双工位换弹转载组件、转载装置及换弹系统

技术领域

本发明属于灭火弹发射装置技术领域，具体涉及一种双工位换弹转载组件、转载装置及换弹系统。

背景技术

无人机作为一种新型工业技术，已被逐渐开始广泛应用于各种应急救援场合；国内也已有不少机构使用无人机成功进行过火场侦查监测、抛投救援物资等尝试，效果非常明显。其中，灭火无人机具有机动性强、灵活度高等特点，能够第一时间到达火灾现场；尤其在高处灭火或特高压密集输电通道灭火等高危情景下，运用无人机来代替部分人力行动，能够减少消防员在高处工作的情况，其重要性不言而喻。

当前，对于灭火无人机而言，通常分为投弹式和射击式两种。投弹式灭火无人机参照中国专利公告号“CN215098277U”的名称为“高空多发射式消防灭火无人机”及中国专利公告号“CN112386832A”的名称为“一种火灾救援无人机”所述，其采用储弹箱，将灭火弹堆放在储弹箱中，使用时通过一次投射单颗或多颗灭火弹的方式进行相关灭火工作。投弹式灭火无人机的问题在于：其一，储弹箱中的灭火弹容易发生滚动；尤其随着投弹数的增多，储弹箱内剩余灭火弹的可活动空间会逐渐变大，灭火弹的晃动状况更为明显，稳定性以及安全性不高；其次，使用时完全依赖重力投弹，不利于精准灭火。射击式灭火无人机具备灭火弹固定稳定和灭火精准度高的优点，因此使用更为广泛。射击式灭火无人机细分为单发式和多发式两种；由于装载的灭火弹填充时间较长，而且更换灭火弹需返回地面进行，因此单发式无人机的使用场合已经越来越局限。多发式无人机参照中国专利公告号“CN106581906A”的名称为“一种基于无人机的高层楼宇灭火装置”或中国专利公告号“CN210284612U”的名称为“高空多发射式消防灭火无人机”所述，其通过在无人机腹部挂载竖直弹仓或转轮弹仓，从而实现击发灭火效果。然而，一方面，转轮弹仓存在的问题在于，灭火弹本身是有较大重量的，随着灭火弹的依序射出和转轮弹仓的逐渐转动，空弹一侧越来越轻，使得转轮弹仓的两侧重量逐渐失衡，进而导致操控性和使用安全性均急剧降低。另一方面，竖直弹仓虽可以解决上述失衡问题，但是为了和发射器件配套，无论是转轮弹仓还是竖直弹仓都往往居中放置，这会导致无人机整体高度变高，非常不利于运输。当前，为了平衡多发式无人机的上述问题，每次无人机的挂弹量普遍不高，也使得实际的灭火效率无法提高。此外，多发式无人机考虑到击发功能，因此炮管与发射器件乃至弹仓又必须为一体设计，这使得炮管俯仰必须带动全部构件同步动作，也即所需动力要求较高，因此目前多发式无人机通常不具备炮管俯仰功能，这也极大的影响了多发式无人机的射击灵活性。因此，亟待解决。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种双工位换弹转载组件，其能安装于对象载具上，从而实现水平方向上的双工位换弹功能，以利于均衡分布弹仓，进而保证灭火过程中的载具姿态的平衡性；此外，本发明也能在确保携弹量的同时，有效降低整个载具的高度，一举多得。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

双工位换弹转载组件，其特征在于：包括摆动构件和可作往复直线运动的直行程驱动部；位于直行程驱动部的动件端的取弹部可产生沿弹仓轴向拔出灭火弹的直线拔出动作和产生沿发射部的炮管轴向装入灭火弹的直线装入动作；摆动构件用于驱动取弹部作将弹仓内灭火弹转移至发射部的进弹口的水平摆动动作。

优选的，所述直行程驱动部包括彼此啮合的主动齿轮及从动齿条，主动齿轮安装于摆动构件的传动座内，并依靠驱动电机驱动从而产生回转动作，从动齿条尾端安装所述取弹部；摆动构件包括可安装于载具上的挂载座以及位于挂载座后方的传动座，水平连杆至少为彼此平行的两根，且水平连杆的两端均铰接在传动座和挂载座上，以使得水平连杆、传动座与挂载座之间共同组合构成平面四连杆结构的摆动构件；该摆动构件依靠摆动动力源加以驱动。

优选的，以水平连杆上的与挂载座配合的一端为根部，水平连杆的根部布置从动蜗轮，摆动动力源为摆动电机，摆动电机的输出轴处设置主动蜗杆，主动蜗杆与从动蜗轮间形成蜗轮蜗杆传动副。

优选的，挂载座和传动座上均开设有用于避让从动齿条动作路径的通槽。

优选的，取弹部包括导向座，导向座处布置有轴线平行炮管轴线的夹爪，导向座上还布置有用于沿灭火弹轴向同轴的插入灭火弹尾部处中心孔内的定位尾椎；沿炮管轴线方向上，定位尾椎与夹爪存有间距。

优选的，所述夹爪包括两组夹臂，两组夹臂的底部布置有彼此啮合的传动齿轮，两组传动齿轮的轴线均平行炮管轴线，且其中一组传动齿轮与位于导向座内的传动电机间形成动力配合。

优选的，转载装置，该转载装置应用所述的双工位换弹转载组件，其特征在于：包括发射部，发射部的炮管通过安装座水平回转配合于定位板上，并依靠定位板处俯仰电机产生炮管的俯仰调节动作；定位板安装于载具上，俯仰电机的转动轴线垂直于炮管轴线；挂载座顶端设置有开口朝上的安装槽，安装槽的槽腔构成与安装座配合的配合腔。

优选的，炮管外形呈直筒体状，且尾端筒口构成进弹口；该进弹口处布置用于启闭进弹口的发射后盖，且发射后盖通过延伸臂水平铰接在炮管外壁处的安装台处；发射部还包括直动推杆，直动推杆的一端水平铰接于安装台处，另一端向进弹口方向延伸并水平铰接于发射后盖上；发射后盖的用于抵靠灭火弹尾端的内端面处同轴设置导电环，以便与灭火弹尾端的触发片间形成电连接配合。

优选的，换弹系统，该换弹系统应用所述的转载装置，其特征在于：所述弹仓为可将灭火弹输送至指定位置的输送弹链、输送弹匣或者输送转轮，弹仓沿炮管轴线所在的铅垂面面对称布置。

优选的，当弹仓为输送转轮时，弹仓的回转轴线平行发射部的炮管轴线；弹仓包括弹筒以及同轴套设于弹筒内的转鼓；转鼓的两端部分别布置前轴承与后轴承，从而与弹筒内腔壁间构成回转配合；转鼓的靠近灭火弹头部的一端布置减速电机，从而用于驱动转鼓产生回转动作；转鼓外壁处凹设有可供灭火弹放入的弹槽，各弹槽沿转鼓周向依序均布。

本发明的有益效果在于：

1)通过上述方案，本发明依靠将双工位换弹转载组件拆分为直行程驱动部和摆动构件。直行程驱动部用于将取弹部远离取弹口；而摆动构件则是精髓，用于以最小行程和最不影响载具行进姿态的方式，将取弹部摆动并推送至弹仓处，并确保取弹部仍然以准确姿态接触灭火弹尾部，最终实现精确取弹、运送及装弹功能，使用非常灵活便捷，且工作稳定性极高。

至此，本发明能安装于对象载具上，如无人机甚至是有人飞行器或高空作业塔等任意作业点处，从而配套供弹用的弹仓，实现水平方向上的双工位换弹功能，这显然有利于均衡分布弹仓，进而保证灭火过程中的载具姿态的平衡性；此外，本发明也能在确保携弹量的同时，有效降低整个载具的高度，利于实际运输，一举多得。

2)设计时，平面四连杆机构也即摆动构件由两根水平连杆、一组传动座与一组挂载座配合形成，此时，挂载座形成基点，两根水平连杆形成摆杆，传动座则形成取弹部的装载点，并依托传动座与水平连杆的铰接，来实现取弹部的平移式取弹运送及装弹效果，成效显著。

3)更具体而言，整个平面四连杆机构也即摆动构件的动力来源为摆动电机及蜗轮蜗杆传动副，以进一步保证工作的可靠性和稳定性；并避免因动作幅度过大或摆动过快等从而影响载具行进的稳定性。

4)对于直行程驱动部而言，其由齿轮齿条传动副作为核心件；工作时，直行程驱动部的从动齿条保证了取弹部的巨大行程，也即从弹仓处后退至足够远，并在平移至进弹口后还能与进弹口之间在发射部轴向上存在足以拉出灭火弹的间距。同时，从动齿条在取弹部向发射部的进弹口装载灭火弹时，又需要能够与挂载座避让，以确保从动齿条的行进稳定性及可靠性。

5)对于弹仓而言，优选采用输送转轮，以进一步降低结构复杂度，也更利于设计载具的行进重心。考虑到取弹部为夹爪夹持方式，用于夹持圆柱状的灭火弹，而夹持位置又偏向于灭火弹尾部，因此还专门设计了定位尾椎，从而避免因灭火弹的悬臂作用而产生灭火弹的夹持歪斜的情况，以确保灭火弹能以准确姿态装入发射部的炮管内。

6)作为上述方案的进一步优选方案，弹仓的安装点与装载架及发射部的安装点实际上是不一样的。这种安装方式的好处在于，作为多弹结构的弹仓，其重量相对整机重量而言占比巨大，此时将其挪出发射部之外，可保证发射部的俯仰动作的轻便性，从而提升其俯仰调节的调节便捷度。由于弹仓外置，因此需双工位换弹转载组件实现灭火弹的转送效果。

7)对于炮管而言，发射后盖一方面用于阻挡灭火弹掉出，另一方面，则依托导电环，来起到对灭火弹的电击发效果，使用起来非常便捷，性价比更高。

8)鉴于上述，本发明的换弹系统能实现发射部居中而弹仓分置左右的布局功能，从而依托左右分置的弹仓，实现载具行进过程中的平衡性、稳定性和安全性；同时，由于弹仓位于发射部两侧，整体高度更低，更利于实际运输。此外，由于弹仓采用了对称分置结构，因此需使用双工位换弹转载组件进行转运，从而在行进过程中也能实现将灭火弹由弹仓至发射部的转载过程。

附图说明

图1为本发明应用于无人机上时的工作状态图；

图2和图3为发射部的炮管的俯仰调节流程图；

图4为炮管的结构示意图；

图5为定位板及俯仰电机的结构示意图；

图6为本发明的结构示意图；

图7、图8、图9、图10、图15、图17、图18、图19、图20、图21、图22及图23为本发明的动作流程图；

图11为图10的后部视图；

图12为夹爪的结构示意图；

图13为摆动构件的俯视图；

图14为水平连杆与摆动电机的配合状态图；

图16为图15的后部视图；

图24为发射后盖开启状态下的结构示意图；

图25为发射后盖的端面视图；

图26为弹仓的结构示意图；

图27为弹仓内的转鼓的结构示意图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

A-载具；B-灭火弹；

10-摆动构件；11-挂载座；11a-安装槽；12-传动座；13-水平连杆；14-摆动电机；15-通槽；

20-发射部；21-炮管；22-安装座；23-定位板；24-俯仰电机；25-发射后盖；25a-导电环；26-直动推杆；

30-弹仓；31-弹筒；32-转鼓；32a-弹槽；33-前轴承；34-后轴承；35-减速电机；

40-直行程驱动部；41-从动齿条；

50-取弹部；51-导向座；52-夹臂；53-传动电机；54-定位尾椎；

60-安装框架。

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-27，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明的实际装配构造参照图1-3所示，可知载具A为相对更易于普及使用的无人机。当然，载具A也可以是有人飞行器，甚至是高空作业塔等任意静态作业点等，此处就不再赘述。

具体以无人机为例，载具A也即无人机的前部下方设置感应模块，如用于图像采集的摄像头模块或用于温感的温度模块等，从而能实时观看无人机所检测到画面或场地温度情况，便于观察和快速捕捉着火点。发射部20的炮管21通过定位板23安装在载具A的腹部，同时挂载座11再通过安装槽11a固定于安装座22底部。通过如图5所示的装配于其中一个定位板23上的俯仰电机24搭配安装座22，从而使发射部20连带双工位换弹转载组件一起俯仰转动；发射部20采用一根炮管21，以便置于载具A腹部的正中处。

此外，如图7-11所示，装载有灭火弹B的弹仓30通过安装框架60独立的安装在载具A腹部的两侧，这是因为弹仓30较重，不仅安装时会引起俯仰关节也即安装座22负载过高，也会影响整机高度，整体放在一侧则会影响无人机的平衡，因此弹仓30对称分布于整体结构的两侧。考虑到弹仓30的装载性，因此设计为可旋转式的转鼓32，以使得工作时能使灭火弹B旋转至指定位置，从而方便双工位换弹转载组件来更换灭火弹B。

双工位换弹转载组件则如图15-23所示的安装在发射部20的斜下方，通过如图6所示的四根水平连杆13配合挂载座11及传动座12，从而组成上下两组摆动构件10。当然，实际设计时，摆动构件10的数目也可以为一组或三组等，只需能实现相应的水平摆动功能即可；就图6而言，挂载座11及传动座12为共性点，以每两根水平连杆13配合共性点形成一组摆动构件10。摆动构件10用于配合直行程驱动部40，共同形成双工位换弹转载组件，以便完成灭火弹B的填充；双工位换弹转载组件和炮管21为整体装配，因此可随着炮管21的俯仰调节而产生同步动作。

更具体描述如下：

一、发射部20

转载装置的发射部20如图4所示的包括炮管21，且炮管21固定在如图5所示的安装座22上，整体可在俯仰电机24的作用下相对载具A作俯仰动作。炮管21前端安装制动器，可减少发射灭火弹B所产生的后坐力。同时，如图4及图24所示，发射后盖25固定在炮管21的尾端筒口，是灭火弹B的触发尾座，直动推杆26一端固定在发射后盖25的安装孔上，另外一端固定在发射后盖25上。通过直动推杆26可实现发射后盖25的打开和闭合。采用直动推杆26进行传动，相比较电机的传动结构紧凑简单，重量更轻。

如图25所示，发射后盖25后带有导电环25a，使导电环25a与灭火弹B尾部的两个触发片相接触，即可实现电击发效果。由于导电环25a的环形构造，能相对炮管21轴向任意角度安装灭火弹B都行，均能保证导电环25a与触发片的可靠接触，并通过电流触发灭火弹B，实现发射功能。

二、弹仓30

换弹系统的弹仓30如图1-11所述，实际设计时为两组。在图26-27中，可看出每组弹仓30均包括内核的旋转式的转鼓32，以及套筒状的可供转鼓32塞入并回转的弹筒31。

如图25所示，转鼓32中间采用镂空设计，可以减轻重量。三个弹槽32a圆周分布在转鼓32外壁处，后轴承34安装在减速电机35与弹槽32a中间。弹槽32a与后轴承34的外侧均与弹筒31的内腔壁接触。转鼓32端部与减速电机35的输出轴相连接，以使得减速电机35输出轴的旋转，能促使三个圆周分布的弹槽32a在后轴承34及转鼓32前端的前轴承33的滚动作用下，围绕弹筒31的轴线做旋转运动，最终带动相应的灭火弹B到达指定位置，也即转动灭火弹B至弹仓30的指定高度处。

三、双工位换弹转载组件

双工位换弹转载组件为本发明的核心部件之一。双工位换弹转载组件的外形参照图6所示，包括直行程驱动部40及摆动构件10。

摆动构件10参照图6及图13-14所示。挂载座11采用的是U型抱式结构，也即通过其上的按照固定安装在安装座22两侧，可随炮管21的旋转而旋转。四根水平连杆13、挂载座11和传动座12组成上下两对双位平面四连杆取弹填弹机构，也即摆动构件10。水平连杆13两端的铰接位置均可布置轴承座，从而保证机构的强度及稳定性。从动齿条41在传动座12内部的驱动电机驱动下，依托齿轮齿条的传动作用，实现从动齿条41的前后伸缩。取弹部50安装在从动齿条41的尾部，随着从动齿条41的伸缩移动到指定位置，从而夹取和装载灭火弹B。

摆动构件10，整体结构稳定，传动平稳且成本及其重量低。弹仓30选择放置在两侧，是由于弹仓30位置受到限制，直接放置在下端会很大程度上增加俯仰关节负载及整机的高度，总体安装在一侧则会影响无人机的平衡性。采用摆动构件10搭配直行程驱动部40，共同形成具备伸缩式双位自动取弹填弹式的双工位换弹转载组件，可以实现左右两个方向的取弹填弹功能，同时具有强度高、结构紧凑、传动效率高的优点。

更具体而言，如图6所示，一方面，直行程驱动部40的静件端也即主动齿轮所在位置，以保证整个从动齿条41的左右动作效果；另一方面，挂载座11及传动座12的中间均可设计通孔或通槽15等，从而在保证整体强度的同时，结构更为紧凑，更为了方便从动齿条41在更小体积下产生既定直线运动。挂载座11内部由双头电机也即摆动电机14来驱动主动蜗杆工作，随后如图13-14所示的带动从动蜗轮转动，最终实现水平连杆13的摆动动作。根据平面四连杆原则，传动座12可在摆动电机14通过蜗轮蜗杆体系的过渡下，旋转平移运动到炮管21两侧的弹仓30以及居中动作到发射管的尾端筒口处，从而实现取弹和装弹动作。

当然，也可以采用滑轨机构来实现取弹部50的动作目的，但是显然，由于只能对传动座12做平移运用，使得滑轨机构形成的整体结构相对较大，性价比相对更低，可作为参考使用。

此外，安装座22前端凸起从而与从动齿条41内部的管道安装配合。对于取弹部50而言，参照图12及图24-25所示，取弹部50一方面通过位于导向座51上的定位尾椎54，从而在夹持灭火弹B时起到导向作用，功能类似于车床尾椎。同时，在夹持灭火弹B时，定位尾椎54也可以减少灭火弹B对炮管21产生的悬臂弯矩。另一方面，取弹部50处布置传动电机53，以实现对如图12所示的两组夹臂52的驱动功能，从而实现图11所示的夹臂52张开和图16所示的夹臂52闭合操作。当然，夹臂52与传动电机53的齿轮驱动方式，相对于用反向的丝杆传动结构而言，构造更小，传动也相对简单。

为便于进一步理解本发明，此处结合图7-23，给出本发明的实际换弹流程如下：

本发明的初始状态如图23所示；随后，换弹时或第一次装弹时，发射后盖25在直动推杆26作用下打开，且取弹部50的夹爪张开，如图7及图12所示。再后，直行程驱动部40动作，从而使取弹部50在齿轮齿条传动作用下伸出，如图8所示。之后，挂载座11内部的摆动电机14工作，通过蜗轮蜗杆传动，带动传动座12产生如图13-14所示的摆动动作，最终如图10-11所示的移动至指定位置。再后，取弹部50在从动齿条41的作用下，缩回到弹仓30尾端处；夹爪开始夹紧灭火弹B，且定位尾椎54随从动齿条41的回缩而插入灭火弹B尾端处中心孔，如图15-16所示。再后，从动齿条41在驱动电机及主动齿轮的作用下，产生复位伸长动作，使得取弹部50连同夹紧的灭火弹B一起动作，从而如图12所示的将灭火弹B拖出弹仓30，为后续转载移动做准备。待摆动构件10复位后，此时灭火弹B移动至与炮管21同轴，如图18所示。此时，从动齿条41回缩，灭火弹B随之进入炮管21内，如图19所示。当灭火弹B行进至夹爪与炮管21尾端筒口产生干涉时，夹爪松开，此时灭火弹B在炮管21和定位尾椎54作用下，仍能保证与灭火弹B与炮管21的同轴性，如图20所示。再后，从动齿条41继续回缩，直至灭火弹B整体如图21所示的插入炮管21内。再后，从动齿条41重新伸长，使得带有定位尾椎54及夹爪的取弹部50远离炮管21，为发射后盖25的闭合动作以及后续击发操作提供空间，如图22所示。最后，发射后盖25在直动推杆26作用下闭合，此时导电环25a与灭火弹B尾端的触发片接触，如图23所示。

当每次击发完成后，重新开始上述换弹操作即可。如灭火弹B的外壳需拔出，也可以利用取弹部50协助完成。当然，本发明更优选的，则是配合俯仰电机24，在发射后盖25打开的情况下，利用炮管21产生如图2所示的后仰动作，从而利用重力掉落外壳。炮管21自身的俯仰动作则可以在线调整射击角度，以保证射击的精确性；而炮管21由于无需挂在质地更重的弹仓30，调节的轻便性和使用的可靠性也相应的进一步提升。

此外，为进一步保证无人机的行进稳定性，取弹部50的取弹操作可以在两侧弹仓30上依序往复进行，此处就不再赘述。

至此，本发明的技术优势可简述如下：

1.无需返回地面换弹，很大程度上提高了换弹效率；

2.所携带的灭火弹B数目多，同时整体的重量更轻；

3.可适用多种场合，尤其对于高空火势较大作业，相对其他无人机灭火效率而言更高；

4.携带多枚灭火弹B且可自动装填；

5.结构上更为安全稳定、传动可靠、质量轻，所需成本则进一步降低；

6.摆动构件10整体构造紧凑、结构小巧且质量轻，动作稳定可靠；

7.双工位换弹转载组件可以实现左右双位取弹，可以保证取弹装弹的同时，结构紧凑且平衡性高；

8.取弹部50在装填过程中，可将灭火弹B完全对准炮管21，装填精准度高；

9.弹仓30的独立设计，使得炮管21俯仰动作时，仅需考虑炮管21及双工位换弹转载组件，而无需考虑弹仓30的协同动作，俯仰调节更为精准轻便，结构可靠性更高。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。