課題背景子母彈是以均勻散布的子彈覆蓋目標，提高有效的殺傷范圍的一類武器。子母彈的戰術技術要求決定了子彈在目標區上空要呈現均勻的散布狀態，而能否達到要求的散布就離不開拋撒技術。子母彈拋撒技術是子母武器系統的關鍵技術之一。在子母彈技術研究基礎上，設計出一種靜態地面模擬試驗裝置（帶傳動或齒輪傳動機構），并進行結構優化設計，能夠滿足系統對該機構的結構強度，對子母彈拋撒技術研究的工程研制提供幫助。子母彈的國內外發展現狀子彈藥的拋撒是由母彈彈上攜帶的微機自動控制的，它可以單發拋撒，也可一組子彈藥以齊射方式拋撒。不過，以齊射方式拋撒時，要注意盡量減少拋撒動作對母彈正常飛行的影響。為了達到較好的毀傷效果,子彈拋撒需滿足如下的基本要求:(l)滿足合理的撒布范圍。根據毀傷目標的要求和戰斗部攜帶子彈的總數量，從戰術使用上提出合理的子彈散布范圍，以保證子彈拋出后能覆蓋一定大小的面積。實際子彈拋射范圍的大小還與開艙的高度有關。(2)達到合理的散布密度。在子彈散布范圍內，子彈應盡可能地均勻分布，至少不能出現明顯的子彈堆積現象。均勻分布有利于提高對集群裝甲目標的命中概率。(3)子彈相互間易于分離。在拋射過程中，要求子彈能相互順利分開。不允許出現重疊現象，如果子彈分離不開，尾帶張不起來，子彈引信就解脫不了保險，這將導致子彈失效。(4)子彈作用性能不受影響。拋射過程中，子彈不得有明顯變形，更不能出現殉爆現象，力求避免子彈間的相互碰撞。此外，還要求子彈引信解脫保險可靠，發火率正常，子彈起爆完全性好。國內外拋撒技術的方法目前國內外拋撒技術主要有一下幾種：(1)中心藥管式拋射中心爆管拋撒技術是依靠位于母彈中心的爆炸管(裝有高裝填密度火藥或炸藥)來提供拋撒動能推動子彈運動的一種拋撒方式。中心爆管(或爆炸)拋撒一般為一次拋撒,即母體切殼、拋殼、拋子彈一次完成,子彈的空拋過程是復雜的,包括了拋撒藥燃燒、中心管炸裂、子彈運動、倉體蒙皮破裂等多種現象。子母彈發射后,到達預定目標上空時,由戰斗部前端裝定的時間引信起爆,點燃點火具中的點火藥,點火藥燃燒產生的高溫燃氣與熾熱的固體粒子經過藥床中央傳火管上的各傳火孔噴入拋撒藥床,點燃拋撒藥。中心管內拋撒藥燃燒釋放出高溫高壓氣體,當壓力超過管本身所具有的承壓強度極限時,中心管爆裂,拋撒藥的燃氣首先壓縮子彈周圍的填充物,將子彈壓向四周的蒙皮,蒙皮約束著子彈，蒙皮破裂，子彈解除約束后,在中心爆管釋放的高溫、高壓、高速的燃氣作用下沿著徑向向四周運動,最終拋撒出母體。中心爆管子母彈優點就是結構簡單、動作可靠、拋速高,可以使內外層子彈間具有一定的速度梯度順序拋出,使內、外層子彈散布均勻,特別適合于多子彈的中、大彈徑的殺傷爆破子母彈使用,但不足的是在爆炸拋撒過程中,子彈承受的沖擊過載相當高,加速度一般為幾萬甚至十幾萬個g,而且這種過載具有高峰值、短脈寬的特征,如果過載問題得不到很好的解決,那么將會嚴重的影響母彈內子彈的強度,使子彈發生明顯變形,也可能沖擊引爆子彈中的裝藥,甚至發生殉爆現象。使用成功的典型結構是美國MLRS火箭子母彈戰斗部，遠程子母彈囊式拋撒結構設計及計算機仿真技術每發火箭攜帶子彈644枚。一般子彈排列不多于兩圈。如圓柱部外圈排14枚子彈，內圈排7枚子彈。戰斗部中心部位裝有藥管。時間引信作用引起中心藥柱爆燃后，沖擊波既使殼體沿全長開裂，又將子彈向四周拋出。(2)燃氣囊拋射燃氣囊拋撒技術是利用氣囊充氣膨脹推動子彈運動的一種拋撒方式。主要是利用氣囊來延長燃氣對子彈的有效作用時間,達到子彈平緩加載的目的,其拋撒過載一般可以控制在不大于2000個g的范圍內。它是一種較為理想的子母彈拋撒結構,具有廣泛的應用前景。囊式拋撒方式根據燃氣發生室在氣囊的內外可分為內燃式和外燃式兩種形式。使用這種拋射結構的典型產品是英國的BL755航空子母炸彈。共攜帶小炸彈147枚，分裝在7個隔艙中。小炸彈外緣用鋼帶束住，小炸彈內側配有氣囊。當燃氣囊充氣時，子彈頂緊鋼帶，使其從薄弱點斷裂，解除約束。在燃氣囊彈力的作用下，147枚小炸彈以不同的方向，不同的名義速度拋出，以保證子彈散布均勻。(3)母彈高速旋轉下的離心拋射。這種拋射方式，對于一切旋轉的母彈，不論轉速的高低，均能起到使子彈飛散的作用。特別是對于火炮子母彈轉速高達每分鐘數千轉，以至上萬轉時，則起到主要的乃至全部的拋射作用。(4)機械式分離拋射這種拋射方式是在子彈被拋出過程中，通過導向桿或撥簧等機構的作用，賦予子彈沿戰斗部徑向分離的分力。導向桿機構己經成功的使用在122mm火箭子母彈上。(5)燃氣側向活塞拋射燃氣活塞式拋撒技術是利用火藥在燃燒室燃燒產生的火藥氣體壓力推動活塞和子彈運動的拋撒方式。根據燃燒室的結構可分為單燃燒室和雙燃燒室兩種形式。這種方式主要用于子彈直徑較大的情況，如美MLRS火箭末端敏感子母戰斗部所用的拋射機構。前后相接的一對末敏子彈，在側向活塞的推動下，垂直彈軸沿相反方向拋出(互成130度)。每一對子彈的拋射方向又有變化，對整個戰斗部而言，子彈向四周各方向均有拋出。(6)子彈氣動力拋射通過改變子彈氣動力參數，使子彈之間空氣阻力有差異，以達到使子彈飛散的目的。這種方式已在國外的一些產品中使用。在國外的炮射子母彈上，就有意地裝入兩種不同長度尾帶的子彈;在航空殺傷子母彈中，采用由鋁瓦穩定的改制手榴彈作的小殺傷炸彈，拋射后靠鋁瓦穩定方位的隨機性，從而使子彈達到均勻散開的日的。(7)微機控制程序拋射應用于大型導彈子母彈上。由單片機控制開艙與拋射的全過程，子彈按既定程序分期分批以不同的速度拋出，以得到預期的拋射效果。1.4本文主要的研究內容本文是關于某型集束彈藥的研究，目的是設計出一種靜態地面模擬試驗裝置，全文的主要任務包含以下幾個方面：模擬試驗裝置的理論設計計算與校核；傳動系統設計；撞擊部分設計；模擬旋轉拋射試驗裝置整體結構設計。2模擬試驗裝置的整體結構設計2.1基本設計思想模擬試驗裝置的整體結構設計如圖。圖模擬試驗裝置的整體結構設計整個機構工作原理是先拉動后面的操作輪盤，向右拉手輪，動力彈簧被壓縮，存儲發射能量，發射距離和初速度決定所需的能量，也就是彈簧的壓縮量，由主軸上的刻度，很容易定位。釋放時彈簧的彈性勢能轉換成撞針的動能，完成撞擊，后面的阻尼彈簧是發射的時候，防止手輪撞壞。炮彈部分是靠主軸的旋轉帶動炮彈旋轉。經過兩大塊的結合可以很好的完成模擬旋轉拋射試驗。整個裝置設計思路清晰，手輪拉壓彈簧模擬發射的設計方案新穎實用，機構設計和布局合理，裝置結構較簡單，但是能很好的達到模擬旋轉拋射試驗的預期效果。2.2元件的介紹和確定彈簧彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件。一般用彈簧鋼制成。用以控制機件的運動、緩和沖擊或震動、貯蓄能量、測量力的大小等，廣泛用于機器、儀表中。彈簧的種類復雜多樣，按形狀分，主要有螺旋彈簧、渦卷彈簧、板彈簧等。2.2螺旋彈簧2.3拉伸彈簧2.4壓縮彈簧圖2.5扭力彈簧本設計選用剛度為常數的圓柱螺旋彈簧，具體參數詳見裝置設計部分。2.2.2步進電機圖2.6永磁步進電機2.72.8選擇55BYG002型步進電機，具體參數詳見設計部分。2.2.3傳動系統圖2.9各種齒輪傳動圖2.10圓柱式摩擦輪傳動2.11圓錐式摩擦輪傳動綜合考慮各種因素，決定選用同步帶傳動，因為這樣步進電機的調速才更有意義。同步帶傳動是由一根內周表面設有等間距齒形的環行帶及具有相應吻合的輪所組成。它綜合了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自的優點。轉動時，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動力。同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩，能吸振，噪音小，傳動比范圍大，一般可達1:10。允許線速度可達50M/S，傳遞功率從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，一般可達98%，結構緊湊，適宜于多軸傳動，不需潤滑，無污染，因此可在不允許有污染和工作環境較為惡劣的場所下正常工作。本設計傳動系統選擇圓弧形同步帶傳動系統，具體參數詳見裝置設計部分。3模擬試驗裝置的理論設計計算和校核3.1旋轉拋射裝置旋轉軸中心距地面的高度計算根據設計要求“子彈”出膛初速度等于20m/s，而飛行距離要求是10m。。根據由自由落體運動位移公式：得出在理想狀態下旋轉軸中心距地面的高度為：因考慮到實際飛行時空氣阻力的存在，因而我可取旋轉軸中心距地面的實際高度為。從而可得旋轉軸中心距地面的高度：1.225=1.47(m)3.2“子彈”質量計算由設計要求可知：模擬“子彈”半徑的R=30mm，高度H=60mm。從而根據圓柱體體積公式：(3.2)可得出“子彈”體積：V=3.1415926××60=169645.8()再由鋁合金的密度=2.75(g/m3)，根據質量公式：M=V·(3.3)得出“子彈”質量：M=V·=169645.8×2.75××=0.466(kg)3.3“子彈”出膛過程中所受旋轉軸的滑動摩擦力計算根據計算結果和已知的條件，查機械設計手冊得知：在有潤滑的情況下鋼和鋁的滑動摩擦因數=0.07～0.15。根據滑動摩擦力計算公式:=G·(3.4)考慮滑動摩擦取最大摩擦因數的最大值:得出“子彈”出膛過程受旋轉軸的滑動摩擦力:=0.466×10×0.15=0.699（N）3.4“子彈”被撞擊后的瞬時速度計算據前面計算可知：“子彈”出膛時：速度:=20(m/s)滑動摩擦力:=0.699（N）“子彈”質量:M=0.466(kg)重力加速度取:g=10()“子彈”出膛過程在旋轉軸內的滑行位移:先根據加速度計算公式:a=F/M(3.5)得出子彈“子彈”出膛過程中的恒定加速度:a=-1.5()（因為摩擦力起阻力作用所以取負值）由速度公式：(3.6)由位移公式：(3.7)結合以上公式得出：代入已知數據得到：=0.25(m)從而可求解出：，顯然時間不可能為負數，因而取：t=0.00499906(s)由公式：(3.8)得出“子彈”被撞擊后的瞬時速度：3.5“子彈”被撞擊后的瞬時動量計算和瞬時動能計算3瞬時動量計算已知“子彈”被撞擊后的瞬時速度：=20.00749859(m/s)根據動量計算公式：P=M·v(3.9)得出“子彈”的瞬時動量：0.466×20.00749859=9.32349434294（kg·m/s）3.5.2瞬時動能計算由（1）可知：“子彈”被撞擊后的瞬時動量：9.32349434294（kg·m/s）而由動能計算公式：(3.10)得出“子彈”被撞擊后的瞬時動能：=93.269841（J）為了使“子彈飛出去的速度大于20m/s，考慮到撞針在套筒中運行過程中所受的摩擦力以及在撞擊過程中的能量損失，取彈簧壓縮到位的彈性勢能為1.5倍“子彈”被撞擊后的瞬時動能（），即可取=。3.6彈簧的設計計算3.6.1彈簧的選擇為了便于設計、計算和安裝，選用剛度為常數的圓柱螺旋彈簧，考慮到人的體力，所以要求彈簧的最大工作載荷，最小工作載荷已知彈簧壓縮到位的彈性勢能要達到。由于剛度為常數，所以特性曲線為直線，從而有：(3.11)h——彈簧的工作行程由公式：，從而可求出彈簧的工作行程：h=0.35(m)。選擇彈簧材料根據彈簧工作情況屬于Ⅲ類載荷，彈簧的結構尺寸不限，故選用碳素彈簧鋼絲，B級。3.6.2彈簧鋼絲直徑的計算因彈簧材料的力學性能與直徑有關，故只能用試算法。根據查閱機械設計手冊，初估彈簧鋼絲直徑，旋繞比。查得抗拉強度、許用應力，求曲度系數K。(3.12)由公式求d；(3.13)計算結果與初估直徑很接近，根據手冊取標準直徑d=5mm。中徑。根據手冊取標準則。重算K和d實取標準d=5mm，mm（C=9）3.6.3彈簧有效圈數的計算已知彈簧在最大載荷作用下的壓縮變形根據手冊查得切變模量根據公式：(3.14)取因為是壓縮彈簧，所以取兩端的支承圈各為1圈并緊磨平，從而可得：彈簧總圈：3.6.4彈簧主要幾何尺寸的計算初定節距取初定彈簧自由長度mm(3.15)根據手冊取標準mm實際節距(3.16)驗算在最大載荷作用下的簧圈間距(3.17)彈簧螺旋升角(3.18)內徑外徑簧絲展開長度mm3.6.5驗算彈簧的穩定性因為b超過了許用值，為防止失穩，需在彈簧內加裝導桿。3.7步進電機選型設計計算已知主軸重量m=21.52kg、電機由轉速為零加速到1500轉/分需要30秒,將主軸簡化分解成同軸的5個部分進行計算如圖所示：圖3.1主軸由于轉動動能:(3.19)階梯軸的轉動慣量：(3.20)每一分部的轉動慣量：(3.21)由下之上：總的轉動慣量：由于皮帶輪的傳動比是2:1，因此電機的轉速為750轉/分，為了計算簡單，將轉速加速過程當成是勻速加速處理，則角加速度：加速過程中電機輸出力矩根據計算結果查閱機械設計手冊最終選擇55BYG002型步進電機：型號:55BYG002型號:55BYG002相數:4電壓/V:15步進角誤差(%):±20每轉步數:200/400每相電阻/Ω:22每相電感/mH:90起動頻率/pps:1000運行頻率/pps:1000靜態轉矩/(N·m):34.3×10^(-2)單定位轉矩/(N·m):傳動系統的方案設計本設計選用機械傳動系統。參照同步帶選型圖，本傳動系統選擇圓弧形同步帶，其型號為1200×150×8M×30，帶長為1200,齒數為150,模數為8,帶寬為30。其結構設計如圖。圖模擬試驗裝置傳動系統的設計圖計算過程如下：根據要求傳動功率P=10kw主動軸轉速=1500r/min從動軸轉速=750r/min 傳動比i=2根據公式查詢載荷修正系數=1.4可得=14kw根據要求選擇帶型為8M帶節距=8mm確定帶輪齒數小帶輪：=50可取=56大帶輪：可得=112則=143mm=285mm帶速根據結構要求取則=1301mm取標準節線長=1200mm則帶齒數=150根據公式實際軸間距(3.22)嚙合齒數(3.23)嚙合齒數系數時=1時=1-0.2（6-） 小帶輪包角得=254mm=23=1=由查詢可知=10kw由=20mm可得=29mm則取寬帶標準值=30mm根據公式緊邊張力=松邊張力壓軸力可得=1558N=312N=1496N3.9撞擊部分的方案設計整個撞擊部分采用手輪拉壓彈簧的工作方式工作，主要由操作手輪、擋塊、阻尼彈簧、動力彈簧、套筒和撞擊支撐底座等幾部分構成。通過壓縮彈簧存儲發射能量，阻尼彈簧保護手柄和套筒的的損傷。關于撞擊部分的設計，考慮我主要設計了兩套方案，分別如圖a)和b)。兩種方案的設計基本原理是一致的，但是在撞擊的控制上是有差別的。a)圖發射過程是當擋塊退出套筒，旋轉操作輪盤使擋塊卡在套筒的壁上，釋放時彈簧的彈性勢能轉換成撞針的動能。b)省去了擋塊等部件，采用手輪拉壓彈簧后放手后就完成撞擊，彈簧的壓縮量由主軸上的刻度線決定，根據發射距離和初速度的要求可以隨意確定壓縮的彈簧的被壓的距離。由于這只是模擬實驗裝置，考慮操作的方便性和裝置的加工安裝的簡易性，在并不影響裝置模擬實際效果的情況下，選擇方案b,作為撞擊部分的結構設計的最終方案。a）b）圖模擬試驗裝置撞擊部分的設計原理圖其中手輪的結構圖如下：圖3.4手輪3.10本章小結本章主要是對模擬試驗裝置進行了理論設計計算與校核。為模擬實驗裝置的結構設計提供理論依據，使設計更加的合理。結論歷時兩個多月的畢業設計已經完成。在設計過程中，通過對一種模擬旋轉拋射試驗裝置的結構設計的研究，使我全面而深刻的了解和掌握了機械結構設計步驟和原理，對我四年大學的學習做了全面的總結和回顧，也為即將踏入工作崗位的我對做了很好的專業準備。全文首先對集束彈藥的概念及現狀做了一定的介紹和了解。然后是根據裝置的設計要求和藥達到的效果，對整個實驗裝置的進行了理論設計，其中包括旋轉拋射裝置旋轉軸中心距地面的高度計算、“子彈”質量計算、“子彈”出膛過程中所受旋轉軸的滑動摩擦力計算、“子彈”被撞擊后的瞬時速度計算、“子彈”被撞擊后的瞬時動量計算、“子彈”被撞擊后的瞬時動能計算、彈簧的設計計算和電機選型設計計算電機的選型設計計算等。最后是對模擬旋轉拋射試驗裝置的結構設計，從傳動方案的設計選擇，撞擊部分結構設計方案的比較，最后到整體結構的布局設計。設計思路清楚，設計方案新穎，完全滿足設