， ， (鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河南 鄭州　450001)

引言

目前，隨著各領(lǐng)域?qū)o人機(jī)的應(yīng)用越來越多，對(duì)無人機(jī)彈射技術(shù)的需求越來越高，這就導(dǎo)致無人機(jī)彈射起飛后制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)滑行小車的制動(dòng)性能的要求越來越高，達(dá)到制動(dòng)系統(tǒng)要求的制動(dòng)效果所需的技術(shù)難度也越來越大[1]。本研究提出了一種新型的無人機(jī)液壓彈射器制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

制動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是在高速運(yùn)動(dòng)的滑車接近彈射架終端時(shí)，利用蓄能器或耗能元件快速吸收滑車的動(dòng)能，從而降低滑車對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊[2]。對(duì)于彈射質(zhì)量較大，起飛速度較高的無人機(jī)，僅依靠滑車緩沖系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)滑車的制動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生緩沖系統(tǒng)壓力過高、鋼絲繩受力過大、緩沖行程過長等問題[3]。制動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)包括兩個(gè)制動(dòng)分系統(tǒng)：繩輪制動(dòng)系統(tǒng)、滑車緩沖系統(tǒng)，這兩個(gè)制動(dòng)分系統(tǒng)先后對(duì)滑車進(jìn)行多次降速，最終達(dá)到制動(dòng)目的，既解決了上述問題又使系統(tǒng)具備了制動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高且無反彈、便于控制等特點(diǎn)。

1　液壓彈射器制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

該制動(dòng)系統(tǒng)由繩輪制動(dòng)系統(tǒng)、滑車緩沖系統(tǒng)兩個(gè)制動(dòng)分系統(tǒng)組成，其中繩輪制動(dòng)系統(tǒng)主要用來通過降低繩輪轉(zhuǎn)速達(dá)到制動(dòng)目的，主要由液壓馬達(dá)、繩輪、溢流閥、制動(dòng)模塊、鋼絲繩組成；其中，制動(dòng)模塊如圖1所示，滑車緩沖系統(tǒng)主要通過吸收滑車動(dòng)能來降速，主要由彈射架、滑車、滑塊和緩沖液壓缸組成。這兩個(gè)制動(dòng)分系統(tǒng)相互配合最終達(dá)到制動(dòng)目的。

1.制動(dòng)液壓缸　2.中間連接板　3.側(cè)連接板　4.郵箱側(cè)壁 5.摩擦片連接板　6.摩擦片　7.繩輪

整個(gè)系統(tǒng)工作原理簡圖如圖2所示，當(dāng)滑車速度將要達(dá)到35 m/s時(shí)，滑車壓下行程開關(guān)，液壓動(dòng)力源關(guān)閉，電磁換向閥開始換向。其中行程開關(guān)和滑塊之間的距離是通過電磁換向閥的換向延遲時(shí)間計(jì)算而得[4]，使滑車在碰到滑塊的同時(shí)，無人機(jī)剛好達(dá)到彈射速度并脫離滑車，緩沖過程開始。與此同時(shí)，在閥控系統(tǒng)和溢流閥的作用下，液壓馬達(dá)出口壓力上升，進(jìn)口壓力下降，從而降低馬達(dá)轉(zhuǎn)速；另外，制動(dòng)液壓缸充油使得液壓缸缸體和柱塞桿同時(shí)向外運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)摩擦片使繩輪轉(zhuǎn)速降低。該制動(dòng)系統(tǒng)由于在制動(dòng)分系統(tǒng)液壓缸緩沖系統(tǒng)中增加了滑塊緩沖，使得滑車在碰到滑塊的瞬間，相對(duì)于單純的液壓缸緩沖瞬間阻力減小了很多，因此鋼絲繩受到的瞬時(shí)拉力減小了很多，當(dāng)滑車與液壓缸柱塞桿碰撞時(shí)，速度已經(jīng)減小到30 m/s左右，此時(shí)的液壓缸最高壓力和鋼絲繩的最大拉力也降低了很多。最終通過兩個(gè)制動(dòng)分系統(tǒng)的降速，可以在無人機(jī)起飛后瞬間成功將滑行小車制動(dòng)。

1.液壓馬達(dá)　2.繩輪　3.溢流閥　4.彈射架　5.后段鋼絲繩 6.滑車　7.無人機(jī)　8.行程開關(guān)　9.滑塊　10.緩沖液壓缸 11.單向閥　12.前段鋼絲繩　13.制動(dòng)系統(tǒng)

2　液壓彈射器制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　繩輪制動(dòng)分系統(tǒng)

液壓彈射器在緩沖初始階段滑車的速度高達(dá)35 m/s， 繩輪的轉(zhuǎn)速高達(dá)160 rad/s，此時(shí)對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)繩輪的合理制動(dòng)顯得尤為重要，制動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)彈射系統(tǒng)中的關(guān)健裝置，它的制動(dòng)性能直接影響了液壓彈射器的安全性和穩(wěn)定性[5]。該制動(dòng)分系統(tǒng)采用制動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)制動(dòng)模塊的摩擦片同時(shí)制動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)繩輪的兩側(cè)以保證液壓彈射器在緩沖過程中的可靠性。

如圖3所示，該制動(dòng)分系統(tǒng)主要由制動(dòng)液壓缸1、兩側(cè)連接板2、中間連接板3、摩擦片連接板7和石棉摩擦片6等元件組成，各個(gè)元件之間通過銷軸和開口銷實(shí)現(xiàn)鉸接，中間連接板通過螺釘連接使制動(dòng)系統(tǒng)固定在油箱側(cè)壁上，當(dāng)系統(tǒng)在彈射階段時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)未啟動(dòng)，繩輪兩側(cè)與摩擦片留有一定的制動(dòng)距離；當(dāng)緩沖階段開始時(shí)，馬達(dá)進(jìn)出口液控單向閥關(guān)閉，出口壓力逐漸升高，當(dāng)壓力升至制動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)壓力時(shí)，缸體和柱塞桿同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使繩輪兩側(cè)的摩擦片瞬間動(dòng)作，從而完成對(duì)繩輪的制動(dòng)[6]。其中，該制動(dòng)分系統(tǒng)要求在同一時(shí)間對(duì)繩輪兩側(cè)快速制動(dòng)，由于在工作過程中液壓系統(tǒng)的壓力較大、液壓缸行程較長，因此采用雙作用柱塞式液壓缸[7]；另外，綜合考慮材料的使用性能(力學(xué)、化學(xué)和物理性能)以及工藝性能(鍛、鑄、焊)等，選用Q345作為連接板材料，并在表面電鍍鉻，即增加了連接板的硬度、耐磨性和抗蝕性，又達(dá)到了良好的裝飾效果[8]。

1.制動(dòng)液壓缸　2.兩側(cè)連接板　3.中間連接板　4.液壓馬達(dá) 5.繩輪　6.石棉摩擦片　7.摩擦片連接板

摩擦片是制動(dòng)系統(tǒng)中必須要有的關(guān)鍵部件。它的功能主要是通過摩擦來吸收動(dòng)能，從而達(dá)到制動(dòng)的效果，使整個(gè)機(jī)械設(shè)備能夠安全可靠地工作。摩擦片的耐磨性能、機(jī)械強(qiáng)度是由摩擦材料的屬性決定的[8]，因此，應(yīng)在綜合考慮制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)摩擦片性能要求的基礎(chǔ)上，選擇合適的摩擦材料。本研究綜合考慮摩擦系數(shù)、耐磨性以及機(jī)械強(qiáng)度等方面，最終選擇石棉橡膠作為該制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦片材料，以使摩擦片達(dá)到耐磨性好、耐熱性強(qiáng)和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

2.2　滑車緩沖分系統(tǒng)

如圖4所示，滑車緩沖系統(tǒng)包括滑塊和緩沖液壓缸兩個(gè)主要緩沖部件，其中滑塊通過緊固塊套接在導(dǎo)軌上可以沿其滑動(dòng)，滑塊與緩沖液壓缸之間安裝有縮回桿，縮回桿與液壓缸中空的柱塞桿套接，柱塞桿內(nèi)安有彈簧。當(dāng)高速運(yùn)行的滑車與滑塊瞬間碰撞時(shí)，滑塊在縮回桿和彈簧的作用下，沿導(dǎo)軌和滑車一起向前運(yùn)動(dòng)，直到與柱塞桿再次碰撞。由此可知，縮回桿和彈簧的作用是防止質(zhì)量相對(duì)較輕的滑塊在突然碰撞后會(huì)偏離導(dǎo)軌彈出去。緩沖液壓缸的柱塞桿直徑為0.063 m，緩沖行程為0.6 m。

圖4　滑塊和緩沖液壓缸示意圖

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

由于影響無人機(jī)液壓彈射器制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)效果的因素眾多，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過調(diào)節(jié)制動(dòng)液壓缸壓力和更換緩沖液壓缸柱塞桿分別對(duì)影響制動(dòng)效果較大的制動(dòng)力矩和緩沖液壓缸柱塞桿直徑的變化對(duì)制動(dòng)效果的影響進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其中制動(dòng)基本要求參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表1　制動(dòng)基本要求參數(shù)

表2　制動(dòng)力矩對(duì)緩沖性能的影響

表3　緩沖液壓缸柱塞桿直徑對(duì)緩沖性能的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在保證其他參數(shù)不變的條件下，制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力矩從1200 N·m增加到4100 N·m再增加到7000 N·m時(shí)，滑車的緩沖行程由0.94 m遞減至0.60 m，鋼絲繩最大瞬時(shí)拉力從3.94 t降到2.41 t，液壓缸最高壓力為從15.3 MPa下降到10.9 MPa，由此可得，在一定范圍內(nèi)增加制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力矩，既能縮短緩沖行程，同時(shí)又可以降低鋼絲繩的最大瞬時(shí)拉力和液壓缸最高壓力。但是過大的制動(dòng)力矩會(huì)導(dǎo)致繩輪瞬間受到較大的沖擊力，同時(shí)加大了繩輪和馬達(dá)連接軸的扭矩，降低了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)然制動(dòng)力矩也不能過小，制動(dòng)力矩過小時(shí)，緩沖行程可能超過系統(tǒng)要求的0.9 m，柱塞桿會(huì)碰撞液壓缸底部，造成系統(tǒng)安全性降低。綜合各方面因素，最終選擇制動(dòng)力矩為4100 N·m的制動(dòng)系統(tǒng)，即能滿足系統(tǒng)的緩沖性能要求，又可以使系統(tǒng)很好的應(yīng)用在實(shí)際工程中，使系統(tǒng)在擁有足夠安全系數(shù)的條件下緩沖性能達(dá)到最優(yōu)。

在保證其他參數(shù)不變的條件下，緩沖液壓缸柱塞桿直徑從0.056 m增加到0.070 m時(shí)，滑車的緩沖行程由0.92 m遞減到0.74 m，鋼絲繩最大瞬時(shí)拉力從1.62 t上升到2.76 t，液壓缸最高壓力為從11.1 MPa上升到14.6 MPa，由此可得，在一定范圍內(nèi)，隨著柱塞桿直徑的增大，緩沖行程縮短，鋼絲繩最大瞬時(shí)拉力升高，但是如果柱塞桿直徑過大，鋼絲繩瞬時(shí)最大拉力有可能超過鋼絲繩最大承受拉力3 t，如果柱塞桿直徑過小，緩沖行程有可能超過柱塞桿的行程，會(huì)對(duì)液壓缸造成很大的沖擊，造成系統(tǒng)安全系數(shù)降低。

為了滿足系統(tǒng)的緩沖性能要求，由以上圖表數(shù)據(jù)對(duì)比可得，選擇緩沖液壓缸柱塞桿直徑為0.063 m，即能縮短緩沖行程又相對(duì)減小了液壓缸的最高壓力，使系統(tǒng)的安全系數(shù)達(dá)到最大、綜合緩沖性能達(dá)到最優(yōu)。

4　結(jié)論

(1) 所設(shè)計(jì)的無人機(jī)液壓彈射器制動(dòng)系統(tǒng)，采用繩輪制動(dòng)和滑車緩沖雙保險(xiǎn)制動(dòng)措施，結(jié)構(gòu)緊湊、性能

穩(wěn)定、安全可靠，通過合理匹配系統(tǒng)工作參數(shù)，無人機(jī)發(fā)射后可成功將重為20 kg的滑行小車制動(dòng)；

(2) 隨著制動(dòng)力矩的增大，滑車緩沖行程降低，鋼絲繩瞬時(shí)最大拉力減小，但過大或過小都會(huì)影響制動(dòng)效果，甚至可能對(duì)安全制動(dòng)造成威脅；

(3) 隨著柱塞桿直徑增大，滑車緩沖行程降低，但鋼絲繩最大瞬時(shí)拉力增大，但過大或過小的柱塞桿直徑同樣會(huì)影響制動(dòng)效果，也有可能對(duì)安全制動(dòng)造成威脅。

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