閆鵬程，郝馳宇，2，孫華剛，劉 超

（1.軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；3.中國(guó)人民解放軍92853部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125100）

現(xiàn)代自行火炮的發(fā)展趨勢(shì)為自動(dòng)填裝，實(shí)現(xiàn)彈藥的自動(dòng)填裝具有提高火炮射速、增大火炮威力等優(yōu)勢(shì)［1］。輸彈機(jī)是自行火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，主要作用是將輸彈線上面的彈丸或藥筒，迅速可靠地輸送到炮膛內(nèi)，提高火炮發(fā)射速度。

目前在自動(dòng)裝填系統(tǒng)中存在兩種形式的鏈傳動(dòng)，研究較多的是首尾相接的閉環(huán)旋轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，而筆者所研究輸彈機(jī)的鏈條結(jié)構(gòu)是首尾不相接的開式鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，相關(guān)研究較少。如圖1所示，不工作時(shí)鏈條呈柔性體，輸彈過程中鏈輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過卡鎖機(jī)構(gòu)時(shí)鎖爪閉鎖，內(nèi)外鏈板端面閉合，鏈條成為剛性桿推動(dòng)彈丸入膛。收鏈過程中，剛性鏈條經(jīng)過解鎖機(jī)構(gòu)時(shí)解鎖，收回到鏈盒中。這種開式輸彈鏈條，其實(shí)質(zhì)是通過大量的接觸及碰撞來(lái)完成力和運(yùn)動(dòng)的傳遞。由于輸彈機(jī)通常在高速重載的惡劣環(huán)境下運(yùn)行，使其成為自動(dòng)填裝系統(tǒng)中故障發(fā)生率較高的子系統(tǒng)。

針對(duì)以往的動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)于機(jī)構(gòu)中普遍存在的接觸碰撞問題解決得不夠完善、求解效率低下、求解穩(wěn)定性差等問題，RecurDyn軟件采用相對(duì)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，可以完成復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)的仿真與受力分析，非常適合于大規(guī)模多碰撞的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題［2］。筆者從輸彈機(jī)的機(jī)構(gòu)原理和理論分析出發(fā)，針對(duì)理論計(jì)算過于繁瑣的問題，利用RecurDyn軟件建立虛擬樣機(jī)，結(jié)合AMESim 建立的液壓傳動(dòng)模型對(duì)輸彈機(jī)的輸彈行程開展了聯(lián)合仿真研究，得到了輸彈機(jī)在輸彈過程中的動(dòng)力學(xué)特性。

1 輸彈機(jī)剛體動(dòng)力學(xué)研究

1.1 主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

該輸彈機(jī)為液壓驅(qū)動(dòng)鏈條式輸彈機(jī)，主要是由齒輪箱體、鏈盒、鏈條和推殼機(jī)構(gòu)等組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

輸彈系統(tǒng)以液壓馬達(dá)為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)鏈條將輸彈線上的彈丸快速入膛，彈丸推到接近卡膛位置時(shí)，靠彈丸慣性運(yùn)動(dòng)直至卡膛，彈丸的卡膛速度在3m／s以上時(shí)就能保證卡膛閉氣。輸彈過程中，鏈條伸出2.2m 左右時(shí)，末位行程開關(guān)起作用，鏈條迅速回收到位，液壓馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn)［3］。

1.2 輸彈過程的動(dòng)力學(xué)計(jì)算

應(yīng)用剛體動(dòng)力學(xué)單自由度等效法對(duì)輸彈機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析［4］。將輸彈機(jī)機(jī)械部分所有元件的慣性特性和所受負(fù)載等效到液壓馬達(dá)軸上，形成一等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和一等效負(fù)載力矩。根據(jù)折算前后動(dòng)能相等的原則，可以推算出等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je的表達(dá)式

式中：vsj為第j個(gè)構(gòu)件的質(zhì)心速度；Jj為第j個(gè)構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωj為第j個(gè)構(gòu)件的角速度；ω為等效構(gòu)件的角速度；n為活動(dòng)構(gòu)件總數(shù)。

等效力矩Me為

式中：φ為轉(zhuǎn)角；等效力矩Me＝Md－Mr，Md為驅(qū)動(dòng)力矩，Mr為阻力矩。

根據(jù)上述公式，利用數(shù)值方法可以求得輸彈鏈輪的速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。但是在輸彈行程中，輸彈機(jī)鏈傳動(dòng)中每個(gè)構(gòu)件（包括鏈板、鎖爪、鏈條頭等）在不同時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)都是不斷變化的，而且機(jī)構(gòu)中存在復(fù)雜的接觸碰撞過程，如果單獨(dú)考慮每個(gè)構(gòu)件的狀態(tài)，需要耗費(fèi)大量的精力，而簡(jiǎn)化則會(huì)影響計(jì)算的精度，所以用虛擬樣機(jī)來(lái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真可以在保證精度的前提下減少計(jì)算的工作量。

2 輸彈機(jī)虛擬樣機(jī)建模

進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模的過程如圖3所示。由于RecurDyn的幾何建模功能有限，需要借助第三方CAD 軟件進(jìn)行幾何建模，然后再把幾何模型信息保存成中間格式，導(dǎo)入到RecurDyn中進(jìn)行仿真分析。

2.1 模型的三維實(shí)體建模

在SolidWorks環(huán)境中分別建立了鏈盒、鏈條、鏈輪、卡鎖機(jī)構(gòu)及推殼小車等輸彈機(jī)部件的三維實(shí)體模型。在建立輸彈機(jī)各部件的三維模型之后，將其按裝配圖進(jìn)行裝配，完成輸彈機(jī)三維模型的建立。

2.2 約束與接觸的添加

在導(dǎo)入幾何模型并完成簡(jiǎn)化之后，需要在輸彈機(jī)的各零部件之間添加約束，約束的添加需要符合輸彈機(jī)的實(shí)際工況和部件間的真實(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如圖4所示，根據(jù)輸彈機(jī)的拓?fù)潢P(guān)系，為輸彈機(jī)添加合理的約束［5］，其中：H1、H2、H8為固定鉸；H3為旋轉(zhuǎn)鉸；H4、H5、H6、H7為非完整約束，在模型中通過定義接觸對(duì)來(lái)進(jìn)行非完整約束的定義。

RecurDyn中提供了豐富的接觸類型來(lái)根據(jù)需求選取最合適的接觸方法，目前支持三大類：面面接觸、分析接觸和實(shí)體接觸共26 種接觸［2］。根據(jù)輸彈機(jī)的實(shí)際工況為其部件建立相應(yīng)的合理接觸。最終建立的輸彈機(jī)虛擬樣機(jī)模型如圖5所示。

3 液壓傳動(dòng)模型的建立

3.1 輸彈機(jī)的液壓傳動(dòng)原理［3］

圖6為輸彈機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，在輸彈過程中，直流電機(jī)帶動(dòng)雙聯(lián)泵為輸彈機(jī)提供液壓動(dòng)力，控制機(jī)構(gòu)由控制壓力、流量和流動(dòng)方向的液壓閥組組成，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)為帶動(dòng)輸彈鏈輪運(yùn)轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)。

3.2 液壓系統(tǒng)的建模

根據(jù)輸彈機(jī)液壓傳動(dòng)原理及其數(shù)學(xué)模型，利用AMESim 液壓仿真軟件，建立如圖7所示的液壓傳動(dòng)模型。

圖中：直流電機(jī)的額定電壓56V，額定功率4 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000r／min，空載電流不大于30A；雙聯(lián)泵大泵排量16ml／r，小泵排量10ml／r；柱塞馬達(dá)每轉(zhuǎn)10ml／r；敞開式油箱容積45l；系統(tǒng)工作壓力10 MPa，安全閥壓力12.5 MPa。

輸彈機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)作取決于兩個(gè)電磁閥的先后工作狀態(tài)，兩個(gè)電磁閥都是二位四通的。輸彈時(shí)，1＃電磁閥通電，大、小泵泵出的液壓油經(jīng)過油濾后，進(jìn)入液壓馬達(dá)，再經(jīng)過2＃電磁閥、集流盤和回油管路回油箱，此時(shí)液壓馬達(dá)工作，完成輸彈動(dòng)作。當(dāng)輸彈行程結(jié)束時(shí)，1＃電磁閥斷電，2＃電磁閥工作，液壓馬達(dá)反向帶動(dòng)鏈條收回。

3.3 聯(lián)合仿真驗(yàn)證

利用AMESim 建立的液壓傳動(dòng)模型與Recur－Dyn中建立的機(jī)械傳動(dòng)模型，模擬真實(shí)工況，選取步長(zhǎng)為0.005s，計(jì)其重力，進(jìn)行聯(lián)合仿真。針對(duì)輸彈機(jī)在不同擺角下輸彈行程時(shí)間的仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性來(lái)評(píng)價(jià)仿真模型的可信度［6］。從表1中可以看出，在3種擺角條件下仿真值均落于試驗(yàn)值的區(qū)間之內(nèi)，說(shuō)明仿真模型的計(jì)算結(jié)果是可信的。

表1 試驗(yàn)值與仿真值的數(shù)據(jù)對(duì)比

4 輸彈機(jī)剛體動(dòng)力學(xué)研究

4.1 鏈條頭與彈丸的動(dòng)力學(xué)特性

圖8所示曲線分別為輸彈機(jī)鏈條位移、速度及加速度的特性曲線。

從圖中可以看出：鏈條的位移曲線平穩(wěn)增加，最大值約為2.25m，符合設(shè)計(jì)要求。從鏈條速度曲線上來(lái)看，經(jīng)歷了加速－勻速－減速的階段，最大速度在3～4m／s之間，并且速度曲線是上下波動(dòng)的，這是由于鏈輪齒數(shù)少（僅有5 個(gè)齒），節(jié)距較大，當(dāng)主動(dòng)鏈輪以平穩(wěn)的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，節(jié)圓和節(jié)線的多邊形不重合，導(dǎo)致從動(dòng)的滾子帶動(dòng)鏈條的速度及加速度均不是平穩(wěn)變化的，鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鏈條運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性［7］。

圖9所示曲線分別為彈丸位移、速度及加速度的特性曲線，分析圖中曲線可以得出：彈丸在輸彈行程結(jié)束后完成卡膛動(dòng)作，卡膛速度約為3.2m／s，達(dá)到了卡膛閉氣的設(shè)計(jì)要求；而隨著彈丸位移的平穩(wěn)增加，彈丸速度曲線有一個(gè)明顯的“爬升”，從彈丸的加速度曲線中也可以看出有明顯的沖擊峰，從圖中也可以看出每一次沖擊對(duì)應(yīng)著一次“爬升”，彈丸加速度的峰值近70m／s2，這是因?yàn)樵谳攺椥谐讨校瑒傂枣湕l頭部與彈丸底部有著反復(fù)接觸，推動(dòng)彈丸前行產(chǎn)生了較大的沖擊載荷。

4.2 部件間的碰撞特性

圖10所示曲線分別為鏈條頭與彈丸、第1 對(duì)鏈板及第1個(gè)鎖爪與卡鎖機(jī)構(gòu)之間的碰撞力特性曲線，分析各構(gòu)件之間的碰撞力曲線可以得出：

1）鏈條頭與彈丸之間存在間斷性的沖擊載荷，其沖擊峰值為4kN 左右。

2）內(nèi)外鏈板之間的碰撞力曲線有著明顯的波動(dòng)性，峰值出現(xiàn)在輸彈初期，大約為1.2kN。

3）鎖爪與卡鎖機(jī)構(gòu)接觸的時(shí)間很短，大約為0.02s，碰撞力的瞬態(tài)峰值為10kN 左右。

綜上所述可以得出，輸彈機(jī)在高速重載的環(huán)境下，鏈條的多邊形效應(yīng)以及鏈條頭與彈丸的周期性沖擊從而導(dǎo)致輸彈運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性造成了輸彈機(jī)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間在很短的時(shí)間內(nèi)存在較大的沖擊載荷，這樣大的沖擊載荷會(huì)增大接觸構(gòu)件之間的磨損，加大系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，降低傳動(dòng)的效率，在長(zhǎng)期運(yùn)行后可能會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)失效等問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者分析了某開式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)的運(yùn)行原理，在對(duì)其進(jìn)行理論分析建模的基礎(chǔ)上，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了開式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)的虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真模型，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其可信度，然后在模擬真實(shí)工況的動(dòng)力學(xué)仿真中得到并分析了其動(dòng)力學(xué)特性，為下一步進(jìn)行開式鏈傳動(dòng)輸彈機(jī)故障診斷的仿真打下了基礎(chǔ)。

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