一種行程開關觸發裝置結構設計與運動仿真

莊明， 何鑫， 吳翔

（北京無線電計量測試研究所，北京100854）

一種行程開關觸發裝置結構設計與運動仿真

莊明， 何鑫， 吳翔

（北京無線電計量測試研究所，北京100854）

為實現某導彈型號測試中觸發行程延時開關的一致性和可靠性，設計了一種行程開關觸發裝置，分析了行程開關觸發裝置的機械結構，在ADAMS中建立了虛擬樣機模型，并在ADAMS中進行動力學仿真。仿真分析了電磁鐵吸合力、驅動力矩以及行程位移等參數，仿真結果驗證了行程開關觸發裝置結構設計、實際應用的正確性、可靠性，為電磁鐵型號選擇、行程位移選擇提供參考依據。

行程開關觸發裝置；曲柄滑塊機構；電磁螺線管；ADAMS

0 引言

彈上行程延時開關的作用是在導彈和發射架［1］分離時刻給出分離信號，并給出延時控制信號，保證導彈和發射架正確分離。行程延時開關信號動作的正確性對于導彈和發射架正確分離、導彈順利執行后續指令具有重要意義。行程延時開關的作用決定了其需要精確動作控制來保證信號傳遞的實時性和正確性。以往測試過程中，長期采用人工形式按壓和觸發行程延時開關，每次需要按壓5～10 min，可靠性差，并且操作者一旦操作稍有疏忽就會導致測試過程的失敗，而且有時測試環境具有放射性，人工形式具備不可操作性；還有一種形式是通過給電磁鐵長期加電來吸合行程延時開關，此種方式電磁鐵長期通電能耗大，并且有一定使用壽命［2］，導致需定期更換電磁鐵，使用成本高，可靠性差。

為了解決該問題，本文設計了一種新型行程開關觸發裝置，通過曲柄滑塊機構［3］作行程延時開關，適時模擬分離信號，保證了信號傳遞的實時性和正確性；在Pro/E中建立3維模型，并在ADAMS中建立動力學模型，仿真分析了電磁鐵吸合力、驅動力矩以及行程位移等參數，為后續該裝置改進、優化設計提供依據，提高了設計效率［4－5］，縮短了產品調試周期，對工程實際有著重要作用。

1 行程開關觸發裝置機構設計

1.1 結構組成

圖1 行程開關觸發裝置3維模型

根據彈體結構和行程開關安裝位置，設計的行程開關觸發裝置3維模型如圖1所示,該裝置外形尺寸為535mm× 315.5 mm×54 mm，為保證裝置的剛性，主要支撐件材料選用Q235鋼，重約5.12 kg。行程開關觸發裝置主要由夾緊支架、曲柄滑塊機構和電磁螺線管組成。電磁螺線管由電磁線圈和鐵柱塞組成，電磁螺線管鐵柱塞插入電磁螺線管越深則拉力越大，為盡量讓電磁螺線管工作在拉力較大的行程，電磁螺線管尾端設計有滑動銷；為了避免連桿行程不越過死點，連桿1和連桿2連接處設置有可調節螺釘1，根據電磁螺線管拉力曲線調節連桿作用行程；曲柄滑塊機構包括連桿組、滑桿、支撐彈簧、直線軸承、緩沖墊組成；夾緊支架由鞍形支架和夾緊塊組成；動作開關位置處設置成可調節形式，可以根據行程開關安裝位置和電磁鐵動作誤差微調螺釘頭與行程開關之間距離，做到精確動作。不同型號彈體行程開關安裝位置會有不同，在設計過程中考慮到結構可擴展性，可以通過改變夾緊支架與鞍形支架相對位置來適應行程開關位置變化。

1.2 工作原理

壓縮過程：用手握緊手柄使曲柄滑塊機構越過死點，在支撐彈簧的作用下連桿頂在調節螺釘上，滑塊壓迫行程開關柱塞，使行程開關閉合。動作狀態如圖2所示。

釋放過程：電磁螺線管通電后使螺線管產生磁場，電磁螺線管鐵柱塞吸合，螺線管尾部滑動銷由前端滑動到后端，電磁螺線管拉動連桿（此時電磁螺線管工作在拉力較大行程），越過死點，滑桿上移，釋放行程開關，電磁螺線管斷電，在行程開關柱塞和支撐彈簧彈力作用下滑桿不會下滑。過程持續0.5 s，通電時間較以往形式大大縮短。動作狀態如圖3所示。

圖2 行程開關觸發裝置壓縮狀態

圖3 行程開關觸發裝置釋放狀態

2 曲柄滑塊機構數學模型

行程延時開關全行程力要求大于80 N，設定曲柄滑塊機構至少需要產生100 N力，運動行程S為3～5 mm；晃動不大于1 mm。

根據牛頓定律，連桿受力分析如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

所需電磁螺線管拉力，由圖4、圖5可得：

圖4 曲柄滑塊機構受力示意圖

圖5 連桿1受力示意圖

圖6 連桿2受力示意圖

圖7 連桿銷頂受力示意圖

式中：FA為所需電磁螺線管拉力；FBY為滑桿產生的推力，包括開關產生推力100 N和保持彈簧所產生的推力20 N共計120 N；琢為連桿越過死點后與豎直方向夾角，取9°。

由圖4亦可得電磁螺線管需用行程：X=Lsin琢=9.39mm，

式中連桿長度L為60 mm。

根據理論計算結果選取電磁螺線管型號，選取KSD32-55型電磁螺線管，拉力最大值可達44 N，行程12 mm，工作電壓24 V。電磁螺線管拉力44 N>38.01 N拉力滿足要求，電磁螺線管行程12 mm大于螺線管需用行程9.39 mm滿足要求。

滑桿導向選用直線運動球動軸承LPB171026，直線運動球動軸承具有摩擦力小，導向精度（普通等級E級徑向跳動即可達到0.06 mm/300 mm的導向精度），其導向精度遠遠超過技術要求的1 mm晃動量的要求。

3 運動仿真及結果分析

3.1 運動仿真

因項目涉及彈上產品，研制過程中需要嚴格控制各個環節，模型裝配需要齊全、細致。但在仿真過程中，為了簡化計算模型，加快計算速度，同時又不影響機構運動，可以將緊固用螺釘及裝飾件去掉［6］。根據行程開關觸發裝置實際材料設定機構材料屬性，根據機構實際運動關系設定各關節約束。

圖8 驅動力矩曲線

圖9 滑桿推力曲線

圖10 滑桿運動行程曲線

圖11 電磁螺線管行程曲線

圖12 電磁螺線管作用拉力曲線

由行程開關觸發裝置工作原理知，在壓縮過程中驅動件為手柄，驅動力矩為主動力，釋放過程中驅動件為電磁螺線管，壓縮過程設定為1.5 s，此過程中對手柄施加驅動力矩使其處于壓縮狀態，行程開關閉合，進入測試狀態，此過程設定為2 s（為提高效率，將此過程時間縮短），待測試完畢后，電磁螺線管通電，釋放行程開關，此時根據要求在滑桿處施加120 N推力，即可反推出電磁螺線管此時所需施加拉力，釋放過程設定為0.5 s。

壓縮過程中驅動力矩函數：T（time）=STEP（time，0，0，0.5，20）+STEP（time，1，0，1.5，-20），曲線如圖8所示。釋放過程中滑桿推力函數：F（time）=STEP（time，3.5，0，4，120），曲線如圖9所示。設置仿真時間4s，仿真步長為400，運行一次仿真，結束后可以在ADAMS/ PostProcessor中查看運動學、動力學分析結果，對所設計的機構進行驗證。

3.2 仿真結果分析

仿真過程前1.5 s，在驅動力矩作用下行程開關觸發裝置進入壓縮狀態，1.5～3.5 s，行程開關閉合，處于測試狀態；3.5～4 s，行程開關打開，仿真結束。

圖10為滑桿運動行程曲線，圖11為電磁螺線管行程曲線，圖12為電磁螺線管反作用拉力曲線。可以看出，整個運動過程中，滑桿運動行程為3.98 mm，滿足運動行程3～5 mm的要求，電磁螺線管行程為9.45 mm，所選電磁螺線管最大行程為12 mm，尾端滑動銷長度為10 mm，22 mm的長度保證了電磁螺線管能夠工作在拉力較大的行程，行程開關打開時，電磁螺線管反作用拉力最大值為33.2 N，動作開始和結束時刻發生的振蕩可以不予考慮，所選電磁螺線管拉力變化范圍為27～44 N，滿足要求。通過仿真，可以實時觀察機構運動過程中各項參數變化。

4 結論

1）兩處可調節螺釘設計增加了機構使用的適用性，通過調節螺釘適應行程開關行程的變化，使該裝置具備一定擴展性；在不改變裝置結構形式的情況下，通過調節螺釘，在一定范圍內適應行程開關型號變化。

2）通過仿真實驗分析，確定電磁螺線管行程為9.45mm，所需拉力最大值為33.2 N，所得結果能夠直接用于電磁螺線管選型，驗證了機構設計的可行性，相比理論計算更加準確和富有動態性，提高了工作效率。

［1］ 張華，楊擁民.采用有限元模型對武器發射架的仿真［J］.計算機仿真，2005（8）：9-112.

［2］ 聶聆聰，莫昱，姚曉先.一種螺管式電磁鐵的測試與仿真［J］.機床與液壓，2008（2）：103-108.

［3］ 唐元貴，張艾群.形狀記憶合金驅動的曲柄滑塊機構多目標優化設計［J］.機械設計與制造，2011（6）：49-51.

［4］ 熊光楞，李伯虎，柴旭東.虛擬樣機技術［J］.系統仿真學報，2001（1）：114-116.

［5］ 賀兵，等.基于虛擬樣機技術的包裝機械系統仿真研究［J］.包裝工程，2008（2）：47-49.

［6］ 王立權，俞志偉.基于ADAMS的雙足機器人擬人行走動態仿真［J］.計算機仿真，2009（3）：160-164. （編輯：明 濤）

Mechanical Design and Motion Simulation of a Limit Switch Triggering Device

ZHUANG Ming，HE Xin，WU Xiang
（Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement,Beijing 100854,China）

To guarantee the consistency and reliability of trigger the limit switch in a test of one certain missile type,a limit triggering switch device is designed.On the base of analysis of the mechanical structure,a virtual prototype model and the motion of the limit triggering switch device are simulated using ADAMS.The solenoid pull force,driving torque,stroke displacement and other parameters are analyzed.The simulation study indicates that the design of the limit switch triggering device structure is reasonable,the practical application are reliable.And results provide reference for the selection of solenoid model and stroke displacement.

limit switch triggering device;slider-crank mechanism;solenoid;ADAMS

U 674.703.54

A

1002－2333（2014）04－0053－03

莊明（1988—），男，助理工程師，碩士研究生，從事測發控設備結構設計與仿真研究。

2014-01-27