程 剛,張相炎,董志強,張 俊

(1.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇南京 210094;2.長安工業(yè)集團公司,重慶 400023)

小口徑高射頻自動炮在高速射擊過程中,供彈構(gòu)件之間存在復(fù)雜的沖擊和碰撞,不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計會造成供彈機構(gòu)無法準確完成規(guī)定的運動循環(huán),出現(xiàn)炮彈卡滯和停射等嚴重故障,由于機構(gòu)運動關(guān)系復(fù)雜,難以確定故障的原因。本文利用偏離運動仿真方法,模擬并復(fù)現(xiàn)了某自動炮供彈機構(gòu)卡滯的故障現(xiàn)象,分析了炮彈卡滯的原因,通過優(yōu)化撥彈輪的初始定位角度,解決了供彈卡滯問題,為此類機構(gòu)的故障分析和優(yōu)化設(shè)計提供了一種有效的分析手段。

1 供彈機構(gòu)的卡滯故障現(xiàn)象

某自動炮采用了新型雙路供彈機構(gòu),如圖1所示。當(dāng)上路供彈時,下路的撥彈輪3、4處于機械鎖死狀態(tài),撥彈輪2撥動炮彈沿路徑 AB運動到B點,由撥彈輪1把炮彈輸送至自動炮進彈口并完成供彈。當(dāng)下路供彈時,控制撥彈輪2旋轉(zhuǎn)至72°角的整數(shù)倍處,并機械鎖死,撥彈輪1、3和4同步轉(zhuǎn)動,炮彈由4沿圓弧CD被輸送到D點,在撥彈輪3作用下沿直線DE被輸送到E點,并被切換到撥彈輪1,由撥彈輪1輸送到自動炮進彈口并完成供彈。

在實驗室進行供彈通暢性試驗時發(fā)現(xiàn),高速供彈時,下路供彈的撥彈輪撥彈阻力較大,在供彈過程中出現(xiàn)了卡滯現(xiàn)象,有些炮彈表面被壓變形。

2 供彈機的偏離運動仿真

2.1 建立供彈機構(gòu)偏離運動仿真模型

本文采用偏離運動仿真研究供彈故障的原因,由于供彈機的組成結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,利用專業(yè)CAD軟件建立三維實體模型[1],轉(zhuǎn)化為Parasolid格式并導(dǎo)入機械動力學(xué)仿真軟件ADAMS中,建立高速供彈機構(gòu)的參數(shù)化仿真模型[2-3],其中,炮彈與撥彈輪和導(dǎo)軌均為接觸碰撞,各撥彈輪與轉(zhuǎn)軸鉸接,4個撥彈輪的鉸接副采用關(guān)聯(lián)副連接,等速轉(zhuǎn)動把炮彈從彈箱快速輸送至自動炮進彈口。

供彈機偏離運動仿真的流程如圖2所示。首先建立準確的供彈機構(gòu)多體動力學(xué)仿真模型,通過調(diào)整撥彈輪的初始定位角,有選擇地使撥彈輪偏離初始的位置,在每個偏離因素組合下,進行動力學(xué)仿真,直觀地顯現(xiàn)供彈機構(gòu)供彈過程中可能出現(xiàn)的供彈不暢、卡滯等故障現(xiàn)象,分析故障特征,以某個故障特征為評價函數(shù),找出優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)。

2.2 供彈機構(gòu)偏離運動仿真和故障分析

為了便于分析各撥彈輪的定位角度對供彈平穩(wěn)性的影響,利用ADAMS二次開發(fā)模塊編制了偏離運動仿真驅(qū)動模塊,輸入偏離變量,即可實現(xiàn)撥彈輪初始定位角度的調(diào)整和偏離運動仿真。

對原始設(shè)計的供彈機構(gòu)進行偏離運動仿真后發(fā)現(xiàn),在高速供彈過程中,撥彈輪1、3和4運動是不協(xié)調(diào)的,特別是炮彈在撥彈輪3和1切換過程中,兩個撥彈輪的齒弧擠壓炮彈,引起炮彈劇烈抖動。動力學(xué)仿真得到的炮彈運動曲線如圖3所示,可以看出該故障的特征是:當(dāng)撥彈輪運動不協(xié)調(diào)引起卡滯時,炮彈的運動速度波動比較大,而且,卡滯越嚴重,炮彈的運動速度波動越大。進一步的分析表明,炮彈運動速度的波動可以作為供彈卡滯的故障特征,運動速度波動越大,說明供彈卡滯越嚴重。

2.3 撥彈輪定位角度的優(yōu)化

設(shè)定各撥彈輪的初始定位角度為變量,按步長為0.1密位進行偏離運動仿真,以炮彈的運動速度波動為評價指標,進行優(yōu)化分析,找出各撥彈輪最佳的初始定位角度。部分仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4中:曲線1、曲線2和曲線3分別為撥彈輪4偏離原始設(shè)計角度0、-1和1密位時炮彈運動速度?？梢钥闯?在原始的初始定位角調(diào)整1密位時,炮彈運動速度的瞬態(tài)波動不很明顯,但運動速度曲線的局部瞬時變化較大,仍存在速度變化不連續(xù)現(xiàn)象;初始定位角為-1密位時,炮彈運動速度存在非常劇烈的波動;初始定位角調(diào)整0密位時,炮彈的運動速度變得較平穩(wěn),和曲線2及曲線3相比,炮彈的運動速度沒有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。

按同樣的方式完成撥彈輪3、撥彈輪2和撥彈輪1的偏離運動仿真,通過對偏離運動仿真的結(jié)果進行比較和綜合權(quán)衡,以炮彈運動速度最平穩(wěn)為優(yōu)化目標,最終確定4個撥彈輪優(yōu)化的初始定位角,優(yōu)化后炮彈的運動速度曲線如圖5所示,和圖3相比,炮彈運動速度的波動明顯降低。

2.4 測試結(jié)果

按照偏離運動仿真優(yōu)化分析的結(jié)果,重新定位各撥彈輪的初始定位角,并進行了靶場實彈測試,試驗表明,改進的供彈機構(gòu)能順利供彈,而且供彈阻力較小,使用可靠性高,滿足設(shè)計任務(wù)的要求。

3 結(jié) 論

利用偏離運動仿真,直觀地復(fù)現(xiàn)供彈機構(gòu)供彈不暢、卡滯的故障現(xiàn)象,確定撥彈輪定位不協(xié)調(diào)是故障的原因,根據(jù)卡滯會引起炮彈運動速度波動較大的故障特征,以炮彈運動最平穩(wěn)為優(yōu)化目標,通過參數(shù)化驅(qū)動偏離運動仿真,實現(xiàn)了供彈機構(gòu)定位角度的優(yōu)化。采用本文提出的偏離運動仿真方法,可以快速確定故障的原因,為此類供彈機構(gòu)的故障分析和優(yōu)化設(shè)計提供了一種有效的分析手段。

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