一种新型发条簧式平衡机计算与设计

陈 雷，李 强

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

一种新型发条簧式平衡机计算与设计

陈 雷，李 强

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

针对遥控武器站的技术需求，提出设计一种新型发条簧式平衡机，根据武器站俯仰部分重力矩的变化规律，利用发条簧和变径轮相结合的理念进行平衡机的计算与设计，使用MATLAB软件计算发条簧的设计参数和变径轮的半径变化曲线，并利用UG软件作图确定平衡机的结构方案，探讨了发条簧式平衡机的工作原理和安装调试方法，对轻型遥控武器站的工程设计具有一定的技术参考价值。

遥控武器站；平衡机；发条簧；变径轮

遥控武器站是近年来国内外竞相发展的一种新型模块化武器系统，一般由车内操控单元和车外全电驱动的无人炮塔组成，车内操控单元包括火控计算机、显示器、操作手柄和控制面板，炮塔之上则集成有武器系统、观瞄系统和伺服系统[1]。当某型机枪安装在武器站上之后，由于观瞄系统和伺服系统安装在摇架下端，所以整个俯仰部分的质心位置处于射击方向的前下方，在射角范围内调整俯仰部分使射击角度逐渐增大，则重力矩也逐渐增大，产生了较大的不平衡力矩，严重地影响射击稳定性，因此设计一款新型的结构紧凑、使用方便的平衡机是十分必要的。

1 遥控武器站结构布置简介

遥控武器站主要包括火力分系统、火控分系统、供配电分系统和配套连接件，如图1所示。

火力分系统则包括武器、托架、摇架、座圈和供输弹机构等[2]。图2为某机枪遥控武器站局部结构图。该遥控武器站中机枪是通过左右缓冲器安装在俯仰机构的摇架上，摇架通过大耳轴结构与托架连接，弹箱供弹时枪弹通过大耳轴中间的进弹托板进入机枪，平衡机安装在大耳轴下方的托架上，并通过钢丝绳连接在大耳轴上的铰接点B，如图3所示。

2 数学模型

为了方便计算发条簧式平衡机的设计参数，有必要建立发条簧式平衡机的数学模型，根据图3可以推导出方便适用的数学公式。为平衡机的调试和分析俯仰部分的受力状态提供一些参考[3]。

如图3所示，平衡机通过钢丝绳NB与回转部分挂接，OW为水平轴，OU为铅垂轴，俯仰部分质心位置G(-65.8,-92.3)处于回转中心O的下前方位置，图示时刻的射击轴线位置与OW轴重合，根据该平衡机设计要求，在不考虑后座部分的运动影响下，重力矩的变化规律由射角可以确定。

射角范围为-10°～60°；

LOB=90 mm;

2.1 重力矩的计算

根据射角变化和三角形运算法则，可知重力矩的计算公式为

Mg=G lcos(54.5-φ)

(1)

式中：φ为射击角度；G为俯仰部分的重量，为1.05 kN。

假设平衡力矩为Mp，则不平衡力矩为

ΔM=Mg-Mp

(2)

由MATLAB编程计算可得重力矩变化规律如图4所示，随着射角的增大，重力矩逐渐增大，因此平衡机提供的拉力矩也应增大才能满足不平衡力矩最小的要求。

2.2 平衡机力的计算

发条簧式平衡机提供的力通过滑轮和钢丝绳作用在武器站的俯仰部分，产生一个逆时针方向的力矩，以抵消重力矩和后座部分质心变化时对自动机的影响，使其始终保持平衡状态。此处只考虑重力矩的抵消问题。

如图3所示，在△OBD中，

(3)

(4)

在△DBN中，DN⊥NB，所以

(5)

则 ∠OBN=∠OBD-∠DBN=

(6)

在△OBN中，过O点做BN的垂线OH⊥BN，则

(7)

2.3 发条簧参数的计算

图6给出了发条簧的工作特性图，从线性区选出适当的一端作为工作段[4]，找出对应的输出力矩Ts2与Ts1和相应的工作圈数n1与n2。Δn=n2-n1即为平衡机工作时绳轮转动的圈数，再根据发条簧输出力矩Ts和理想的平衡机输出力F求出绳轮半径Rs,即Rs=Ts/F。最后核对行程大小，便可以确定出各项参数。

图6中： Tmax为发条弹簧的最大理论转矩；Tsmax为发条弹簧的最大输出转矩；Tsmin为发条弹簧的最小输出转矩；nmax为发条弹簧的最大圈数；n0为发条弹簧空圈数；ng为发条弹簧的工作圈数；nj为发条上紧时的圈数；nz为发条弹簧自由状态时的圈数；n为发条弹簧从自由状态至上紧时的圈数。

已知发条盒的外筒最大安装尺寸为100 mm，俯仰部分的重力矩最大值为119.0 N·m，最小值为51.2 N·m。编写MATLAB程序计算发条簧的设计参数，并拟合最优解，使得选取的发条簧工作圈数中的某一线性区的扭矩变化正好能够抵消射角范围内重力矩的变化。

根据发条盒的安装尺寸和发条带的厚度选取规范，反复调试程序计算最优解，给出发条弹簧的最大输出扭矩为32.5 N·m，取修正系数K=0.78，计算可得发条弹簧带厚度h=1.2 mm，宽度b=80 mm，弹簧自由状态时圈数nz=6.5，弹簧的工作圈数ng=2.5，弹簧带总长度L=2.054 m，发条弹簧轴直径d=36 mm，发条盒内直径D=82 mm。

2.4 变半径绳轮曲线的确定

常见的火炮俯仰部分的重力矩随射角增大是逐渐减小的，平衡机在设计过程中要保证平衡机力矩的变化规律与重力矩的变化一致，才能保证俯仰部分的不平衡力矩最小，而该遥控武器站的摇架俯仰部分的重力矩随射角的增大逐渐增大，发条簧工作时的输出扭矩随射角的增大逐渐减小，因此根据发条簧的实际输出力公式Fs=Ts/Rs知，可以通过逐渐减小平衡机绳轮的半径使平衡机对摇架俯仰部分的力逐渐增大。图7给出了发条簧的线性工作区，选用中间段第2～2.45圈作为平衡机的工作圈数，利用绳轮半径的计算程序进行计算。

图8为通过程序调试计算得出绳轮半径随着射角的变化曲线。

根据绳轮半径随射角的变化和钢丝绳的缠绕长度，利用三角形近似算法求出每一个射角下对应的绳轮转角，然后再根据绳轮半径的变化即可拟合出绳轮的外形轮廓曲线，如图9所示。

3 建模与调试方法

根据以上计算结果，利用三维建模软件UG构建模型并装配，图10为发条簧式平衡机结构图。发条簧带内端固定连接在发条轴上，外端通过扁销连接在发条盒上，发条轴一端靠发条盒后盖板支撑，另一端通过键、蜗轮和蜗杆连接绳轮，安装调试时，将钢丝绳一端连接在俯仰部分大耳轴的铰接点，另一端通过惰轮连接到平衡机绳轮的起始位置，然后转动绳轮上的蜗杆即可，因为蜗杆装在绳轮上，转动蜗杆，蜗杆通过蜗轮、键、轴能够使发条轴与发条簧做相对于绳轮的转动。从图10中A-A视图和B-B视图可以看出，旋转蜗杆使发条轴与发条簧做逆时针方向转动，发条簧就不断上紧，发条簧的输出力矩不断增加，但是在到达要求的工作点之前，由于发条簧的输出力矩小于俯仰部分重力作用于平衡机绳轮上的力矩，绳轮是不会转动的。继续转动蜗杆，当发条上紧到超过了要求的工作点时，平衡机的输出力矩大于外力矩，则绳轮便会发生转动，然后仔细转动蜗杆，反复调整几次，找到平衡点的位置[5]。在预调整阶段最好是利用俯仰部分的一个极限位置寻找第1个平衡点，使发条簧的输出扭矩变化正好满足设计要求。

图10结构中的蜗轮蜗杆副在正常工作过程中起着键的作用，发条簧的输出扭矩通过轴、键和蜗轮传递到绳轮上，使绳轮与轴及弹簧做同步转动；在安装、拆卸、调整过程中，转动蜗杆使发条簧相对绳轮做旋转，从而完成发条簧的加载、卸载、调整工作点的任务。

4 结束语

发条簧式平衡机结构简单紧凑，对安装位置和安装空间无特殊要求，这些特点很好地符合了轻型遥控武器站的设计理念，此外，发条簧式平衡机减轻了系统对驱动源的负载，并且能够有效减小武器站俯仰部分的不平衡力矩，对提高射击精度具有一定的作用，对遥控武器站的设计使用和改进升级也具有一定的参考意义。此外，全文阐述的设计方法对于一些轻型大口径武器的平衡机设计也具有一定的技术参考价值。

References)

[1]徐振辉，毛保全，赵俊严，等.遥控武器站功能融合设计思想[J].装甲兵工程学院学报，2010，24(1):53-57. XU Zhenhui，MAO Baoquan，ZHAO Junyan，et al. Function amalgamation design method of remotely operated weapon stations[J].Journal of the Academy of Armored Forces Engineering，2010，24(1)：53-57.(in Chinese)

[2]徐礼，毛保全，徐振辉，等.遥控武器站射击密集度分析平台开发[J].火炮发射与控制学报，2012(3)：18-22. XU Li，MAO Baoquan，XU Zhenhui，et al. Development of the RCWS fire dispersion analysis platform[J].Journal of Gun Launch & Control,2012(3)：18-22.(in Chinese)

[3]康郦，胡月，朱承邦.新型舰炮平衡机的分析与计算[J].中国舰船研究，2009,4(2)：73-78. KANG Li，HU Yue，ZHU Chengbang. Quantitative analysis and calculation of naval gun’s spring equilibrator[J].Chinese Journal of Ship Research，2009,4(2)：73-78.(in Chinese)

[4]秦大同，谢里阳.现代机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011. QIN Datong，XIE Liyang.Modern mechanical design ma-nual[M]. Beijing: Chemical Industry Press,2011.(in Chinese)

[5]王国华.弹簧平衡器[J].测控技术，1986(3)：64-67. WANG Guohua. Spring balancer[J].Measurement and Control Technology，1986(3)：64-67.(in Chinese)

Calculation and Design of a New Clockwork Spring Equilibrator

CHEN Lei，LI Qiang

(School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China)

According to the technological needs of the remote weapon station, the paper puts forward a new type of clockwork spring balance machine, according to the weapon station pitch part of gravitational torque change rule, through the use of the idea of combining clockwork spring with variable dia-meter wheel to calculated and design the equilibrator as well as MATLAB software to calculate the design parameters of the clockwork spring and the curve of variable diameter round radius. UG software construction is used to determine the structure scheme of balancing machine, with the clockwork spring balancing machine working principle and installation and debugging method discussed, which has a certain technological reference value to the improvement of light-weight remotely operated weapon stations upgrade work.

remotely operated weapon stations;balancing machine;clockwork spring;variable dia-meter wheel

2016-08-03

国防科研基金项目资助(A0820132003)

陈雷(1989—)，男，硕士研究生，主要从事武器系统结构设计和动力学仿真技术研究。E-mail：981235903@qq.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.011

TJ203

A

1673-6524(2017)02-0049-05