趙搶搶，侯保林

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

某火炮自動(dòng)供彈機(jī)是典型的鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作時(shí)由2 個(gè)電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)鏈輪，帶動(dòng)貯彈筒運(yùn)動(dòng)，將選定的彈丸輸送到指定位置。被選定彈丸停靠位置的精確度將直接影響自動(dòng)供彈機(jī)運(yùn)行的連續(xù)性與可靠性，為此需要對(duì)影響彈丸定位精度的重要因素進(jìn)行分析。由于在實(shí)際情況下影響自動(dòng)供彈機(jī)定位精度的因素非常多，每種情況都做分析并不現(xiàn)實(shí)，因此本文分析了3 種在實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常遇到的影響因素:彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的變化、滾輪磨損脫落以及基礎(chǔ)擾動(dòng)的影響，由此獲得了各參數(shù)對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)定位精度的具體影響情況。

1 仿真模型的建立

1.1 自動(dòng)供彈機(jī)虛擬樣機(jī)的建立與簡(jiǎn)化

自動(dòng)供彈機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為減少建模和求解過(guò)程中的人為錯(cuò)誤，提高計(jì)算效率，需要在建立供彈機(jī)虛擬樣機(jī)時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。由于在ADAMS 中模型外形并不影響計(jì)算結(jié)果，而三維模型的計(jì)算卻比二維模型要復(fù)雜得多，因此本文在ADAMS 中建立的供彈機(jī)模型為二維模型，各零件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過(guò)user input 的方式定義。根據(jù)供彈機(jī)各零部件間的拓?fù)潢P(guān)系，在ADAMS 中建立了主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、供彈機(jī)支架、25 個(gè)彈筒、相應(yīng)數(shù)量的滾輪以及減速箱。減速箱也進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，包括小齒輪、大齒輪及蝸輪蝸桿4個(gè)剛體。虛擬樣機(jī)模型如圖1 所示。

圖1 ADAMS 中建立的虛擬樣機(jī)模型

各部件拓?fù)潢P(guān)系如下:供彈機(jī)支架與慣性系固定;主動(dòng)輪、從動(dòng)輪與供彈機(jī)支架鉸接，有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度;小齒輪、大齒輪、蝸輪蝸桿都與供彈機(jī)支架鉸接，各有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。小齒輪與大齒輪、大齒輪與蝸桿、蝸桿與蝸輪間通過(guò)齒輪副連接，同時(shí)蝸輪與主動(dòng)輪固聯(lián);每2 個(gè)相鄰彈筒間鉸接，有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度;每個(gè)彈丸與相應(yīng)的彈筒固聯(lián);每個(gè)滾輪與相應(yīng)的彈筒鉸接，有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，同時(shí)滾輪與供彈機(jī)支架、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪實(shí)體接觸。驅(qū)動(dòng)力矩加載在小齒輪上，其大小由simulink 中的控制系統(tǒng)輸入。

1.2 控制系統(tǒng)的建立

當(dāng)把所有構(gòu)件都看做剛體時(shí)，彈倉(cāng)表現(xiàn)為一單自由度剛體系統(tǒng)。取主動(dòng)輪為等效構(gòu)件，可用單自由度系統(tǒng)的等效方法來(lái)建立彈倉(cāng)的運(yùn)動(dòng)方程

其中，Me為等效力矩

式中:Fk(k=1，2，…，25)為作用在彈筒上的外力;vk為外力Fk作用點(diǎn)的速度;αk為Fk作用方向和vk方向之間的夾角;Td為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩;i1、i2和i3分別為總傳動(dòng)比、小齒輪和大齒輪到蝸輪的傳動(dòng)比以及蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比;η1、η2和η3分別為對(duì)應(yīng)各傳動(dòng)比的機(jī)械傳動(dòng)效率;ω=dθ/dt 為等效構(gòu)件(主動(dòng)輪)的角速度。

等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

式中:ωj為第j 個(gè)彈筒的角速度;vsj為第j 個(gè)彈筒質(zhì)心的速度;I01、I23、I45及Ic分別為電機(jī)和小齒輪、大齒輪、蝸桿以及蝸輪和主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與主動(dòng)輪相同。

其中，等效力矩Me由電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩等效于主動(dòng)輪上的力矩、重力作用于彈筒上形成的等效力矩、作用于各構(gòu)件上的摩擦力形成的等效力矩等各項(xiàng)構(gòu)成。

在實(shí)際控制中，采取在電機(jī)一啟動(dòng)就開(kāi)始進(jìn)行反饋控制的方法是比較難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的。根據(jù)本文的實(shí)際情況，采取如下控制策略:當(dāng)待發(fā)射彈丸快要到位時(shí)，才開(kāi)始實(shí)施反饋控制，而對(duì)彈筒在前面時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，僅讓電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)自由運(yùn)行，盡量使得在各種情況下的位置控制起點(diǎn)和彈筒運(yùn)動(dòng)速度相同或相近。本文控制目標(biāo)為主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)180°，即彈筒旋轉(zhuǎn)2 個(gè)彈距，每個(gè)彈距185 mm。在接近目標(biāo)值前45°時(shí)實(shí)施反饋控制。由此，得出系統(tǒng)的控制框圖如圖2 所示。

圖2中，方框表示自動(dòng)供彈機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)(動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖1)，電機(jī)用狀態(tài)矩陣的形式表示，電機(jī)的基本參數(shù)為:R=0.3，La=0.02，k?=0.035，KT=0.035。

在傳動(dòng)元件中，用效率標(biāo)識(shí)齒輪傳動(dòng)間的摩擦影響，取滾輪與軌道間的摩擦系數(shù)為0.1。取第1 級(jí)、第2 級(jí)的傳動(dòng)效率η1、η2均為0.95，蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率為0.5。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2 計(jì)算分析結(jié)果

2.1 彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目不確定的影響

彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的變化是造成自動(dòng)供彈機(jī)控制復(fù)雜的1個(gè)重要因素。實(shí)際中，彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的變化情況復(fù)雜，不可能一一進(jìn)行分析，為此本文選擇了4 種極端情況:①?gòu)椡踩繚M載;②彈筒全部空載;③上軌道有12 發(fā)彈筒不帶彈丸;④下軌道有12 發(fā)彈筒不帶彈丸。通過(guò)比較這4 種極端情況下系統(tǒng)定位精度的差別，以了解系統(tǒng)的變化特性。為方便比較，選擇只做平動(dòng)的4 號(hào)彈筒為參考。圖3 ～圖6 給出了4 種情況的若干計(jì)算結(jié)果。

圖3 滿載4 號(hào)彈筒位移

圖4 空載4 號(hào)彈筒位移

圖5 軌道滿載4 號(hào)彈筒位移

圖6 下軌道滿載4 號(hào)彈筒位移

根據(jù)圖3 ～圖6，可得出對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同負(fù)載下計(jì)算結(jié)果對(duì)比

比較上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目不同，將導(dǎo)致系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)所受阻力矩也不同。其直接結(jié)果就是使得系統(tǒng)定位精度不穩(wěn)定。由此可以確定，彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的不同，會(huì)直接影響自動(dòng)供彈機(jī)的定位精度，且影響較大。

2.2 滾輪磨損掉落的影響

實(shí)際情況中，滾輪所用材料為尼龍。根據(jù)使用情況來(lái)看，在使用一段時(shí)間后，滾輪可能會(huì)開(kāi)裂而脫落，從而導(dǎo)致滾輪軸直接與主從動(dòng)輪及導(dǎo)軌接觸。考慮到主動(dòng)輪與滾輪接觸時(shí)沖擊振動(dòng)比較大，為模擬真實(shí)的情況，假設(shè)模型中與主動(dòng)輪接觸的滾輪掉落2 個(gè)，在此選擇1 號(hào)彈筒和24 號(hào)彈筒滾輪脫落，整個(gè)模型滿載。

修改模型后的計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 滾輪脫落后4 號(hào)彈筒位移

滾輪脫落后，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角位3.142 rad，彈筒位移為369.308 7 mm，其定位誤差為0.691 3 mm?？梢?jiàn)滾輪脫落對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)定位精度的影響并不大。但仔細(xì)比較滿載情況下滾輪沒(méi)有脫落的位移曲線和滾輪脫落后的位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，滾輪脫落后的位移曲線并不如未脫落前的位移曲線光滑。這是因?yàn)闈L輪脫落后，主動(dòng)輪直接與滾輪軸接觸，配合存在間隙，使得其接觸時(shí)沖擊振動(dòng)比較大，自動(dòng)供彈機(jī)雖能比較準(zhǔn)確定位，但其運(yùn)動(dòng)過(guò)程卻不夠平穩(wěn)。

2.3 基礎(chǔ)擾動(dòng)的影響

在某火炮的實(shí)際使用過(guò)程中，裝填的過(guò)程并不一定處于停車狀態(tài)，很多時(shí)候需要在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行裝填，或者在發(fā)射后裝填，因此自動(dòng)供彈機(jī)在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)受車身振動(dòng)的影響。根據(jù)以往所做實(shí)驗(yàn)獲得的車身振動(dòng)曲線，給系統(tǒng)在y 方向添加1 個(gè)強(qiáng)迫位移來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)中的擾動(dòng)情況，其大小如圖8所示。

圖8 添加于系統(tǒng)的基礎(chǔ)擾動(dòng)

在滿載情況下，計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。

圖9 存在基礎(chǔ)擾動(dòng)的4 號(hào)彈筒位移

在存在基礎(chǔ)擾動(dòng)的情況下，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角為3.143 9 rad，彈筒位移為369.518 9 mm。因此，在基礎(chǔ)擾動(dòng)并不太大的情況下，擾動(dòng)對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)定位精度的影響并不明顯。但觀察4 號(hào)彈筒在y 方向的位移(圖10)可發(fā)現(xiàn)，4 號(hào)彈筒在y 方向的位移曲線明顯不如添加的基礎(chǔ)擾動(dòng)曲線光滑，說(shuō)明在添加基礎(chǔ)擾動(dòng)之后，彈筒在y 方向會(huì)發(fā)生跳動(dòng)，明顯影響自動(dòng)供彈機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖10 4 號(hào)彈筒在y 方向的位移

3 結(jié)束語(yǔ)

分析比較3 種不同情況下自動(dòng)供彈機(jī)的定位誤差可知:彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的變化是影響供彈機(jī)定位誤差的主要因素，彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目不同，供彈機(jī)定位精度差別明顯;在實(shí)際使用中，若能及時(shí)檢查更換脫落的滾輪，保證滾輪脫落數(shù)不多，并不會(huì)對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)的定位精度有很大影響，但滾輪脫落會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)供彈機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生沖擊振動(dòng);實(shí)際使用過(guò)程中，系統(tǒng)的基礎(chǔ)擾動(dòng)不會(huì)對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)的定位精度產(chǎn)生明顯影響，但會(huì)導(dǎo)致供彈機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。

［1］侯保林，樵軍謀，劉琮敏.火炮自動(dòng)裝填［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2010:217-218.

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