一种气动剪钳击发机构的参数化设计

2020-03-22王清华

机械工程与自动化 2020年1期

王清华

（宜昌测试技术研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

气动剪钳［1］是一种应急救援的特种工具，应用场景是在无电无气、狭小空间内快速切割钢筋等物，实施快速的应急救援活动。气动剪钳的原理是人力作用积蓄能量，通过击发机构转化为机械能激发子弹底火，利用无弹头子弹火药在近似密封空间快速燃烧产生的大量气体形成高压动力，推动执行机构对钢筋等进行切断动作。

本文探讨的是设计一种适用于气动剪钳的击发机构，使作业人员在舒适握力下操作，产生能可靠激发子弹底火的机械能，并能快速方便地优化构件尺寸和进行系列化设计，使其结构小巧，满足狭小空间操作要求。

1 击发机构设计

1.1 击发机构初步设计及工作原理

击发机构结构示意图如图1所示。击发机构工作原理如下：操作者手掌握住握把8，手指压扳机2，使其绕O点旋转推动阻铁4、击针定位块7和击针6压缩击针簧9，同时阻铁4绕A点旋转，当击针簧9压缩到位时，阻铁4与击针定位块7啮合点脱开，击针6在击针簧9作用下撞击子弹3的底火，实现击发。

1.2 设计输入量及求解量分析

已知设计输入量如下：①子弹底火激发能量E：由选用型号的子弹特性决定，击发机构动作压缩击针簧储存能量E0＝s·E（其中s为击发机构安全系数，且s＞1）；②气动剪钳允许的最大长度V、最大高度H：由设计限要求给定，这两个参数限定了击发机构的尺寸和击针簧压缩量δx。

求解的目的是分析选取击发机构的主要尺寸（扳机特征尺寸M，阻铁的特征尺寸N、P和L，扳机角度β，阻铁角度α，O点与握把偏心距离e），使击发机构动作后获得足够的击针簧压缩量δx储藏子弹底火激发能量，并分析确定特征尺寸及扳机簧参数，使操作者获得舒适的握力操作扳机。

图1 击发机构结构示意图

1.3 建立啮合点运动学方程

作击发机构简图，如图2所示。B点为阻铁和击针定位块啮合点，按压扳机过程中A点相对于O点做旋转运动、B点相对于A点做旋转运动。以扳机旋转中心O点为原点，建坐标系O-xyz，以阻铁旋转中心A点为原点建立参考坐标系A-x′y′z′，各坐标轴如图2所示，z及z′轴根据右手定则确定。参考坐标系A-x′y′z′相对于坐标系O-xyz的旋转变换矩阵［2］为：

根据击发机构结构特性，L值相对小，因此啮合点B由阻铁绕A点旋转引起的位置变化量相对很小，在分析计算中忽略，使用齐次坐标表示的转换矩阵如下：

A-x′y′z′坐标系中B 点坐标为：

图2 击发机构简图

1.4 参数化方程分析

将e作为基准长度，令M＝me、N＝ne、X＝xe（m、n、x为正实数）代入公式（1），整理后各特征尺寸参数化为仅与m、n、e及β相关的参数方程：

对式（2）作变换处理：

1.5 特征尺寸求解及优化

初始状态β＝β0，击发机构处于无外力作用的自平衡状态，α＝α0，x＝x0；按压扳机至终止状态β＝β1，啮合点B点脱开，此时α＝α1、x＝x1；当扳机旋转角度δβ时，计算阻铁旋转角度δα、啮合点B点行程（即击针簧压缩量）δx如下：

根据式（3）～式（6）特性、击发机构结构特点和动作原理，确定各特征参数选择原则：

（2）为了使击发机构足够小巧，应在扳机旋转角度δβ时获得最大的击针簧压缩量δx，根据公式（5）可知此时应该使阻铁旋转角度δα足够小。结合式（6），当选择的mn时，可以在相同的扳机旋转角度δβ下获得较小的阻铁旋转角度δα；根据确定的β0、β1、m、n及式（5）、式（6）分别计算出δα、δX（δX＝e·δx）。

（3）选择合适的e值，根据M＝me、N＝ne、X＝xe计算各特征尺寸，结合气动剪钳其他结构尺寸应满足L、H范围要求。

（4）选取合适击发机构安全系数s，根据能量公式E0＝s·E＝s·k（δX）2（其为k为击针簧弹性系数）计算出击针簧k值。

（5）当扳机由β0旋转至β1时，啮合点应脱开，选择合适的L、P应满足关系L＝Pcosδα。

（6）可调节参数m、n、β及基准量e，优化各特征尺寸，以适应不同型号子弹底火激发；也可以根据参数方程特性选取合适参数，设计出特定功能的击发机构，或通过更改基准量e值来方便地进行系列化设计。