筒式发射器圆柱凸轮机构设计

郭三学

(武警工程大学装备运输系，陕西 西安 710086)

1 前言

火箭抛锚器是将锚钩以及引绳发射到预定区域的特种装备。为将锚钩及引绳顺利发射和达到预定区域，设计了专用发射筒。使用时，将火箭体携带的锚钩及引绳装置装入发射筒内，旋转外套筒，与外套筒固联的圆柱凸轮机构推动推杆(击针)直线运动，击发火箭弹火帽，引燃火箭发动机装药，从而推动与筒体固连的锚钩装置飞行。因此，凸轮机构精确的行程定位和轮廓线设计是实现弹体击发的关键技术。

2 圆柱凸轮推杆(击针)运动设计

火箭体采用筒体发射结构，为实现发射安全，操作简单，控制机构需设计两个行程位置，一是待发，二是击发回位，两个行程位置在操作中呈周期性。当机构运动到待发位置时，推杆(击针)在弹簧作用下沿轴向有回程，提示操作手做好击发准备，并起保险机构作用。击发时，机构运动到最高行程，在弹簧力作用下，推杆(击针)击发火帽，完成击发，并返回原位。为使推杆与凸轮曲线保持紧密配合，除推杆弹簧作用外，圆柱凸轮曲线沿圆周对称布置，圆柱形推杆底端与凸轮对称曲面接触，在凸轮作用下，沿轴向匀速运动，通过凸轮升程曲线结束并瞬间回程来实现推杆(击针)击发动作，圆柱凸轮结构仿真如图1所示。考虑到凸轮曲线仅仅是推动推杆升程运动，而且采用手动旋转方式，推杆速度低，为了廓形便于成形加工，凸轮廓线选用等速运动规律曲线，位移曲线为斜直线，速度曲线是水平直线。同时，为使发射安全可靠，凸轮旋转具有单向性。

推杆(击针)运动到行程最高位置时，在弹簧力的作用下回位击发火箭弹火帽。假设此能量均由弹簧压缩的势能所产生，根据资料［1］介绍，53式7.62 mm枪弹击针击发火帽所须的能量约为0.8 J，若弹簧刚度系数 k=3.75×103N/m，凸轮行程(弹簧压缩量)设为x，则

得x=20.7 mm。考虑到弹簧能量的损失和机构间的摩擦，为确保击发有足够的能量，凸轮行程设计为25mm。此时弹簧作用在推杆上的力F=kx=3.75×103×25×10－3=93.75 N。

图1 圆柱凸轮结构仿真图Fig.1 Simulation picture of cylindrical cam mechanism

火箭火帽击发前，为确保安全，必须设计保险机构，使操作手知道机构已处于待发位置，击发过程即将开始，避免误操作。通过设计较小的升程曲线并瞬间回程来实现，若凸轮行程设计为25 mm，待发升程设计为10 mm，并取5 mm的回程。这两个行程在一圆周内完成，凸轮曲线在圆周对称分布，其运动规律如图2所示。

图2 凸轮推杆运动规律Fig.2 Motion characteristics of cam pushrod

运动方程为

根据以上运动规律，当凸轮沿顺时针方向转动时，经历了四个阶段，即推杆(击针)由静止到匀速上升，当凸轮转到π/2时，推杆(击针)升程10 mm，然后回程5 mm处于待发位置;当凸轮转到π时，推杆(击针)达到最高位，回程完成击发。从推杆运动规律知，凸轮推杆在π/2和π位置时，由于有速度突变，故加速度值理论上为无穷大，这会使机构产生刚性冲击，但由于构件有弹性和弹簧力作用，机构只能产生有限的惯性力，这种惯性力有助于推杆(击针)回程的瞬间击发，不会对机构产生破坏性的冲击。

3 凸轮廓线设计［2］

圆柱凸轮曲线是在圆柱体上制成的曲线面，为便于圆柱凸轮曲面的加工，节约成本，凸轮材料选用综合性能良好的ABS工程塑料。圆柱凸轮的推杆做往复直线移动，推杆的滚子采用圆柱形，滚子直径4 mm。抛锚弹弹径为38 mm，为使弹体与发射筒方便装配，弹体与发射筒之间间隙定为2 mm。圆柱体凸轮在运动过程中要承受推杆弹簧的作用力和机构运动变化产生的冲击力，所以圆柱凸轮筒体的壁厚选为3 mm，圆柱凸轮筒体外径设计为48 mm。

现将圆柱凸轮的外表面展开在平面上，则得到一个长度为πdp的移动凸轮，其移动速度v=ωdp/2，ω为圆柱凸轮运动时的角速度，ω=dφ/dt，dp=48 mm为圆柱凸轮的外径。设先给此移动凸轮机构以线速度－υ，使之反向移动，这并不影响凸轮与推杆之间的相对运动。但此时，凸轮静止不动，推杆一方面随导轨沿－υ方向移动，同时又在导轨中按推杆位移曲线作预期往复移动，推杆滚子中心在做往复运动中描出的轨迹曲线β0即为凸轮的理论廓形，而一系列滚子圆的包络线β1即为凸轮的实际轮廓线。平面移动的凸轮如图3所示。

图3 平面移动凸轮Fig.3 Plane mobile CAM

根据平面凸轮的实际运动曲线，对凸轮机构的压力角校核如下，凸轮在推程时压力角表达式［3］为

αmax=28°＜［α］，因此凸轮曲线设计符合要求。根据此实际凸轮廓线，加工出的圆柱凸轮如图4a所示，图4b是圆柱凸轮机构与发射筒体的装配图。

图4 圆柱凸轮机构Fig.4 Cylindrical cam mechanism

采用火箭原理是一种新的锚钩发射方式，火箭抛锚器经实际使用，性能稳定，技术指标达到设计要求，现已通过上级部门组织的技术鉴定，图5是发射图。

图5 抛锚器发射图Fig.5 Launching picture of rocket anchor

4 结束语

(1)运用圆柱凸轮作为发射筒的控制机构，实现了对抛锚弹火帽的安全可靠击发;

(2)发射器手握旋转击发，凸轮机构的推杆作为发射器击针，机构简单，操作方便;

(3)圆柱推杆采用等速运动曲线，设计了待发和击发两个行程段，既便于发射保险，又便于适时控制击发过程;

(4)发射筒经实际使用，性能稳定，技术指标达到设计要求。

［1］ 易声耀，张竞．自动武器原理与构造学［M］．北京:国防工业出版社，2009．

［2］ 刘昌祺，牧野洋(日)，曹西京．凸轮机构设计［M］．北京:机械工业出版社，2005．

［3］ 黄华梁，彭文生．机械设计基础［M］．北京:高等教育出版社，2007．