基于便携式取滚珠装置擒纵控制及电磁环境结构设计与计算

爨红亮 李庆全

摘要：起重设备、重型炮塔之所以能360度旋转是由于炮塔与车体之间安装有压力轴承，维修时须将滚珠取出才能使上、下座圈分离。通过擒纵控制技术设计出便携式取滚珠装置，能够取代费力费时的传统工具，可高效、快速取出压力轴承的滚珠，不仅能降低的劳动强度，提高工作效率，并可避免相关的零部件出现损坏，具有很高的实际使用价值。

关键词：控制电路；设计计算

1.技术背景

起重设备或重型炮塔之所以能够360度旋转是由于起重设备或重型炮塔与车体之间安装有压力轴承，通常压力轴承分别由上座圈、滚珠、下座圈组成，并通过滚珠将上、下座圈连接为一体。上座圈连接起重设备或炮塔，下座圈连接车体。拆卸时必须将滚珠取出才能使上、下座圈分离。 由于该部分机构外露，易 受到灰尘、砂石颗粒、雨、海水进入而使得滚珠、轨道锈蚀而影响炮塔旋转，因此在平时的维护保养时，经常需要对轴承上下座圈轨道进行清洗和滚珠更换，由于起重设备、坦克炮塔座圈的尺寸大，滚珠数量多（滚珠直径一般为25mm，数量通常100个以上），且取出滚珠的通道的出口周边具有很多会妨碍人们活动的装置，传统的滚珠取出工具既费力又费时，导致取出滚珠的工作劳动强度大，工作效率也很低，还容易造成相关的零部件出现损坏等情况。本设计在于通过擒纵控制机构的研究和设计，提供一种可高效、快速取出位于起重设备或重型炮塔与车体之间压力轴承的滚珠，降低取出工作的劳动强度，提高工作效率，并可避免相关的零部件出现损坏的便携式坦克炮塔座圈滚珠提取装置。

2.擒纵控制电路原理

如图1所示，擒纵控制电路由检测开关、整形电路、驱动电路、继电器、及线圈5部分组成。

擒纵控制电路原理为当永久磁铁磁力吸附金属弹子时，金属弹子接触位于永久磁铁表面的检测开关，检测开关产生开关信号，开关信号通过整形电路，去触开关信号的毛刺，整形处理后的开关信号控制继电器吸合，使电源电压通过继电器加载于线圈上，线圈与磁罐及衔铁共同构成电磁铁，电磁铁线圈通电后，对衔铁产生产生电磁吸合力，带动连接在衔铁的擒纵杆一起运动，将金属弹子取出，金属弹子快速运动到机械卡槽时，靠运动势能将弹子与永久磁铁剥离；当弹子脱离永久磁铁时，检测开关开关信号发生变化，经整形电路整形，驱动电路驱动后，关断继电器，电磁铁线圈断电，靠弹簧力将擒纵杆推回原位，完成一个擒纵行程。

其中，所述检测开关可以是：电容式接触、电感式接触开关、光电接触开关及机械式接触开关5种类型。

3.检测计数电路原理

如图2所示，所述检测计数电路由反射式光电开关、十进制计数器、七段译码器及数码管四部分组成。

当金属弹子通过所述反射式光电开关时，产生一开关脉冲信号，脉冲信号会触发十进制计数器加1，十进制计数器输出与七段译码器的输入相连，十进制计数器累加结果经过七段译码器译码后，形成BCD码，而后送入数码管进行显示，数码管显示的是十进制计数器对通过弹子数的计数结果。

4.电磁铁磁力与线圈匝数的设计计算

4.1磁力罐筒设计结构及磁力计算

右下图3所示的为磁力罐基本设计形式，产磁罐筒设计为全封闭的管式结构，分别由磁罐（工业纯铁）、电磁线圈、衔铁组成。

由以上所描述的擒纵控制电路，控制衔铁的功能性轴向移动。通常采用常规电磁铁吸力计算公式（式1）进行实际计算和和功能性设计：

（式1）

式（1）中各参数为：

F —— 为电磁铁吸力（公斤）；

R —— 为衔铁半径（厘米）；

δ—— 为衔铁的最大行程（厘米）；

μ0 —— 为空气导磁系数，其值为1.25×10-8亨/厘米；

z —— 为衔铁插入线圈的长度（厘米）；

lc —— 为磁罐内壁的高度（厘米）；

IW —— 为安匝数（安匝）。其中，

I —— 为流过线圈的直流电流（安培），

W —— 为线圈匝数（匝）。

G —— 为单位长度上的磁导，叫做比磁导（亨/厘米），计算公式如为：

4.2 计算比磁导g

比磁导指单位面积的磁导，可通过（ 式2 ）进行计算

（ 式2 ） 式2中 d —— 为衔铁直径（厘米）；c —— 为磁罐内壁直径（厘米）。

可以看出，式1、式2中，r、d、δ、z、lc及c 6个参数均由磁罐的结构决定，当磁罐结构设计完成后，6个参数均为固定值，且μ0为常系数。

4.3常系数K的计算确定

取常系数：

（ 式3 ） 则式1转换为式4：

（ 式4 ）

所以，当磁罐尺寸确定后，吸合力F、线圈电流I和线圈匝数W三个参数按照4式进行计算。

4.4抓取弹子全行程的最大拉力确定吸合力F

根据力平衡原理第4步骤的计算公式为：

（ 式5 ）

其中

FS1 —— 为随擒纵杆运动的所有部件与取弹子器壳体之间的静态摩擦力；

FS2 —— 为弹子与坦克结构间的静态摩擦力；

FG —— 为擒纵杆弹簧的最大弹力，这个力用来使擒纵杆取弹子后复位，设计中取FG=FS1。

FS1及FS2静态摩擦力计算公式为：

（ 式6 ）

其中 μs —— 为物体间摩擦系数，为与材料有关的常系数，设计选定材料后查表可以获得。

Ni —— 分别为为随擒纵杆运动的所有部件及弹子的重量（公斤）

4.5按照设定的电源功耗确定线圈电流I

采用直流电磁铁，可以用公式7确定线圈电流I：

（ 式7 ）

其中， W —— 为选定电源的输出功率（伏安），按照80%计算。U —— 为电源电压，单位（伏特）。

4.6线圈的截面积的设计计算

线圈的截面积与电流的关系如公式8所示：

（ 式8 ）

其中，j —— 为电流密度（安/毫米2），对于短时间工作的磁铁，取值为12～30安/毫米2，在具体的设计中，j取值为中间值21安/毫米2。

4.7线圈外形设计计算

如图3所示，线圈截面积q、线圈匝数W及线圈外形的关系为：

（ 式9 ）

其中

QM —— 为线圈导线截面的实际面积；

fk —— 为填充系数，这一值决定于导线形状、导线直径、绝缘厚度、绕线方法等，本设计fk取值为0.535。

根据公式9，在线圈截面积q、线圈匝数W确定的前提下，按照选定的外形尺寸c、d，可计算出lc，或根据lc可设计出c与d。

将计算出的线圈外形与磁罐结构尺寸进行比对验算，根据验算结果进行必要的重复计算和调整，得出最优设计计算参数。

以上为基于便携式取滚珠装置擒纵控制电路及磁力罐结构设计与计算，通过设计与计算，为便携式取滚珠装置的整体设计结构及尺寸确定和功能实现，提供了可靠的理论依据和基础设计条件。

参考文献：

[1]王宗培，程树康.步进电机的齿层比磁导法模型[J].电世界， 1988.

[2]刘瑞芳.混合式步进电动机静态力位移特性的分析计算.太原工业大学电机系，1996.

[3]胡之光.电机电磁场的分析与计算[ M] .北京：机械工业出版社，1982.6982.

作者简介：爨红亮（1963.08-），男，学历：本科，职称：装甲兵工程学院试装大队高级实验师，从事专业： 长期从事武器系统与运用工程的教学与研究。