8毫米的用熱卷法。有些彈簧在制成后還要進(jìn)行強(qiáng)壓或噴丸處理，可提高彈簧的承載能力。
螺旋彈簧即扭轉(zhuǎn)彈簧，是承受扭轉(zhuǎn)變形的彈簧，它的工作部分也是密繞成螺旋形。扭轉(zhuǎn)彈簧的端部結(jié)構(gòu)是加工成各種形狀的扭臂，而不是勾環(huán)。扭轉(zhuǎn)彈簧常用于機(jī)械中的平衡機(jī)構(gòu)，在汽車、機(jī)床、電器等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。示意圖如下：
圖2.2 螺旋彈簧
拉伸彈簧是承受軸向拉力的螺旋彈簧，拉伸彈簧一般都用圓截面材料制造。在不承受負(fù)荷時(shí)，拉伸彈簧的圈與圈之間一般都是并緊的沒有間隙。示意圖如下：
圖2.3 拉伸彈簧
壓縮彈簧是承受向壓力的螺旋彈簧，它所用的材料截面多為圓形，也有用矩形和多股鋼縈卷制的，彈簧一般為等節(jié)距的，壓縮彈簧的形狀有：圓柱形、圓錐形、中凸形和中凹形以及少量的非圓形等，壓縮彈簧的圈與圈之間有一定的間隙，當(dāng)受到外載荷時(shí)彈簧收縮變形，儲(chǔ)存變形能。示意圖如下：
圖2.4 壓縮彈簧
扭力彈簧利用杠桿原理，通過對(duì)材質(zhì)柔軟、韌度較大的彈性材料的扭曲或旋轉(zhuǎn)，使之具有極大的機(jī)械能。示意圖如下：
圖2.5 扭力彈簧
本設(shè)計(jì)選用剛度為常數(shù)的圓柱螺旋彈簧，具體參數(shù)詳見裝置設(shè)計(jì)部分。
2.2.2 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于脈沖信號(hào)數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。
步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器
雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。
永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度 或15度；
圖2.6 永磁步進(jìn)電機(jī)
反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
圖2.7 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為 0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。
圖2.8 混合式步進(jìn)電機(jī)
通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。該磁場會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場方向與定子的磁場方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
本設(shè)計(jì)選擇55BYG002型步進(jìn)電機(jī)，具體參數(shù)詳見設(shè)計(jì)部分。
2.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)
機(jī)械傳動(dòng)是利用機(jī)械方式傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)在機(jī)械工程中應(yīng)用非常廣泛,有多種形式,主要可分為兩類：①靠機(jī)件間的摩擦力傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的摩擦傳動(dòng)，包括帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)和摩擦輪傳動(dòng)等。摩擦傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速,大都能適應(yīng)軸間距較大的傳動(dòng)場合,過載打滑還能起到緩沖和保護(hù)傳動(dòng)裝置的作用，但這種傳動(dòng)一般不能用于大功率的場合，也不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。②靠主動(dòng)件與從動(dòng)件嚙合或借助中間件嚙合傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)的嚙合傳動(dòng)，包括齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)和諧波傳動(dòng)等。嚙合傳動(dòng)能夠用于大功率的場合，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，但一般要求較高的制造精度和安裝精度。
（一）齒輪傳動(dòng)是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。按齒輪軸線的相對(duì)位置分平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、相交軸圓錐齒輪傳動(dòng)和交錯(cuò)軸螺旋齒輪傳動(dòng)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長等特點(diǎn)。
齒輪傳動(dòng)是指用主、從動(dòng)輪輪齒直接、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的裝置。
在所有的機(jī)械傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最廣，可用來傳遞相對(duì)位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。
齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)是：齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大。例如傳遞功率可以從很小至幾十萬千瓦；速度最高可達(dá)300m/s；齒輪直徑可以從幾毫米至二十多米。但是制造齒輪需要有專門的設(shè)備，嚙合傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲。
圖2.9 各種齒輪傳動(dòng)
（二）帶傳動(dòng)是利用張緊在帶輪上的柔性帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力傳遞的一種機(jī)械傳動(dòng)。根據(jù)傳動(dòng)原理的不同，有靠帶與帶輪間的摩擦力傳動(dòng)的摩擦型帶傳動(dòng)，也有靠帶與帶輪上的齒相互嚙合傳動(dòng)的同步帶傳動(dòng)。 帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳遞動(dòng)力，且其造價(jià)低廉、不需潤滑、維護(hù)容易等特點(diǎn)，在近代機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用十分廣泛。摩擦型帶傳動(dòng)能過載打滑、運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低，但傳動(dòng)比不準(zhǔn)確（滑動(dòng)率在2%以下）；同步帶傳動(dòng)可保證傳動(dòng)同步，但對(duì)載荷變動(dòng)的吸收能力稍差，高速運(yùn)轉(zhuǎn)有噪聲。 帶傳動(dòng)除用以傳遞動(dòng)力外，有時(shí)也用來輸送物料、進(jìn)行零件的整列等
根據(jù)用途不同，有一般工業(yè)用傳動(dòng)帶、汽車用傳動(dòng)帶、農(nóng)業(yè)機(jī)械用傳動(dòng)帶和家用電器用傳動(dòng)帶。摩擦型傳動(dòng)帶根據(jù)其截面形狀的不同又分平帶、V帶和特殊帶（多楔帶、圓帶）等。
傳動(dòng)帶的種類通常是根據(jù)工作機(jī)的種類、用途、使用環(huán)境和各種帶的特性等綜合選定。若有多種傳動(dòng)帶滿足傳動(dòng)需要時(shí)，則可根據(jù)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的緊湊性、生產(chǎn)成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，以及市場的供應(yīng)等因素，綜合選定最優(yōu)方案。
（三）摩擦輪傳動(dòng)是利用兩輪直接接觸所產(chǎn)生的摩擦力來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種機(jī)械傳動(dòng)。其特點(diǎn):摩擦輪傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速,大都能適應(yīng)軸間距較大的傳動(dòng)場合,過載打滑還能起到緩沖和保護(hù)傳動(dòng)裝置的作用，但這種傳動(dòng)一般不能用于大功率的場合，也不能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。
圖2.10 圓柱式摩擦輪傳動(dòng)
圖2.11 圓錐式摩擦輪傳動(dòng)
綜合考慮各種因素，決定選用同步帶傳動(dòng)，因?yàn)檫@樣步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速才更有意義。
同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動(dòng)力。
同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，一般可達(dá)1:10。允許線速度可達(dá)50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。
本設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)選擇圓弧形同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)，具體參數(shù)詳見裝置設(shè)計(jì)部分。
3 模擬試驗(yàn)裝置的理論設(shè)計(jì)計(jì)算和校核
3.1 旋轉(zhuǎn)拋射裝置旋轉(zhuǎn)軸中心距地面的高度計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求“子彈”出膛初速度等于20m/s，而飛行距離要求是10m。
從而可得“子彈”在空中的飛行時(shí)間為：t=0.5s。
根據(jù)由自由落體運(yùn)動(dòng)位移公式：
(3.1)
得出在理想狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)軸中心距地面的高度為：
因考慮到實(shí)際飛行時(shí)空氣阻力的存在，因而我可取旋轉(zhuǎn)軸中心距地面的實(shí)際高度為。
從而可得旋轉(zhuǎn)軸中心距地面的高度：
h=1.21.225=1.47(m)
3.2 “子彈”質(zhì)量計(jì)算
由設(shè)計(jì)要求可知：模擬“子彈”半徑的R=30mm，高度H=60mm。
從而根據(jù)圓柱體體積公式：
(3.2)
可得出“子彈”體積：
V=3.1415926××60=169645.8()
再由鋁合金的密度=2.75(g/m3)，
根據(jù)質(zhì)量公式 ：
M=V· (3.3)
得出“子彈”質(zhì)量：
M=V·
=169645.8×2.75××
=0.466(kg)
3.3 “子彈”出膛過程中所受旋轉(zhuǎn)軸的滑動(dòng)摩擦力計(jì)算
根據(jù)計(jì)算結(jié)果和已知的條件，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得知：
在有潤滑的情況下鋼和鋁的滑動(dòng)摩擦因數(shù)=0.07～0.15。
根據(jù)滑動(dòng)摩擦力計(jì)算公式:
=G· (3.4)
考慮滑動(dòng)摩擦取最大摩擦因數(shù)的最大值:=0.15
得出“子彈”出膛過程受旋轉(zhuǎn)軸的滑動(dòng)摩擦力:
=0.466×10×0.15=0.699（N）
3.4 “子彈”被撞擊后的瞬時(shí)速度計(jì)算
據(jù)前面計(jì)算可知：“子彈”出膛時(shí)：
速度 : =20(m/s)
滑動(dòng)摩擦力:=0.699（N）
“子彈”質(zhì)量:M=0.466(kg)
重力加速度取: g=10()
“子彈”出膛過程在旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)的滑行位移:
先根據(jù)加速度計(jì)算公式:
a=F/M (3.5)
得出子彈“子彈”出膛過程中的恒定加速度:
a=-1.5()（因?yàn)槟Σ亮ζ鹱枇ψ饔盟匀∝?fù)值）
由速度公式：
(3.6)
由位移公式：
(3.7)
結(jié)合以上公式得出：
代入已知數(shù)據(jù)得到：
=(20+1.5t)t-0.75
=20t+0.75
=0.25(m)
從而可求解出：
=-26.672
=0.00499906，
顯然時(shí)間不可能為負(fù)數(shù)，因而?。?
t=0.00499906(s)
由公式：
(3.8)
得出“子彈”被撞擊后的瞬時(shí)速度：
3.5 “子彈”被撞擊后的瞬時(shí)動(dòng)量計(jì)算和瞬時(shí)動(dòng)能計(jì)算
3.5.1 瞬時(shí)動(dòng)量計(jì)算
已知 “子彈”被撞擊后的瞬時(shí)速度：
=20.00749859(m/s)
根據(jù)動(dòng)量計(jì)算公式：
P=M·v (3.9)
得出“子彈”的瞬時(shí)動(dòng)量：
0.466×20.00749859=9.32349434294（kg·m/s）
3.5.2 瞬時(shí)動(dòng)能計(jì)算
由（1）可知：“子彈”被撞擊后的瞬時(shí)動(dòng)量：
9.32349434294（kg·m/s）
而由動(dòng)能計(jì)算公式： (3.10)
得出“子彈”被撞擊后的瞬時(shí)動(dòng)能：
=×20.00749859×9.3234943429493.269841（J）
為了使“子彈飛出去的速度大于20m/s，考慮到撞針在套筒中運(yùn)行過程中所受的摩擦力以及在撞擊過程中的能量損失，取彈簧壓縮到位的彈性勢能為1.5倍 “子彈”被撞擊后的瞬時(shí)動(dòng)能（），即可取=。
3.6 彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.6.1 彈簧的選擇
為了便于設(shè)計(jì)、計(jì)算和安裝，選用剛度為常數(shù)的圓柱螺旋彈簧，考慮到人的體力，所以要求彈簧的最大工作載荷，最小工作載荷
已知彈簧壓縮到位的彈性勢能要達(dá)到。
由于剛度為常數(shù)，所以特性曲線為直線，從而有：
(3.11)
h——彈簧的工作行程
由公式：，
從而可求出彈簧的工作行程： h=0.35(m)。
選擇彈簧材料 根據(jù)彈簧工作情況屬于Ⅲ類載荷，彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸不限，故選用碳素彈簧鋼絲，B級(jí)。
3.6.2 彈簧鋼絲直徑的計(jì)算
因彈簧材料的力學(xué)性能與直徑有關(guān)，故只能用試算法。
根據(jù)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，初估彈簧鋼絲直徑，旋繞比。查得抗拉強(qiáng)度、許用應(yīng)力，求曲度系數(shù)K。
(3.12)
由公式求d；
(3.13)
計(jì)算結(jié)果與初估直徑很接近，根據(jù)手冊取標(biāo)準(zhǔn)直徑d=5mm。
中徑。根據(jù)手冊取標(biāo)準(zhǔn)
則。
重算K和d
實(shí)取標(biāo)準(zhǔn)d=5mm，mm（C=9）
3.6.3 彈簧有效圈數(shù)的計(jì)算
已知彈簧在最大載荷作用下的壓縮變形
根據(jù)手冊查得切變模量
根據(jù)公式：
(3.14)
取
因?yàn)槭菈嚎s彈簧，所以取兩端的支承圈各為1圈并緊磨平，從而可得：彈簧總?cè)Γ?
3.6.4 彈簧主要幾何尺寸的計(jì)算
初定節(jié)距 取
初定彈簧自由長度
mm (3.15)
根據(jù)手冊取標(biāo)準(zhǔn) mm
實(shí)際節(jié)距 (3.16)
驗(yàn)算在最大載荷作用下的簧圈間距
(3.17)
彈簧螺旋升角
(3.18)
內(nèi)徑
外徑
簧絲展開長度 mm
3.6.5 驗(yàn)算彈簧的穩(wěn)定性
因?yàn)閎超過了許用值，為防止失穩(wěn)，需在彈簧內(nèi)加裝導(dǎo)桿。
3.7 步進(jìn)電機(jī)選型設(shè)計(jì)計(jì)算
已知主軸重量m=21.52kg、電機(jī)由轉(zhuǎn)速為零加速到1500轉(zhuǎn)/分需要30秒,將主軸簡化分解成同軸的5個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算如圖所示：
圖3.1 主軸
由于轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能: (3.19)
階梯軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： (3.20)
每一分部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： (3.21)
由下之上：
總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
由于皮帶輪的傳動(dòng)比是2:1，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分，
為了計(jì)算簡單，將轉(zhuǎn)速加速過程當(dāng)成是勻速加速處理，則角加速度 ：
加速過程中電機(jī)輸出力矩
根據(jù)計(jì)算結(jié)果查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊最終選擇55BYG002型步進(jìn)電機(jī)：
型號(hào): 55BYG002
相數(shù): 4
電壓/V: 15
相電流/A: 0.44
步距角(°): 1.8/0.9
步進(jìn)角誤差(%): ±20
每轉(zhuǎn)步數(shù): 200/400
每相電阻/Ω: 22
每相電感/mH: 90
起動(dòng)頻率/pps: 1000
運(yùn)行頻率/pps: 1000
靜態(tài)轉(zhuǎn)矩/(N·m): 34.3×10^(-2) 單
定位轉(zhuǎn)矩/(N·m):
3.8 傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)選用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。參照同步帶選型圖，本傳動(dòng)系統(tǒng)選擇圓弧形同步帶，其型號(hào)為1200×150×8M×30，帶長為1200,齒數(shù)為150,模數(shù)為8,帶寬為30。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3.2。
圖3.2 模擬試驗(yàn)裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖
計(jì)算過程如下：
根據(jù)要求 傳動(dòng)功率P=10kw
主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速=1500r/min
從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速=750r/min
傳動(dòng)比i=2
根據(jù)公式 查詢載荷修正系數(shù)=1.4
可得 =14kw
根據(jù)要求選擇帶型為8M 帶節(jié)距=8mm
確定帶輪齒數(shù) 小帶輪：=50 可取=56
大帶輪： 可得=112
則 =143mm
=285mm
帶速 =11.23m/s
根據(jù)結(jié)構(gòu)要求取=305.9
則 =1301mm
取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長=1200mm
則帶齒數(shù)=150
根據(jù)公式 實(shí)際軸間距 (3.22)
嚙合齒數(shù) (3.23)
嚙合齒數(shù)系數(shù) 時(shí) =1
時(shí) =1-0.2（6-）
小帶輪包角
得 =254mm =23 =1 =
由查詢可知=10kw
由 =20mm =0.9
可得=29mm
則取寬帶標(biāo)準(zhǔn)值=30mm
根據(jù)公式 緊邊張力=
松邊張力
壓軸力
=0.8
可得 =1558N =312N =1496N
3.9 撞擊部分的方案設(shè)計(jì)
整個(gè)撞擊部分采用手輪拉壓彈簧的工作方式工作，主要由操作手輪、擋塊、阻尼彈簧、動(dòng)力彈簧、套筒和撞擊支撐底座等幾部分構(gòu)成。通過壓縮彈簧存儲(chǔ)發(fā)射能量，阻尼彈簧保護(hù)手柄和套筒的的損傷。關(guān)于撞擊部分的設(shè)計(jì)，考慮我主要設(shè)計(jì)了兩套方案，分別如圖3.3a)和3.3b)。
兩種方案的設(shè)計(jì)基本原理是一致的，但是在撞擊的控制上是有差別的。a)圖發(fā)射過程是當(dāng)擋塊退出套筒，旋轉(zhuǎn)操作輪盤使擋塊卡在套筒的壁上，釋放時(shí)彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)換成撞針的動(dòng)能。b)省去了擋塊等部件，采用手輪拉壓彈簧后放手后就完成撞擊，彈簧的壓縮量由主軸上的刻度線決定，根據(jù)發(fā)射距離和初速度的要求可以隨意確定壓縮的彈簧的被壓的距離。由于這只是模擬實(shí)驗(yàn)裝置，考慮操作的方便性和裝置的加工安裝的簡易性，在并不影響裝置模擬實(shí)際效果的情況下，選擇方案b,作為撞擊部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終方案。
a）
b）
圖3.3 模擬試驗(yàn)裝置撞擊部分的設(shè)計(jì)原理圖
其中手輪的結(jié)構(gòu)圖如下：
圖3.4 手輪
3.10 本章小結(jié)
本章主要是對(duì)模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)計(jì)算與校核。為模擬實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，使設(shè)計(jì)更加的合理。
結(jié)論
歷時(shí)兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。在設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)一種模擬旋轉(zhuǎn)拋射試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，使我全面而深刻的了解和掌握了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟和原理，對(duì)我四年大學(xué)的學(xué)習(xí)做了全面的總結(jié)和回顧，也為即將踏入工作崗位的我對(duì)做了很好的專業(yè)準(zhǔn)備。
全文首先對(duì)集束彈藥的概念及現(xiàn)狀做了一定的介紹和了解。然后是根據(jù)裝置的設(shè)計(jì)要求和藥達(dá)到的效果，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)，其中包括旋轉(zhuǎn)拋射裝置旋轉(zhuǎn)軸中心距地面的高度計(jì)算、“子彈”質(zhì)量計(jì)算、“子彈”出膛過程中所受旋轉(zhuǎn)軸的滑動(dòng)摩擦力計(jì)算、“子彈”被撞擊后的瞬時(shí)速度計(jì)算、“子彈”被撞擊后的瞬時(shí)動(dòng)量計(jì)算、“子彈”被撞擊后的瞬時(shí)動(dòng)能計(jì)算、彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算和電機(jī)選型設(shè)計(jì)計(jì)算電機(jī)的選型設(shè)計(jì)計(jì)算等。
最后是對(duì)模擬旋轉(zhuǎn)拋射試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)選擇，撞擊部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的比較，最后到整體結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路清楚，設(shè)計(jì)方案新穎，完全滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期的效果。
致謝
本論文是在郭銳老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。承蒙郭銳老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)，雖然有繁忙的工作，但仍抽出大量時(shí)間給予我學(xué)習(xí)上的指導(dǎo)和幫助，郭老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的科學(xué)作風(fēng)將使我終身受益，值得永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)。在此謹(jǐn)向郭銳老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝!
本課程的完成和論文的準(zhǔn)備中，得到了其他同學(xué)和單位實(shí)驗(yàn)室的幫助和支持，對(duì)他們及在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，曾經(jīng)給予本人關(guān)心和幫助的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)、朋友， 也對(duì)一直支持我學(xué)業(yè)和生活的家人，在此表示最誠摯的謝意！
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