分離脫落電連接器分離機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

□ 李豫卿

鄭州飛機裝備有限責(zé)任公司 鄭州 450005

拉脫分離式電連接器（簡稱脫落插頭）廣泛應(yīng)用于懸掛系統(tǒng)領(lǐng)域，通過與懸掛物的插座對接實現(xiàn)飛機與懸掛物之間的電信號傳遞，從而達到飛機對懸掛物準(zhǔn)確發(fā)送指令的目的。

脫落插頭與懸掛物插座的對接是通過開口螺紋相連，懸掛物在進行投放時，懸掛物自身的重力將脫落插頭與插座分離。脫落插頭與插座之間的拉脫分離力大約為400 N，該分離力對于300 kg以上的重型懸掛物的分離姿態(tài)和分離參數(shù)影響不大，但對輕型懸掛物的影響較大。目前，軍事化的競爭愈演愈烈，對飛機的飛行速度、懸掛物的投放精度等要求越來越高，這就要求懸掛物質(zhì)量越來越輕，飛行姿態(tài)越來越高，控制精度越來越高。脫落插頭的拉脫分離力導(dǎo)致輕型懸掛物的飛行姿態(tài)不能達到設(shè)計要求，尤其是在懸掛物離機時可能出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)、俯仰以及偏航角度過大等現(xiàn)象，更為嚴(yán)重者可能出現(xiàn)懸掛物碰撞飛機和機毀人亡等事故。因此，設(shè)計一種可以使脫落插頭和懸掛物自動分離的機構(gòu)迫在眉睫。

筆者設(shè)計開發(fā)了一種拉脫分離機構(gòu)，該機構(gòu)可以在懸掛物進行投放分離前瞬間將懸掛物與插頭之間自動分離，在進行懸掛物投放時，原先的拉脫分離力為零。從而可以有效保證懸掛物的分離參數(shù)和分離姿態(tài)，達到設(shè)計要求。本文從拉脫機構(gòu)的工作原理出發(fā)，通過結(jié)構(gòu)分析和受力分析確定了分離機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)，并利用SolidWorks Simulation軟件對主要零部件進行仿真分析，保證機構(gòu)的可行性。

1 分離機構(gòu)的設(shè)計模型

根據(jù)拉脫分離機構(gòu)的工作要求，該機構(gòu)應(yīng)可完成軍用電子系統(tǒng)和各種電器、電子設(shè)備等系統(tǒng)之間的電氣線路連接，并可作瞬間電磁分離和機械分離。

設(shè)計開發(fā)的拉脫分離機構(gòu)主要由殼體、拉簧、下壓臂、釋放搖臂和電磁鐵等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。回收彈簧用來實現(xiàn)電連接器的回收；下壓臂用來實現(xiàn)電連接器與懸掛物的對接；釋放搖臂用來實現(xiàn)機構(gòu)的機械分離，與下壓臂聯(lián)合實現(xiàn)機構(gòu)的自鎖功能；電磁鐵用來實現(xiàn)機構(gòu)的電磁分離；轉(zhuǎn)動彈簧用來實現(xiàn)釋放搖臂的復(fù)位。

根據(jù)機構(gòu)的工作要求，設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，拉脫分離機構(gòu)的工作原理如下。

（1）插頭對接。將加力桿插入六方孔A中（如圖2所示）并逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動下壓臂逆時針旋轉(zhuǎn)，使插頭豎直向下移動14～15 mm，同時轉(zhuǎn)動彈簧帶動釋放搖臂逆時針旋轉(zhuǎn)至圖3所示位置，完成插頭與懸掛物的對接并自鎖。

表1 分離機構(gòu)主要參數(shù)

▲圖1 分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)草圖

▲圖2 分離機構(gòu)分離狀態(tài)

▲圖3 分離機構(gòu)對接狀態(tài)

▲圖4 分離機構(gòu)對接狀態(tài)受力圖

（2） 電磁分離。推拉式電磁鐵（型號：ZHO-1023）通電，電磁鐵頂桿向下伸出3 mm，產(chǎn)生4.5 N的力，推動釋放搖臂順時針旋轉(zhuǎn)，使拉脫分離機構(gòu)解鎖，同時回收彈簧帶動插頭向上運動，插頭與懸掛物拉脫分離。

（3）機械分離。在插頭對接狀態(tài)下，將加力桿插入六方孔B中（如圖3所示）并順時針旋轉(zhuǎn)，使拉脫分離機構(gòu)解鎖，回收彈簧帶動插頭向上運動，使插頭與懸掛物拉脫分離。

2 機構(gòu)受力分析

根據(jù)拉脫分離機構(gòu)的工作原理可知，該機構(gòu)在插頭對接的狀態(tài)下，各個零部件受到的力最大，因此對該狀態(tài)的受力情況進行分析。

拉脫分離機構(gòu)在對接狀態(tài)下，回收彈簧力的大小為400 N，轉(zhuǎn)動彈簧力大小為0.5 N，如圖4所示。對下壓臂和釋放搖臂進行受力分析，如圖5、圖6所示。

根據(jù)平面力系平衡方程，對下壓臂和釋放搖臂列出力系平衡方程。

下壓臂：

▲圖5 下壓臂受力圖

代入具體數(shù)值后得：

釋放搖臂：

代入具體數(shù)值后得：

3 基于SolidWorks Simulation的仿真分析

在該機構(gòu)中，下壓臂和釋放搖臂是整個機構(gòu)中最重要的兩個部分，直接影響整個機構(gòu)的功能實現(xiàn)。為了準(zhǔn)確校核下壓臂和釋放搖臂的強度和剛度，分析兩者在受力下的變形情況，采取有限元法對其進行校核。有限元法是一種常用、高效的計算方法，該方法廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等眾多領(lǐng)域。

▲圖6 釋放搖臂受力圖

▲圖7 下壓臂應(yīng)力圖

▲圖8 下壓臂應(yīng)變圖

▲圖9 釋放搖臂應(yīng)力圖

▲圖1 0 釋放搖臂應(yīng)變圖

Simulation是SolidWorks公司推出的一套有限元分析軟件，它可與SolidWorks完成無縫對接，運用Simulation可完成應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、熱分析以及設(shè)計優(yōu)化等方面的工作。本文運用Simulation對下壓臂和釋放搖臂進行剛度和強度分析。

3.1 有限元分析

通過對下壓臂和釋放搖臂添加材料屬性、約束、載荷以及網(wǎng)格劃分，得到下壓臂和釋放搖臂的有限元模型（具體過程不再一一贅述），最后對其進行求解，得到應(yīng)力圖和應(yīng)變圖，如圖7～圖10所示。

3.2 結(jié)構(gòu)強度校核

（1）強度分析。下壓臂和釋放搖臂的材料均采用304 不銹鋼，許用應(yīng)力［σ］=200 MPa，安全因數(shù) n=2，從下壓臂和釋放搖臂應(yīng)力圖上可以看出，最大應(yīng)力分別為41.211 MPa和31.137 MPa，從應(yīng)力分析的角度看，下壓臂和釋放搖臂應(yīng)力的最大工作應(yīng)力值遠小于材料的許用應(yīng)力值，說明材料抵抗破壞的能力很強，可以滿足工作的要求。

（2）剛度分析。從下壓臂和釋放搖臂應(yīng)變圖上可以看出，兩種零件的應(yīng)變比較小，剛性好，能夠滿足工作要求。

3.3 結(jié)果

通過SolidWorks Simulation對下壓臂和釋放搖臂進行強度和剛度分析，分析結(jié)果表明，下壓臂和釋放搖臂的強度和剛度均能滿足設(shè)計和工作的要求。

4 結(jié)束語

筆者以脫落插頭為研究對象，設(shè)計開發(fā)了一種分離機構(gòu)，并對其工作原理和受力情況進行分析研究，完成了機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用SolidWorks三維軟件建立分離機構(gòu)的三維實體模型，通過SolidWorks與Simulation的無縫對接，用Simulation完成了該機構(gòu)主要零部件的仿真分析和強度、剛度校核，驗證了分離機構(gòu)的可行性，為脫落插頭更廣泛的應(yīng)用打下一定的基礎(chǔ)。

［1］ QJ1796A-1998，分離（脫落）電連接器通用規(guī)范［S］.

［2］ 趙罘.SolidWorks 2013中文版機械設(shè)計從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［3］ 楊開云.理論力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.