一种模拟旋转抛射试验装置的结构设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 32 页11 绪论1.1 课题背景子母弹是以均匀散布的子弹覆盖目标，提高有效的杀伤范围的一类武器。子母弹的战术技术要求决定了子弹在目标区上空要呈现均匀的散布状态，而能否达到要求的散布就离不开抛撒技术。子母弹抛撒技术是子母武器系统的关键技术之一。本课题在子母弹技术研究基础上，设计出一种静态地面模拟试验装置（带传动或齿轮传动机构） ，并进行结构优化设计，能够满足系统对该机构的结构强度，对子母弹抛撒技术研究的工程研制提供帮助。弹药抛撒技术是指将不带制导或带制导的子弹药，从炮弹、火箭弹、炸弹和地地战术弹道导弹等载弹中，按预定的作战任务要求抛撒出来的技术。子弹药的抛撒技术也就是子弹药抛撒系统的有关技术弹药抛撒技术是一项很复杂的技术，它涉及到机械学、理论力学、动力学、热力学、流体力学等许多学科方面的问题。具体来说，它涉及到子弹药在母弹中的安装问题、如何从母弹中抛撒出来的问题、子弹药的抛撒高度和抛撒时的初速度/角度、抛撒后弹药的飞行姿态、子弹药抛撒后的分布形状和分布密度、以及子弹药的抛撒方向和子弹药下落路线等一系列技术问题。1.2 子母弹的国内外发展现状20 世纪 80 年代初期，美国波音公司，曾为美国国防高级研究计划局的突击破坏者计划，发展了一种导弹用带动力的子弹药(子导弹)抛撒系统，即T-22 地地战术弹道导弹的子弹药抛撒系统。美军现役的 ATACMS 陆军地地战术弹道导弹的子母战斗部，可能也是采用的这种抛撒系统。该系统是一种后向抛撒系统，它由发射管支撑体(一金属园筒)、发射管、发射管与支撑体连接件、发射管控制杆(铰链连接)、棘轮爪、作动机构、活塞管、点火导线、热气发生器、活塞、活塞杆前平板、气体发生器、棘轮装置、作动器连杆(园柱形)圆形基座等部分组成。每一个发射管装一枚子弹药，其子弹药可以是带制导的，也可以是不带制导的，但是，这种抛撒系统大多被用作带制导子弹药的导弹子母战斗部的抛撒系统。子弹药的抛撒是由母弹弹上携带的微机自动控制的，它可以单发抛撒，也可一组子弹药以齐射方式抛撒。不过，以齐射方式抛撒时，要注意尽量减少抛 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 32 页2撒动作对母弹正常飞行的影响。为了达到较好的毁伤效果, 子弹抛撒需满足如下的基本要求:(l)满足合理的撒布范围。根据毁伤目标的要求和战斗部携带子弹的总数量，从战术使用上提出合理的子弹散布范围，以保证子弹抛出后能覆盖一定大小的面积。实际子弹抛射范围的大小还与开舱的高度有关。(2)达到合理的散布密度。在子弹散布范围内，子弹应尽可能地均匀分布，至少不能出现明显的子弹堆积现象。均匀分布有利于提高对集群装甲目标的命中概率。(3)子弹相互间易于分离。在抛射过程中，要求子弹能相互顺利分开。不允许出现重叠现象，如果子弹分离不开，尾带张不起来，子弹引信就解脱不了保险，这将导致子弹失效。(4)子弹作用性能不受影响。抛射过程中，子弹不得有明显变形，更不能出现殉爆现象，力求避免子弹间的相互碰撞。此外，还要求子弹引信解脱保险可靠，发火率正常，子弹起爆完全性好。1.3 国内外抛撒技术的方法目前国内外抛撒技术主要有一下几种： (1)中心药管式抛射中心爆管抛撒技术是依靠位于母弹中心的爆炸管(装有高装填密度火药或炸药)来提供抛撒动能推动子弹运动的一种抛撒方式。中心爆管(或爆炸)抛撒一般为一次抛撒, 即母体切壳、抛壳、抛子弹一次完成, 子弹的空抛过程是复杂的, 包括了抛撒药燃烧、中心管炸裂、子弹运动、仓体蒙皮破裂等多种现象。子母弹发射后, 到达预定目标上空时, 由战斗部前端装定的时间引信起爆, 点燃点火具中的点火药, 点火药燃烧产生的高温燃气与炽热的固体粒子经过药床中央传火管上的各传火孔喷入抛撒药床, 点燃抛撒药。中心管内抛撒药燃烧释放出高温高压气体, 当压力超过管本身所具有的承压强度极限时, 中心管爆裂, 抛撒药的燃气首先压缩子弹周围的填充物, 将子弹压向四周的蒙皮, 蒙皮约束着子弹，蒙皮破裂，子弹解除约束后, 在中心爆管释放的高温、高压、高速的燃气作用下沿着径向向四周运动, 最终抛撒出母体。中心爆管子母弹优点就是结构简单、动作可靠、抛速高,可以使内外层子弹间具有一定的速度梯度顺序抛出,使 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 32 页3内、外层子弹散布均匀, 特别适合于多子弹的中、大弹径的杀伤爆破子母弹使用, 但不足的是在爆炸抛撒过程中, 子弹承受的冲击过载相当高, 加速度一般为几万甚至十几万个g, 而且这种过载具有高峰值、短脉宽的特征, 如果过载问题得不到很好的解决, 那么将会严重的影响母弹内子弹的强度, 使子弹发生明显变形, 也可能冲击引爆子弹中的装药, 甚至发生殉爆现象。使用成功的典型结构是美国MLRS火箭子母弹战斗部，远程子母弹囊式抛撒结构设计及计算机仿真技术每发火箭携带子弹644枚。一般子弹排列不多于两圈。如圆柱部外圈排14枚子弹，内圈排7枚子弹。战斗部中心部位装有药管。时间引信作用引起中心药柱爆燃后，冲击波既使壳体沿全长开裂，又将子弹向四周抛出。(2)燃气囊抛射燃气囊抛撒技术是利用气囊充气膨胀推动子弹运动的一种抛撒方式。主要是利用气囊来延长燃气对子弹的有效作用时间, 达到子弹平缓加载的目的, 其抛撒过载一般可以控制在不大于2000 个g 的范围内。它是一种较为理想的子母弹抛撒结构, 具有广泛的应用前景。囊式抛撒方式根据燃气发生室在气囊的内外可分为内燃式和外燃式两种形式。使用这种抛射结构的典型产品是英国的BL755航空子母炸弹。共携带小炸弹147枚，分装在7个隔舱中。小炸弹外缘用钢带束住，小炸弹内侧配有气囊。当燃气囊充气时，子弹顶紧钢带，使其从薄弱点断裂，解除约束。在燃气囊弹力的作用下，147枚小炸弹以不同的方向，不同的名义速度抛出，以保证子弹散布均匀。(3)母弹高速旋转下的离心抛射。这种抛射方式，对于一切旋转的母弹，不论转速的高低，均能起到使子弹飞散的作用。特别是对于火炮子母弹转速高达每分钟数千转，以至上万转时，则起到主要的乃至全部的抛射作用。(4)机械式分离抛射这种抛射方式是在子弹被抛出过程中，通过导向杆或拨簧等机构的作用，赋予子弹沿战斗部径向分离的分力。导向杆机构己经成功的使用在122mm火箭子母弹上。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 32 页4(5)燃气侧向活塞抛射燃气活塞式抛撒技术是利用火药在燃烧室燃烧产生的火药气体压力推动活塞和子弹运动的抛撒方式。根据燃烧室的结构可分为单燃烧室和双燃烧室两种形式。这种方式主要用于子弹直径较大的情况，如美MLRS火箭末端敏感子母战斗部所用的抛射机构。前后相接的一对末敏子弹，在侧向活塞的推动下，垂直弹轴沿相反方向抛出(互成130度)。每一对子弹的抛射方向又有变化，对整个战斗部而言，子弹向四周各方向均有抛出。(6)子弹气动力抛射通过改变子弹气动力参数，使子弹之间空气阻力有差异，以达到使子弹飞散的目的。这种方式已在国外的一些产品中使用。在国外的炮射子母弹上，就有意地装入两种不同长度尾带的子弹;在航空杀伤子母弹中，采用由铝瓦稳定的改制手榴弹作的小杀伤炸弹，抛射后靠铝瓦稳定方位的随机性，从而使子弹达到均匀散开的日的。(7)微机控制程序抛射应用于大型导弹子母弹上。由单片机控制开舱与抛射的全过程，子弹按既定程序分期分批以不同的速度抛出，以得到预期的抛射效果。1.4 本文主要的研究内容本文是关于某型集束弹药的研究，目的是设计出一种静态地面模拟试验装置，全文的主要任务包含以下几个方面：（1） 模拟试验装置的理论设计计算与校核；（2） 传动系统设计；（3） 撞击部分设计；（4） 模拟旋转抛射试验装置整体结构设计。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 32 页52 模拟试验装置的整体结构设计2.1 基本设计思想模拟试验装置的整体结构设计如图 2.1。图 2.1 模拟试验装置的整体结构设计整个机构工作原理是先拉动后面的操作轮盘，向右拉手轮，动力弹簧被压缩，存储发射能量，发射距离和初速度决定所需的能量，也就是弹簧的压缩量，由主轴上的刻度，很容易定位。释放时弹簧的弹性势能转换成撞针的动能，完成撞击，后面的阻尼弹簧是发射的时候，防止手轮撞坏。炮弹部分是靠主轴的旋转带动炮弹旋转。经过两大块的结合可以很好的完成模拟旋转抛射试验。整个装置设计思路清晰，手轮拉压弹簧模拟发射的设计方案新颖实用，机构设计和布局合理，装置结构较简单，但是能很好的达到模拟旋转抛射试验的预期效果。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 32 页62.2 元件的介绍和确定2.2.1 弹簧弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件。一般用弹簧钢制成。用以控制机件的运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量、测量力的大小等，广泛用于机器、仪表中。弹簧的种类复杂多样，按形状分，主要有螺旋弹簧、涡卷弹簧、板弹簧等。按 受 力 性 质 ， 弹 簧 可 分 为 拉 伸 弹 簧 、 压 缩 弹 簧 、 扭 转 弹 簧 和 弯 曲 弹 簧 ；按 形 状 可 分 为 碟 形 弹 簧 、 环 形 弹 簧 、 板 弹 簧 、 螺 旋 弹 簧 、 截 锥 涡 卷 弹 簧 以 及扭 杆 弹 簧 等 。 普 通 圆 柱 弹 簧 由 于 制 造 简 单 ， 且 可 根 据 受 载 情 况 制 成 各 种 型 式 ，结 构 简 单 ， 故 应 用 最 广 。 弹 簧 的 制 造 材 料 一 般 来 说 应 具 有 高 的 弹 性 极 限 、 疲劳 极 限 、 冲 击 韧 性 及 良 好 的 热 处 理 性 能 等 ， 常 用 的 有 碳 素 弹 簧 钢 、 合 金 弹 簧钢 、 不 锈 弹 簧 钢 以 及 铜 合 金 、 镍 合 金 和 橡 胶 等 。 弹 簧 的 制 造 方 法 有 冷 卷 法和 热 卷 法 。 弹 簧 丝 直 径 小 于 8 毫 米 的 一 般 用 冷 卷 法 ， 大 于 8 毫 米 的 用 热 卷法 。 有 些 弹 簧 在 制 成 后 还 要 进 行 强 压 或 喷 丸 处 理 ， 可 提 高 弹 簧 的 承 载 能 力 。螺 旋 弹 簧 即 扭 转 弹 簧 ， 是 承 受 扭 转 变 形 的 弹 簧 ， 它 的 工 作 部 分 也 是 密 绕成 螺 旋 形 。 扭 转 弹 簧 的 端 部 结 构 是 加 工 成 各 种 形 状 的 扭 臂 ， 而 不 是 勾 环 。 扭转 弹 簧 常 用 于 机 械 中 的 平 衡 机 构 ， 在 汽 车 、 机 床 、 电 器 等 工 业 生 产 中 广 泛应 用 。 示 意 图 如 下 ： 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 32 页7图 2.2 螺旋弹簧拉 伸 弹 簧 是 承 受 轴 向 拉 力 的 螺 旋 弹 簧 ， 拉 伸 弹 簧 一 般 都 用 圆 截 面 材 料 制造 。 在 不 承 受 负 荷 时 ， 拉 伸 弹 簧 的 圈 与 圈 之 间 一 般 都 是 并 紧 的 没 有 间 隙 。示 意 图 如 下 ：图 2.3 拉伸弹簧 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 32 页8压 缩 弹 簧 是 承 受 向 压 力 的 螺 旋 弹 簧 ， 它 所 用 的 材 料 截 面 多 为 圆 形 ， 也 有用 矩 形 和 多 股 钢 萦 卷 制 的 ， 弹 簧 一 般 为 等 节 距 的 ， 压 缩 弹 簧 的 形 状 有 ： 圆 柱形 、 圆 锥 形 、 中 凸 形 和 中 凹 形 以 及 少 量 的 非 圆 形 等 ， 压 缩 弹 簧 的 圈 与 圈 之 间有 一 定 的 间 隙 ， 当 受 到 外 载 荷 时 弹 簧 收 缩 变 形 ， 储 存 变 形 能 。 示 意 图 如 下 ：图 2.4 压缩弹簧扭 力 弹 簧 利 用 杠 杆 原 理 ， 通 过 对 材 质 柔 软 、 韧 度 较 大 的 弹 性 材 料 的 扭 曲或 旋 转 ， 使 之 具 有 极 大 的 机 械 能 。 示 意 图 如 下 ： 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 32 页9图 2.5 扭力弹簧本设计选用刚度为常数的圆柱螺旋弹簧，具体参数详见装置设计部分。2.2.2 步进电机步 进 电 机 是 将 电 脉 冲 信 号 转 变 为 角 位 移 或 线 位 移 的 开 环 控 制 元 件 。 在 非超 载 的 情 况 下 ， 电 机 的 转 速 、 停 止 的 位 置 只 取 决 于 脉 冲 信 号 的 频 率 和 脉 冲 数 ，而 不 受 负 载 变 化 的 影 响 ， 当 步 进 驱 动 器 接 收 到 一 个 脉 冲 信 号 ， 它 就 驱 动 步 进电 机 按 设 定 的 方 向 转 动 一 个 固 定 的 角 度 ， 称 为 “步 距 角 ”， 它 的 旋 转 是 以固 定 的 角 度 一 步 一 步 运 行 的 。 可 以 通 过 控 制 脉 冲 个 数 来 控 制 角 位 移 量 ， 从 而达 到 准 确 定 位 的 目 的 ； 同 时 可 以 通 过 控 制 脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和加 速 度 ， 从 而 达 到 调 速 的 目 的 。 由 于 脉 冲 信 号 数 与 步 距 角 的 线 性 关 系 ， 加 上步 进 电 机 只 有 周 期 性 的 误 差 而 无 累 积 误 差 等 特 点 ， 使 得 在 速 度 、 位 置 等 控 制领 域 用 步 进 电 机 来 控 制 变 的 非 常 的 简 单 。 步 进 电 机 是 一 种 感 应 电 机 ， 它 的 工 作 原 理 是 利 用 电 子 电 路 ， 将 直 流 电 变成 分 时 供 电 的 ， 多 相 时 序 控 制 电 流 ， 用 这 种 电 流 为 步 进 电 机 供 电 ， 步 进 电 机才 能 正 常 工 作 ， 驱 动 器 就 是 为 步 进 电 机 分 时 供 电 的 ， 多 相 时 序 控 制 器 虽 然 步 进 电 机 已 被 广 泛 地 应 用 ， 但 步 进 电 机 并 不 能 象 普 通 的 直 流 电 机 ，交 流 电 机 在 常 规 下 使 用 。 它 必 须 由 双 环 形 脉 冲 信 号 、 功 率 驱 动 电 路 等 组 成 控 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 32 页10制 系 统 方 可 使 用 。 因 此 用 好 步 进 电 机 却 非 易 事 ， 它 涉 及 到 机 械 、 电 机 、 电 子及 计 算 机 等 许 多 专 业 知 识 。 步 进 电 机 作 为 执 行 元 件 ， 是 机 电 一 体 化 的 关 键 产 品 之 一 , 广 泛 应 用 在各 种 自 动 化 控 制 系 统 中 。 随 着 微 电 子 和 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 步 进 电 机 的 需 求量 与 日 俱 增 ， 在 各 个 国 民 经 济 领 域 都 有 应 用 。现 在 比 较 常 用 的 步 进 电 机 包 括 反 应 式 步 进 电 机 （ VR） 、 永 磁 式 步 进 电机 （ PM） 、 混 合 式 步 进 电 机 （ HB） 和 单 相 式 步 进 电 机 等 。永 磁 式 步 进 电 机 一 般 为 两 相 ， 转 矩 和 体 积 较 小 ， 步 进 角 一 般 为 7.5 度 或 15 度 ； 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 32 页11图 2.6 永磁步进电机反 应 式 步 进 电 机 一 般 为 三 相 ， 可 实 现 大 转 矩 输 出 ， 步 进 角 一 般 为 1.5度 ， 但 噪 声 和 振 动 都 很 大 。 反 应 式 步 进 电 机 的 转 子 磁 路 由 软 磁 材 料 制 成 ， 定子 上 有 多 相 励 磁 绕 组 ， 利 用 磁 导 的 变 化 产 生 转 矩 。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 32 页12图 2.7 反 应 式 步 进 电 机混 合 式 步 进 电 机 是 指 混 合 了 永 磁 式 和 反 应 式 的 优 点 。 它 又 分 为 两 相 和 五相 ： 两 相 步 进 角 一 般 为 1.8 度 而 五 相 步 进 角 一 般 为 0.72 度 。 这 种 步 进 电机 的 应 用 最 为 广 泛 。图 2.8 混 合 式 步 进 电 机 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 32 页13通 常 电 机 的 转 子 为 永 磁 体 ， 当 电 流 流 过 定 子 绕 组 时 ， 定 子 绕 组 产 生 一 矢量 磁 场 。 该 磁 场 会 带 动 转 子 旋 转 一 角 度 ， 使 得 转 子 的 一 对 磁 场 方 向 与 定 子 的磁 场 方 向 一 致 。 当 定 子 的 矢 量 磁 场 旋 转 一 个 角 度 。 转 子 也 随 着 该 磁 场 转 一 个角 度 。 每 输 入 一 个 电 脉 冲 ， 电 动 机 转 动 一 个 角 度 前 进 一 步 。 它 输 出 的 角 位 移与 输 入 的 脉 冲 数 成 正 比 、 转 速 与 脉 冲 频 率 成 正 比 。 改 变 绕 组 通 电 的 顺 序 ， 电机 就 会 反 转 。 所 以 可 用 控 制 脉 冲 数 量 、 频 率 及 电 动 机 各 相 绕 组 的 通 电 顺 序 来控 制 步 进 电 机 的 转 动 。本 设 计 选择55BYG002型步进电机，具体参数详见设计部分。2.2.3 传动系统机 械 传 动 是 利 用 机 械 方 式 传 递 动 力 和 运 动 的 传 动 。 机 械 传 动 在 机 械 工 程中 应 用 非 常 广 泛 ,有 多 种 形 式 ,主 要 可 分 为 两 类 ： 靠 机 件 间 的 摩 擦 力 传 递动 力 和 运 动 的 摩 擦 传 动 ， 包 括 带 传 动 、 绳 传 动 和 摩 擦 轮 传 动 等 。 摩 擦 传 动容 易 实 现 无 级 变 速 ,大 都 能 适 应 轴 间 距 较 大 的 传 动 场 合 ,过 载 打 滑 还 能 起 到缓 冲 和 保 护 传 动 装 置 的 作 用 ， 但 这 种 传 动 一 般 不 能 用 于 大 功 率 的 场 合 ， 也 不能 保 证 准 确 的 传 动 比 。 靠 主 动 件 与 从 动 件 啮 合 或 借 助 中 间 件 啮 合 传 递 动 力或 运 动 的 啮 合 传 动 ， 包 括 齿 轮 传 动 、 链 传 动 、 螺 旋 传 动 和 谐 波 传 动 等 。 啮合 传 动 能 够 用 于 大 功 率 的 场 合 ， 传 动 比 准 确 ， 但 一 般 要 求 较 高 的 制 造 精 度 和安 装 精 度 。（一）齿轮传动是 利 用 两 齿 轮 的 轮 齿 相 互 啮 合 传 递 动 力 和 运 动 的 机 械 传动 。 按 齿 轮 轴 线 的 相 对 位 置 分 平 行 轴 圆 柱 齿 轮 传 动 、 相 交 轴 圆 锥 齿 轮 传 动 和交 错 轴 螺 旋 齿 轮 传 动 。 具 有 结 构 紧 凑 、 效 率 高 、 寿 命 长 等 特 点 。齿 轮 传 动 是 指 用 主 、 从 动 轮 轮 齿 直 接 、 传 递 运 动 和 动 力 的 装 置 。在 所 有 的 机 械 传 动 中 ， 齿 轮 传 动 应 用 最 广 ， 可 用 来 传 递 相 对 位 置 不 远 的两 轴 之 间 的 运 动 和 动 力 。齿 轮 传 动 的 特 点 是 ： 齿 轮 传 动 平 稳 ， 传 动 比 精 确 ， 工 作 可 靠 、 效 率 高 、寿 命 长 ， 使 用 的 功 率 、 速 度 和 尺 寸 范 围 大 。 例 如 传 递 功 率 可 以 从 很 小 至 几 十万 千 瓦 ； 速 度 最 高 可 达 300m/s； 齿 轮 直 径 可 以 从 几 毫 米 至 二 十 多 米 。 但 是制 造 齿 轮 需 要 有 专 门 的 设 备 ， 啮 合 传 动 会 产 生 噪 声 。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 32 页14图 2.9 各种齿轮传动（ 二 ） 带 传 动 是 利 用 张 紧 在 带 轮 上 的 柔 性 带 进 行 运 动 或 动 力 传 递 的 一 种机 械 传 动 。 根 据 传 动 原 理 的 不 同 ， 有 靠 带 与 带 轮 间 的 摩 擦 力 传 动 的 摩 擦 型 带传 动 ， 也 有 靠 带 与 带 轮 上 的 齿 相 互 啮 合 传 动 的 同 步 带 传 动 。 带 传 动 具 有 结构 简 单 、 传 动 平 稳 、 能 缓 冲 吸 振 、 可 以 在 大 的 轴 间 距 和 多 轴 间 传 递 动 力 ， 且其 造 价 低 廉 、 不 需 润 滑 、 维 护 容 易 等 特 点 ， 在 近 代 机 械 传 动 中 应 用 十 分 广 泛 。摩 擦 型 带 传 动 能 过 载 打 滑 、 运 转 噪 声 低 ， 但 传 动 比 不 准 确 （ 滑 动 率 在 2%以下 ） ； 同 步 带 传 动 可 保 证 传 动 同 步 ， 但 对 载 荷 变 动 的 吸 收 能 力 稍 差 ， 高 速 运转 有 噪 声 。 带 传 动 除 用 以 传 递 动 力 外 ， 有 时 也 用 来 输 送 物 料 、 进 行 零 件 的整 列 等根 据 用 途 不 同 ， 有 一 般 工 业 用 传 动 带 、 汽 车 用 传 动 带 、 农 业 机 械 用 传 动带 和 家 用 电 器 用 传 动 带 。 摩 擦 型 传 动 带 根 据 其 截 面 形 状 的 不 同 又 分 平 带 、V 带 和 特 殊 带 （ 多 楔 带 、 圆 带 ） 等 。传 动 带 的 种 类 通 常 是 根 据 工 作 机 的 种 类 、 用 途 、 使 用 环 境 和 各 种 带 的 特性 等 综 合 选 定 。 若 有 多 种 传 动 带 满 足 传 动 需 要 时 ， 则 可 根 据 传 动 结 构 的 紧 凑性 、 生 产 成 本 和 运 转 费 用 ， 以 及 市 场 的 供 应 等 因 素 ， 综 合 选 定 最 优 方 案 。（ 三 ） 摩 擦 轮 传 动 是 利 用 两 轮 直 接 接 触 所 产 生 的 摩 擦 力 来 传 递 运 动 和 动力 的 一 种 机 械 传 动 。 其 特 点 :摩 擦 轮 传 动 容 易 实 现 无 级 变 速 ,大 都 能 适 应 轴间 距 较 大 的 传 动 场 合 ,过 载 打 滑 还 能 起 到 缓 冲 和 保 护 传 动 装 置 的 作 用 ， 但 这种 传 动 一 般 不 能 用 于 大 功 率 的 场 合 ， 也 不 能 保 证 准 确 的 传 动 比 。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 32 页15图 2.10 圆柱式摩擦轮传动图 2.11 圆锥式摩擦轮传动综合考虑各种因素，决定选用同步带传动，因为这样步进电机的调速才更有意义。同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达 1:10。允许线速度可达 50M/S，传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达 98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 32 页16本设计传动系统选择圆弧形同步带传动系统，具体参数详见装置设计部分。3 模拟试验装置的理论设计计算和校核3.1 旋转抛射装置旋转轴中心距地面的高度计算根据设计要求“子弹”出膛初速度等于 20m/s，而飞行距离要求是 10m。从而可得“子弹”在空中的飞行时间为：t=0.5s。根据由自由落体运动位移公式：(3.1)12hgt得出在理想状态下旋转轴中心距地面的高度为： 2120.5.1.5mt（ ）因考虑到实际飞行时空气阻力的存在，因而我可取旋转轴中心距地面的实际高度为 。1.2h从而可得旋转轴中心距地面的高度：h=1.2 1.225=1.47(m) 3.2 “子弹”质量计算由设计要求可知：模拟“子弹”半径的 R=30mm，高度 H=60mm。从而根据圆柱体体积公式：(3.2) 2V=RH可得出“子弹”体积：V=3.1415926 60=169645.8( )2303m再由铝合金的密度 =2.75(g/m)，根据质量公式 ：M=V (3.3)得出“子弹”质量：M=V=169645.82.75 310 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 32 页17=0.466(kg)3.3 “子弹”出膛过程中所受旋转轴的滑动摩擦力计算根据计算结果和已知的条件，查机械设计手册得知：在有润滑的情况下钢和铝的滑动摩擦因数 =0.070.15。根据滑动摩擦力计算公式:=G (3.4)f考虑滑动摩擦取最大摩擦因数的最大值: =0.15得出“子弹”出膛过程受旋转轴的滑动摩擦力:=0.466100.15=0.699（N）f3.4 “子弹”被撞击后的瞬时速度 计算v瞬据前面计算可知：“子弹”出膛时：速度 : =20(m/s)v出滑动摩擦力: =0.699（N）f“子弹”质量:M=0.466(kg) 重力加速度取: g=10( )2m/s“子弹”出膛过程在旋转轴内的滑行位移: S=50m（ ）先根据加速度计算公式:a=F/M (3.5) 得出子弹“子弹”出膛过程中的恒定加速度:a=-1.5( )（因为摩擦力起阻力作用所以取负值） 2m/s由速度公式： (3.6) vat出瞬由位移公式： (3.7)21tS瞬结合以上公式得出： ()t2vat出 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 32 页18代入已知数据得到：21attS出=(20+1.5t)t-0.75 2=20t+0.75 2t=0.25(m)从而可求解出：=-26.6721t=0.00499906，2显然时间不可能为负数，因而取：t=0.00499906(s)由公式：(3.8)vat出瞬得出“子弹”被撞击后的瞬时速度： 201.549062.74985m/sv瞬 （ ）3.5 “子弹”被撞击后的瞬时动量计算和瞬时动能计算3.5.1 瞬时动量计算已知 “子弹”被撞击后的瞬时速度：=20.00749859(m/s)v瞬根据动量计算公式：P=Mv (3.9) 得出“子弹”的瞬时动量：0.46620.00749859=9.32349434294（kgm/s）P瞬 3.5.2 瞬时动能计算由（1）可知：“子弹”被撞击后的瞬时动量：9.32349434294（kgm/s）瞬 而由动能计算公式： (3.10)1EPk2v瞬 瞬 瞬 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 32 页19得出“子弹”被撞击后的瞬时动能：= 20.007498599.32349434294 93.269841（J）Ek瞬 12 为了使“子弹飞出去的速度大于 20m/s，考虑到撞针在套筒中运行过程中所受的摩擦力以及在撞击过程中的能量损失，取弹簧压缩到位的弹性势能为1.5 倍 “子弹”被撞击后的瞬时动能（ ） ，即可取 = 。2Ek瞬 E弹 势 140J（ ）3.6 弹簧的设计计算3.6.1 弹簧的选择为了便于设计、计算和安装，选用刚度为常数的圆柱螺旋弹簧，考虑到人的体力，所以要求弹簧的最大工作载荷 ，最小工作载荷2F=80N1F=0N已知弹簧压缩到位的弹性势能要达到 。14J（ ）由于刚度为常数，所以特性曲线为直线，从而有：(3.11)E=2h弹 势h弹簧的工作行程由公式： ，10.58401F弹 势从而可求出弹簧的工作行程： h=0.35(m)。 选择弹簧材料 根据弹簧工作情况 属于类载荷，弹簧的结构尺寸3N34因为 b 超过了许用值，为防止失稳，需在弹簧内加装导杆。3.7 步进电机选型设计计算已知主轴重量 m=21.52kg、电机由转速为零加速到 1500 转/分需要 30 秒,将主轴简化分解成同轴的 5 个部分进行计算如图所示： 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 32 页22图 3.1 主轴由于转动动能: (3.19)21EJk阶梯轴的转动惯量： (3.20)ji每一分部的转动惯量： (3.21)2()2JmRri由下之上： 22221121 m8kg0.54)3.05.(4.350)( rRmJ 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 32 页232222212 m75kg0.6)3.065.(8.950)( rRmJ333 322244214 .48).(.)( rJ 2555 067kg04670Rm总的转动惯量： .5kgm1234JjJJi由于皮带轮的传动比是 2:1，因此电机的转速为 750 转/分，为了计算简单，将转速加速过程当成是匀速加速处理，则角加速度 ：275026.15(rad/s)3t加速过程中电机输出力矩 0.476.15=0.2(N)MJ m 根据计算结果查阅机械设计手册最终选择 55BYG002 型步进电机：3.8 传动系统的方案设计本设计选用机械传动系统。参照同步带选型图，本传动系统选择圆弧形同步带，其型号为 12001508M30，带长为 1200,齿数为 150,模数为 8,带宽为30。其结构设计如图 3.2。型号: 55BYG002相数: 4电压/V: 15相电流/A: 0.44步距角(): 1.8/0.9步进角误差(%): 20每转步数: 200/400每相电阻/: 22每相电感/mH: 90起动频率/pps: 1000运行频率/pps: 1000静态转矩/(Nm): 34.310(-2) 单定位转矩/(Nm): 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 32 页24图 3.2 模拟试验装置传动系统的设计图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 32 页25计算过程如下：根据要求 传动功率 P=10kw主动轴转速 =1500r/min1n从动轴转速 =750r/min2传动比 i=2根据公式 查询载荷修正系数 =1.4 dAPKAK可得 =14kwd根据要求选择带型为 8M 带节距 =8mmbp确定带轮齿数 小带轮： =50 可取 =561minz1z大带轮： 可得 =1122122则 =143mm1bzpd1d=285mm22带速 =11.23m/s160nv根据结构要求取 =305.9a则 =1301mm2101024dLa取标准节线长 =1200mmp则带齿数 =150bZP根据公式 实际轴间距 (3.22)2213/6aMd啮合齿数 (3.23)210.56mzentZa啮合齿数系数 时 =1zKmzK 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 26 页 共 32 页26时 =1-0.2（6- ）6mZzKmZ小带轮包角 2118057.3da得 =254mm =23 =1 =mZzK148由查询可知 =10kw0P由 =20mm =0.91.400dsLZbsbL可得 =29mm s则取宽带标准值 =30mmfb根据公式 紧边张力 =1F250/aPv松边张力 压轴力 12QFK=0.8F可得 =1558N =312N =1496N12Q3.9 撞击部分的方案设计整个撞击部分采用手轮拉压弹簧的工作方式工作，主要由操作手轮、挡块、阻尼弹簧、动力弹簧、套筒和撞击支撑底座等几部分构成。通过压缩弹簧存储发射能量，阻尼弹簧保护手柄和套筒的的损伤。关于撞击部分的设计，考虑我主要设计了两套方案，分别如图 3.3a)和 3.3b)。两种方案的设计基本原理是一致的，但是在撞击的控制上是有差别的。a)图发射过程是当挡块退出套筒，旋转操作轮盘使挡块卡在套筒的壁上，释放时弹簧的弹性势能转换成撞针的动能。b)省去了挡块等部件，采用手轮拉压弹簧后放手后就完成撞击，弹簧的压缩量由主轴上的刻度线决定，根据发射距离和初速度的要求可以随意确定压缩的弹簧的被压的距离。由于这只是模拟实验装置，考虑操作的方便性和装置的加工安装的简易性，在并不影响装置模拟实际效果的情况下，选择方案 b,作为撞击部分的结构设计的最终方案。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 27 页 共 32 页27a）b）图 3.3 模拟试验装置撞击部分的设计原理图 其中手轮的结构图如下： 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 28 页 共 32 页28图 3.4 手轮3.10 本章小结本章主要是对模拟试验装置进行了理论设计计算与校核。为模拟实验装置的结构设计提供理论依据，使设计更加的合理。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 29 页 共 32 页29结论历时两个多月的毕业设计已经完成。在设计过程中，通过对一种模拟旋转抛射试验装置的结构设计的研究，使我全面而深刻的了解和掌握了机械结构设计步骤和原理，对我四年大学的学习做了全面的总结和回顾，也为即将踏入工作岗位的我对做了很好的专业准备。全文首先对集束弹药的概念及现状做了一定的介绍和了解。然后是根据装置的设计要求和药达到的效果，对整个实验装置的进行了理论设计，其中包括旋转抛射装置旋转轴中心距地面的高度计算、 “子弹”质量计算、 “子弹”出膛过程中所受旋转轴的滑动摩擦力计算、 “子弹”被撞击后的瞬时速度计算、 “子弹”被撞击后的瞬时动量计算、 “子弹”被撞击后的瞬时动能计算、弹簧的设计计算和电机选型设计计算电机的选型设计计算等。最后是对模拟旋转抛射试验装置的结构设计，从传动方案的设计选择，撞击部分结构设计方案的比较，最后到整体结构的布局设计。设计思路清楚，设计方案新颖，完全满足设计要求，达到预期的效果。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 30