机载导弹弹簧蓄能弹射装置闭锁机构设计

李海军，王殿宇，张　振

(海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台　264001)



机载导弹弹簧蓄能弹射装置闭锁机构设计

李海军，王殿宇，张振

(海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台264001)

摘要：蓄能机构是弹射装置的核心部件，由于使用压缩弹簧作为蓄能部件，需要设计可靠的闭锁机构锁定弹簧的压缩量，以及设计解锁机构使弹射时能在瞬间释放弹射杆，使其作用在悬挂物上完成弹射动作。针对在使用EHA作为弹射驱动能源的条件下，如何设计满足弹射要求合理可靠的蓄能机构的关键，提出了楔形块卡锁设计，并通过力学分析与计算，确定了卡锁的尺寸结构。

关键词：机载导弹；弹簧蓄能；弹射装置；闭锁机构；设计

根据不同的弹射动力源，机载导弹弹射装置可分为“热”弹射和“冷”弹射[1.2]。目前，国内广泛应用的是采用抛放弹作为动力源的“热”弹射装置以及采用高压气瓶作为动力源的“冷”弹射装置。本研究在分析现有弹射装置优缺点的基础上，提出了一种采用EHA(电静液作动器)作为驱动装置，压缩弹簧进行蓄能的新型冷弹射机构。

而利用弹簧蓄能弹射，就必须设计合理可靠的闭锁机构，使弹簧被压缩后能够锁定在所需的压缩长度，以此来获得足够的弹性势能[3-6]。由于采用EHA作为弹簧的压缩动力源，其作动距离可操控，只需要在弹射杆的底部设计闭锁机构，保证在压缩时阻止弹簧向下移动，在弹射时又能够迅速解锁，并且不阻碍弹射杆的回收[7-10]。考虑到电磁铁闭锁机构的不稳定性，采用纯机械结构的楔形块卡锁设计，结构简单可靠。若同样采用纯机械结构的同步解锁机构进行解锁，同步率更高。

1弹射杆整体结构及原理设计

如图1所示，阴影部分为弹射杆外套筒，其作用为保护弹射杆零部件，承受弹簧力以及固定弹射杆。套筒内部即为弹射杆，弹射杆由可伸缩的两级组成。在压缩时，下半部分的二级弹射杆可回缩进一级弹射杆中；弹射时，解锁后二级弹射杆由于弹簧力瞬间作用在悬挂物上完成弹射。

压缩蓄能时，液压杆推动弹射杆顶部金属座下压，当压缩到预定压缩量时，EHA控制液压锁的换向阀移动到中间位，使油路阻塞，固定液压杆停止压缩，如图1的中间形状所示。 弹射时，通过同步解锁机构推动楔形块，解开弹射杆与套筒之间约束，二级弹射杆瞬间弹射作用在悬挂物上，如图1右图所示。

图1　弹射杆压缩原理示意图

弹射杆两端的金属座内部结构如图2所示，两个楔形块被复位弹簧连接，安装在底座中，金属座两端内部设计限位结构，阻止楔形块滑出底座，但不影响楔形块回缩。弹射杆外部套筒上开出如图所示凹槽。当液压杆将金属座压缩到凹槽位置时，由于弹簧力作用，两端的楔形块从金属座伸出，卡在套筒的凹槽中。弹射时，通过挂钩解锁机构，带动连杆推动楔形块两端，使其失去平衡回缩进弹射杆底部金属座中；回收时，液压杆拉动弹射杆向上运动，楔形块受到套筒底部作用力而回缩，直到运动到凹槽处重新伸出并锁住弹射杆，弹射机构回复到初始状态。

图2　弹射杆底部闭锁原理示意图

2楔形块卡锁设计

根据设计需求，楔形块卡锁需要满足以下要求：① 在闭锁的情况下，楔形块必须能承受弹簧的弹力并不发生滑动，将弹射杆锁在套筒内；② 设计合适的自锁角使闭锁时楔形块处于临界自锁状态，在解锁时只需很小的解锁力便能将楔形块推进金属座中；③ 在回收的过程中，需要确保楔形块能够受力回缩进金属座中，不影响回收动作。下面对楔形块进行受力分析。

1)楔形块强度分析

闭锁状态下的楔形块受力分析如图3所示，楔形块受到来自弹簧竖直向下的压力f压、套筒凹槽的支持力fN以及楔形块下端与套筒之间的静摩擦力f。

图3　楔形块闭锁受力分析示意图

根据初始设计参数，弹簧压力的大小为22 120 N，则F压为11 060 N。此时楔形块所受剪切应力主要集中在在面A-B上。根据弹射杆的尺寸，设计楔形块尺寸为30 mm×20 mm×20 mm，参考图3所示，则其受力面积

A=0.03×0.03=9×10-4m2

其所受剪切应力为

τ=f压/A≈122 MPa

2)临界自锁角θ设计

闭锁时，要使楔形块在不发生滑动，那么就必须设计楔形块的下坡度角θ，使得水平方向上摩擦力f的分量大于fN的分量。当楔形块受力达到平衡时，可得方程组

(1)

(2)

其中：fN为弹射杆外套筒对楔形块的支持力；f压为弹射杆底座对楔形块产生的压力；f为套筒与楔形块之间静摩擦力；fmax为其最大静摩擦力，μ为滑动摩擦因数；θ为楔形块下坡度角。

由式(2)可得μ≥tanθ，若选用航空材料中比较常见的铝合金材料的楔形块和套筒，可查得其滑动摩擦因数μ≈0.29，反推可得：当θ≤16.2°时，楔形块水平方向上所受推力始终小于最大静摩擦力，当楔形块的强度足够时，不会与套筒发生相对运动。

解锁时，通过推杆推动两端楔形块，使其失去平衡回缩进弹射杆底座中。此时所受摩擦力为滑动摩擦力，f=fN×μ，代入式(1)可得

(3)

在式(2)中加入推力f推以及弹簧反力f弹，可得解锁时楔形块水平方向受力方程

(4)

由式(3)、式(4)可得

(5)

3)复位弹簧的选取

楔形块之间复位弹簧的作用是为了使楔形块具有伸缩能力，在弹射后能够回复到原来位置。由式(5)可知，弹簧回力将影响解锁力的大小。为了使解锁力足够小，需要选取适宜的复位弹簧。

结合楔形块设计尺寸，选择线粗d=1 mm，长度L=70 mm，外径d=20 mm的弹簧。查阅弹簧手册可知长度为70 mm，线粗1 mm的弹簧通常圈数N0为17圈，有效圈数N可取15。这里选取具有较高的耐磨损，耐腐蚀和防磁性能的锡青铜线作为材料，其切变模量通常为40 000 MPa。又知弹簧刚度系数公式

(6)

其中：G为弹簧材料切变模量；n为弹簧有效圈数；D为弹簧直径；d为弹簧线径。

将已知数据代入式(6)弹簧刚度系数公式，可得：k≈0.041 N/mm。

又知弹簧最大压缩量为δxmax=40 mm，那么回弹力最大为F弹max=kx≈1.6 N。将已知数据代入式(5)可得F推≥13.1 N，故此时最小解锁力只需要13.1 N。

4)回收角α的设计

对楔形块回收过程进行受力分析如图4所示。当弹射杆回收时，楔形块一开始只受到来自金属座的竖直向上的拉力F拉，当楔形块与弹射杆外套筒的内侧边缘接触时，又受到套筒垂直于楔形块接触面的压力F套筒，以及沿着楔形块接触面向外的摩擦力f和弹簧的弹力F弹。

当楔形块发生滑动并完全回缩进金属座中时，在水平方向和竖直方向分别有：

(7)

(8)

其中：fmax为最大静摩擦力，fmax=f套筒μ，μ=0.29；f弹max为复位弹簧最大弹力，由前文可知f弹max=1.6 N。

图4　楔形块回收过程受力分析

同样，为了使回收过程可靠顺利，所需要的F拉也应当尽可能小。由式(7)、式(8)可得

(9)

图5　f拉-α曲线

因此，当设计回收角为α=30°时，只需要12.8 N的拉力就能使楔形块完全回缩，满足回收要求。通过计算，得到楔形块的设计尺寸如图6所示，厚度为20 mm。

图6　楔形块设计尺寸

3结论

本研究首先介绍了弹射杆的整体结构设计及原理，然后根据弹射装置的需求，提出了闭锁机构的设计目标。然后利用材料力学理论分析了楔形块卡锁的强度，在其强度满足前提的条件下再利用力学理论分析与计算了楔形块卡锁的临界自锁角，之后选取了适宜的复位弹簧，最后又通过计算选取了满足回收条件的回收角。本文的研究与设计工作对于弹簧蓄能弹射的研究与实践有着较大的参考价值。

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(责任编辑周江川)

本文引用格式：李海军，王殿宇，张振.机载导弹弹簧蓄能弹射装置闭锁机构设计[J].兵器装备工程学报，2016(5):21-24.

Citation format:LI Hai-jun,WANG Dian-yu，ZHANG Zhen.Design of Locking Mechanism for Airborne Missile Spring Storage and Ejection Device[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):21-24.

Design of Locking Mechanism for Airborne Missile Spring Storage and Ejection Device

LI Hai-jun,WANG Dian-yu，ZHANG Zhen

(Department of Armament Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China)

Abstract:The energy storage mechanism is the core component of the ejection device.Because of the use of a compression spring as an energy storage component,a reliable locking mechanism was required to lock the spring in a specified amount of compression and to design an unlocking mechanism which can release an ejector rod in an instant,so that the action can be accomplished on the suspension.In the condition of using EHA as the driving power,how to design the energy storage mechanism that can meet the requirements of ejection is the key point.According to the requirement,this paper put forward the design of the wedge block,and the size structure of the lock was determined by the mechanics analysis and calculation.

Key words:airborne missile; spring energy storage; ejection device; locking mechanism; design

doi:【装备理论与装备技术】10.11809/scbgxb2016.05.006

收稿日期：2015-11-08；修回日期：2015-12-15

作者简介：李海军(1966—)，男，博士，教授，主要从事航空导弹测试与故障诊断研究。

中图分类号：TJ768；TH122

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0021-04