鄭建興,張相炎

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

基于RecurDyn的同步帶彈箱動(dòng)態(tài)特性仿真研究

鄭建興,張相炎

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

火炮在高速射擊時(shí),為了保證射擊的穩(wěn)定性和連續(xù)性,可靠的彈箱系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。在吸取同步帶傳動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了一套基于同步帶傳動(dòng)技術(shù)的彈箱系統(tǒng)。為了解同步帶彈箱的運(yùn)動(dòng)特性,進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),利用多剛體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn和Pro/E軟件建立同步帶彈箱系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)分析彈箱的整體工作特性和炮彈在整個(gè)供輸彈過(guò)程中的受力情況,證明了設(shè)計(jì)的可行性和合理性,為新型無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

機(jī)械學(xué);無(wú)鏈供彈系統(tǒng);彈箱;RecurDyn仿真;同步帶傳動(dòng)

無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的彈箱結(jié)構(gòu)和性能是供彈系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確供彈的關(guān)鍵,也是無(wú)鏈供彈系統(tǒng)研究的一個(gè)重點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)是一種嚙合傳動(dòng),兼有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),具有傳動(dòng)準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比大、傳動(dòng)速度高、平穩(wěn)、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低等突出的優(yōu)點(diǎn)[1]。因此,采用同步帶傳送系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)彈箱快速和準(zhǔn)確供彈。

RecurDyn(Recursive Dynamic)是新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件,非常適合于求解大規(guī)模及復(fù)雜接觸的多體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[2]。同步帶的仿真時(shí),可以借助有限元的思想,用尺寸較小的剛帶塊將帶離散化,帶塊之間通過(guò)施加約束來(lái)連接[3]。在Recur-Dyn集成了Belt模塊,能夠快速和準(zhǔn)確地建立同步帶模型。

筆者將結(jié)合同步帶傳動(dòng)技術(shù)和RecurDyn仿真軟件,研究并設(shè)計(jì)適合于高速供輸彈的無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的彈箱結(jié)構(gòu)。

1 彈箱建模

1.1 彈箱模型

彈箱的主要功能是實(shí)現(xiàn)炮彈的存儲(chǔ)和在射擊時(shí)快速準(zhǔn)確的供彈[4]。在仔細(xì)研究和分析現(xiàn)有的彈箱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了基于同步帶傳動(dòng)的分層存儲(chǔ)的組合式彈箱結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)主要包括同步帶傳送帶和剛性導(dǎo)引及撥彈轉(zhuǎn)輪。通過(guò)RecurDyn和Pro/E建立彈箱的系統(tǒng)模型,如圖1所示。

系統(tǒng)中同步帶的建模主要是通過(guò)RecurDyn的Belt-pulley皮帶工具包實(shí)現(xiàn),其能夠自動(dòng)定義皮帶與滑輪之間的接觸作用力,可以精確地給出系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性,從而改進(jìn)和完善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5]。同步帶通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)XH同步帶上添加彈槽實(shí)現(xiàn),具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置主要根據(jù)同步帶的尺寸標(biāo)準(zhǔn)和彈箱的供輸彈速率要求等要素來(lái)確定,其值如圖2和表1所示。

表1 同步帶建模參數(shù)[6]Tab.1 The modeling parameter of timing belt

對(duì)各個(gè)零件定義相關(guān)的約束和接觸,其中固定副10個(gè),旋轉(zhuǎn)副6個(gè),在炮彈和同步帶上的彈槽之間定義實(shí)體接觸副20個(gè),彈和剛性導(dǎo)引及撥彈轉(zhuǎn)輪之間定義面面接觸副35個(gè)。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),碰撞接觸的參數(shù)選取如表2所示。

表2 彈箱動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)設(shè)置Tab.2 Virtual prototype modeling parameter of ammunition box

1.2 基于RecurDyn軟件的接觸力理論[7]

在RecurDyn中,物體之間的接觸力的計(jì)算公式為:

式中:k為彈性系數(shù),用于指定接觸的剛度;c為接觸阻尼;m1,m2,m3分別為剛度、阻尼、以及壓痕因數(shù),是描述接觸的非線(xiàn)性量的參數(shù);δ,˙δ為接觸穿透量以及穿透量的導(dǎo)數(shù)。

這些參數(shù)的取值取決于材料的類(lèi)型和尺寸等。

2 仿真結(jié)果分析

為了提高計(jì)算速度,縮短計(jì)算時(shí)間,仿真計(jì)算時(shí)只計(jì)算3枚彈從第2層同步帶傳送到第1層同步帶出彈口處的過(guò)程中炮彈受力和運(yùn)動(dòng)情況,如圖1所示。為了保證供彈的連續(xù)性,匹配撥彈轉(zhuǎn)輪和帶輪的轉(zhuǎn)速為:撥彈轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速為1 320°/s,同步帶帶輪的轉(zhuǎn)速為840°/s,此時(shí),系統(tǒng)的供彈速率達(dá)到了1 540發(fā)/分。確定仿真時(shí)間為1.5 s,仿真步數(shù)為150,每步計(jì)算的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。

圖3所示是同步帶2上的一個(gè)帶塊的y向位移曲線(xiàn),從圖中可以看出,同步帶在傳動(dòng)過(guò)程中存在橫向振動(dòng)特性。影響同步帶傳動(dòng)橫向振動(dòng)的因素很多,主要由同步帶截面的大小、材質(zhì)、質(zhì)量、速度、張緊力及同步帶輪的制造誤差等[8]。

圖4為同步帶主從帶輪的轉(zhuǎn)速圖。由于同步帶傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)以及帶齒和帶輪齒之間存在嚙合間隙的影響,從圖4可以看出,主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速保持恒定,而從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了一些震蕩,并能夠逐漸趨于同步。

同步帶傳動(dòng)的這些特性對(duì)彈箱的總體傳動(dòng)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響,在實(shí)際運(yùn)用時(shí)可以通過(guò)選擇合理的參數(shù)或者選用圓弧齒同步帶等措施來(lái)盡量減小同步帶的橫向振動(dòng)和從動(dòng)帶輪的轉(zhuǎn)速振蕩,從而達(dá)到更加平穩(wěn)的炮彈輸送效果。

圖5是炮彈在仿真計(jì)算過(guò)程中的位移曲線(xiàn)(參考坐標(biāo)位于模型中心),可以看出,炮彈整體上處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),但是也存在一定的擾動(dòng),這是由于同步帶的振動(dòng)和炮彈在同步帶之間的轉(zhuǎn)接碰撞振動(dòng)造成的。

在彈箱的工作過(guò)程中,炮彈受到了多方面的作用力,炮彈1和各個(gè)部件之間的接觸力為例:炮彈的加速度曲線(xiàn)和轉(zhuǎn)輪和炮彈1的接觸力曲線(xiàn)分別如圖6和圖7所示。剛性導(dǎo)引以及同步帶和炮彈1的接觸力曲線(xiàn)分別如圖8和圖9所示。

從圖6可見(jiàn),在0.13 s和0.77 s處,炮彈 1的加速度產(chǎn)生峰值和振蕩,這主要是炮彈在0.13 s處和0.77 s處開(kāi)始進(jìn)入導(dǎo)引的圓弧段,速度突變較大,因而產(chǎn)生加速度峰值。在圖7和圖8中也可以看出,在0.13 s時(shí)是產(chǎn)生了很大的接觸力,這正好與圖6相吻合。而圖7和圖8中的接觸力的振蕩主要是由撥彈轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)引對(duì)炮彈的雙重作用和導(dǎo)引在仿真計(jì)算時(shí)采取小平面代替圓弧面而帶來(lái)的穿透深度的變化造成的。

圖9的同步帶3及同步帶1和炮彈之間的接觸力變化也體現(xiàn)了上述特性。在0.15 s后帶3和彈1分離,接觸力突變?yōu)?,在0.22 s處帶1和彈接觸,出現(xiàn)接觸力。對(duì)于同步帶4和同步帶2與彈1的接觸力曲線(xiàn)分別與帶3和帶1的曲線(xiàn)相似。

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果符合實(shí)際變化趨勢(shì)和規(guī)律,表明彈箱系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模的正確性,仿真結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用 RecurDyn的 Belt-pulley模塊和Pro/E設(shè)計(jì)和建立了基于同步帶傳送技術(shù)的無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的彈箱模型,通過(guò)多剛體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn對(duì)彈箱進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析,研究了彈箱的工作特性和炮彈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況,驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和合理性,為無(wú)鏈供彈系統(tǒng)和同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步的分析研究奠定了基礎(chǔ)。

References)

[1]袁愛(ài)霞.同步帶傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào).1998,9(4):74-78.

YUAN Ai-xia.Optimal design of synchronous beltdrive[J].Journal of Guangxi Institute of Technology,1998,9(4):74-78.(in Chinese)

[2]范秋霞.采煤機(jī)搬運(yùn)車(chē)(單驅(qū))靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)仿真[D].太原:太原理工大學(xué),2007.

FAN Qiu-xia.The Static analysis and dynamic simulation of transport-car with coal cutter(single driving)[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2007.(in Chinese)

[3]尚欣,丁靜,薛河.帶傳動(dòng)虛擬樣機(jī)的初步研究[J].煤礦機(jī)械,2005(6):35-36.

SHANG Xin,DING Jing,XUE He.Pilot study of belt drive of virtual prototyping technology[J].Journal of Colliery Mechanism,2005(6):35-36.(in Chinese)

[4]黃小平.全可燃藥筒供彈系統(tǒng)虛擬樣機(jī)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2008.

HUANG Xiao-ping.Research of fully combustible cartridge case feed system virtual prototype[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2008.(in Chinese)

[5]WAN-SUK YOO,SUNG-SOO KIM.Multibody dynamics research in Korea[J].JSME International Journal,2003,46(2)Series C:449-458.

[6]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

Editorial Committee of Mechanical Design Hand Book.Belt-drive and chain-drive of mechanical design manual[M].Beijing:China M achine Press,2007.(in Chinese)[7]FunctionBay.RecurDynTM/Basic Tutorials[M].Korea:FunctionBay.Inc,2006.

[8]張大為.同步帶傳動(dòng)靜態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能分析研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2008.

ZHANG Da-wei.Synchronous belt static capability and dynamic capability analysis and research[D].Changchun:Changchun University of Science and Technology,2008.(in Chinese)

Dynamic Characteristic Research of Timing Belt Ammunition Box Based on RecurDyn

ZHENG Jian-xing,ZHANG Xiang-yan

(Mechanical Engineering College,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to ensure the stabilization and continuity of gun fire at high rate of fire,the reliable ammunition box system is the key part of linkless feed system.Based on the technology of timing belt drive system,a new kind of ammunition box was designed to meet the needs of feed system.To understand the working characteristic of the ammunition box and further optimize the structure parameters,the ammunition box virtual prototype model was established and simulated with the aid of RecurDyn software of multiple-rigid-body system and Pro/E software.After studying the working characteristic of the ammunition box and also the contact force of the gun round during the whole operation process of feed and ramming systems,the verification of the design feasibility and rationality were performed.The study results showed that the design can provide solid base for the further research on new type of the linkless feed system.

mechanics;linkless feed system;ammunition box;RecurDyn simulation;timing belt system

TH113.2

A

1673-6524(2010)04-0075-04

2010-01-27;

2010-04-21

鄭建興(1984―),男,碩士,主要從事火炮自動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)研究。E-mail:zhjx00001@163.com