黃 坤,楊 臻,李 強(qiáng),李 莎

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.中國兵器工業(yè)第202研究所,陜西咸陽 712099)

轉(zhuǎn)管武器射速高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動(dòng)機(jī)工作速度快且受力變化頻繁,采用經(jīng)典力學(xué)方法對(duì)它進(jìn)行研究,很有局限性.多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)作為一種新的研究方法被引入到轉(zhuǎn)管武器動(dòng)力學(xué)研究中[1],本文利用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS建立了轉(zhuǎn)管武器虛擬樣機(jī)模型,再現(xiàn)了自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),通過仿真比較全面、真實(shí)、形象地揭示了該武器自動(dòng)機(jī)工作特性.

1 轉(zhuǎn)管武器結(jié)構(gòu)原理

6根槍管通過槍管箍在圓周上均勻排列并固定于節(jié)套上,節(jié)套與機(jī)心匣相對(duì)固定,每根槍管對(duì)應(yīng)一套機(jī)心,機(jī)心安裝在機(jī)心匣上的槽內(nèi),可沿著機(jī)心匣槽作平動(dòng),機(jī)心通過滾輪與機(jī)箱上曲線槽聯(lián)系,滾輪能沿著槽作凸輪曲線槽運(yùn)動(dòng)[2].節(jié)套通過軸承與機(jī)箱連接.電機(jī)固定在機(jī)箱上,當(dāng)電機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)節(jié)套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)機(jī)心匣一起轉(zhuǎn)動(dòng),由于曲線槽的作用,迫使機(jī)心在機(jī)心匣槽內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還繞機(jī)心匣軸線高速旋轉(zhuǎn),最終在其它機(jī)構(gòu)共同作用下,在預(yù)定的位置上依次完成各種自動(dòng)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)武器正常工作.轉(zhuǎn)管武器工作原理如圖 1所示,曲線槽展開圖如圖 2所示.

圖1 轉(zhuǎn)管武器原理圖Fig.1 Construction of the gatling weapon

圖2 曲線槽展開圖Fig.2 The transition curve of Cam

2 建立虛擬樣機(jī)模型

轉(zhuǎn)管武器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多,按照?qǐng)D 3建模順序建立虛擬樣機(jī)模型,得到的模型如圖 4所示,并對(duì)模型作以下假設(shè)和定義：

1)不考慮零部件加工和裝配誤差,依照樣機(jī)圖紙,用三維建模軟件建立樣機(jī)物理模型[3];

2)假設(shè)各零部件都是剛體,根據(jù)物理樣機(jī)中各部件的材料定義模型中各零部件的材料屬性(擊針簧除外);

3)添加約束關(guān)系.依據(jù)物理樣機(jī)工作時(shí)各機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加約束,武器固定在架座上;

4)彈丸質(zhì)量遠(yuǎn)小于機(jī)心質(zhì)量,抽殼階段不考慮彈丸質(zhì)量的影響[4];

5)為了減小仿真時(shí)間,仿真時(shí)除位于拋殼位置的彈殼,其余均為實(shí)彈;

6)不考慮火藥氣體作用力.

圖4 定義后的自動(dòng)機(jī)模型Fig.4 Defined automatic mechanism model

3 仿真分析

3.1 仿真條件

轉(zhuǎn)管武器的啟動(dòng)時(shí)間一般約為 0.4～0.5 s,這段時(shí)間相對(duì)武器高射速來說較長(zhǎng),在實(shí)際射擊中,當(dāng)武器達(dá)到穩(wěn)定射速時(shí),已經(jīng)射擊出 2～ 3發(fā)彈了.因?yàn)楸疚闹饕治鑫淦鬟_(dá)到穩(wěn)定射速下的自動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性,為了兼顧仿真結(jié)果的真實(shí)性和使計(jì)算時(shí)間縮短,可以通過 ADAMS中的STEP函數(shù)來控制啟動(dòng)階段的仿真時(shí)間[5],讓機(jī)心匣在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定射速.

當(dāng)射速為 N發(fā) /min,武器的管數(shù)為 6時(shí),機(jī)心匣對(duì)應(yīng)的角速度為[6]

即武器射速與機(jī)心匣轉(zhuǎn)速在數(shù)值上是相等的.

本文的仿真條件是在射速為 3000發(fā) /min,設(shè)在 0.1 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定射速,在機(jī)心匣相對(duì)機(jī)箱的旋轉(zhuǎn)副上添加 Rotation Joint Motion,驅(qū)動(dòng)函數(shù)方程設(shè)置為 STEP(time,0,0,0.1,3000).驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線如圖 5所示.開閉鎖位置如圖 6所示.

圖5 機(jī)心匣轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線Fig.5 Ang ular velocity-time curve of ro tor

圖6 開閉鎖位置圖Fig.6 Lock and unlock position

3.2 開閉鎖力改進(jìn)分析

1)閉鎖動(dòng)作分析.對(duì) ADAMS建立的模型進(jìn)行分析,結(jié)合仿真動(dòng)畫和圖 7可知,閉鎖機(jī)在閉鎖回轉(zhuǎn)的過程中,閉鎖機(jī)與閉鎖塊有兩次撞擊(圖 7中 1和 2),且兩次撞擊力都很大.撞擊動(dòng)作如下：第1次撞擊是閉鎖機(jī)上的閉鎖突起與閉鎖塊碰撞[6],此時(shí)撞擊為面接觸,撞擊后閉鎖機(jī)先加速回轉(zhuǎn)(即繞自身軸線自轉(zhuǎn)),在摩擦力作用下回轉(zhuǎn)速度又很快降低[7];而機(jī)心繞機(jī)心匣的公轉(zhuǎn)速度很高,在快閉鎖完全時(shí),有閉鎖塊棱角與閉鎖突起發(fā)生第2次碰撞,因此作用力很大,遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求,仿真動(dòng)畫表現(xiàn)為二者之間發(fā)生侵入.按照設(shè)計(jì)要求,閉鎖過程中只有一個(gè)撞擊即能完成閉鎖動(dòng)作,且力不大于 400 N.

2)開鎖動(dòng)作分析.從圖 7中可以看出,開鎖過程也有兩次撞擊(圖 7中 3和 4),但碰撞動(dòng)作過程與閉鎖有所不同.從動(dòng)畫可以看到,出現(xiàn)撞擊力 3時(shí),開鎖塊與閉鎖機(jī)上的開鎖槽軸向的面發(fā)生干涉;出現(xiàn)撞擊力 4時(shí),自動(dòng)機(jī)滾輪侵入了凸輪曲線槽.

經(jīng)過分析確定開鎖力異常的原因是機(jī)心開鎖太遲,滾輪進(jìn)入過渡段才開鎖.因此,需要重新設(shè)計(jì)開鎖塊的位置.分析結(jié)果與實(shí)際樣機(jī)調(diào)試中出現(xiàn)的閉鎖機(jī)開鎖槽發(fā)生撞擊潰爛和滾輪發(fā)生變形相吻合.

圖7 改進(jìn)前開閉鎖力Fig.7 Unimprov ed lock and unlock force

圖8 改進(jìn)后開閉鎖力Fig.8 Improv ed lock and unlock fo rce

3.3 自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性分析

由轉(zhuǎn)管武器知識(shí)可知,在穩(wěn)定射速下,各機(jī)心的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都是呈周期性變化的,并且每?jī)蓚€(gè)相鄰的機(jī)心的動(dòng)作順序只有 60°的相位差[10],因此只需分析一個(gè)機(jī)心和一個(gè)射擊循環(huán)的運(yùn)動(dòng)即可.圖 9和圖 10是改進(jìn)后的機(jī)心相關(guān)參數(shù)特征曲線.

對(duì)比圖 9和圖 2,機(jī)心沿槍管方向的位移-時(shí)間曲線與凸輪曲線槽的形狀和變化趨勢(shì)完全一致,說明機(jī)心的運(yùn)動(dòng)軌跡是滿足設(shè)計(jì)要求的[11].

為了便于敘述,將圖 10中各曲線段進(jìn)行編號(hào),各段與圖 2動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：1和 10分別對(duì)應(yīng)曲線槽后直線段 a和b;2,4,7和 9分別對(duì)應(yīng)過渡曲線段 a,b,c和 d;3對(duì)應(yīng)復(fù)進(jìn)進(jìn)彈方向的斜直線段;8對(duì)應(yīng)后坐抽殼階段的斜直線段;5和6對(duì)應(yīng)前直線段(閉鎖、擊發(fā)和開鎖)[12].

圖9 機(jī)心在 x方向的位移-時(shí)間曲線Fig.9 Displacement-time curve of bolt in x direction

圖10 機(jī)心在 x方向的速度-時(shí)間、加速度-時(shí)間曲線Fig.10 Velocity and acceleration-time curv e of bolt in x direction

從圖 10中可以看出,機(jī)心沿槍管方向的速度變化沒有大的波動(dòng),機(jī)心運(yùn)動(dòng)速度比較平穩(wěn),最大速度為 2.1 m/s,與樣機(jī)在 3000發(fā) /min射速下實(shí)際最大速度 2.0348 m/s很相近;曲線 3段速度波動(dòng)的原因是：機(jī)心推彈進(jìn)膛時(shí),彈與炮膛發(fā)生撞擊反作用于機(jī)心;5段速度波動(dòng)是由于擊針解脫,擊針與閉鎖機(jī)內(nèi)壁撞擊產(chǎn)生;8段速度波動(dòng)是拋殼階段,彈與機(jī)心碰撞的緣故;2,4,7和 9段是速度過渡比較平滑,說明過度曲線起到引導(dǎo)速度變化的作用.從這 4段對(duì)應(yīng)的加速度曲線來看,加速度存在波動(dòng),其輪廓形狀變化近似正弦曲線,與設(shè)計(jì)要求的比較一致,這從另一方面證明了凸輪曲線槽建模與設(shè)計(jì)要求相吻合;5和 6段處于前直線段階段,5段發(fā)生加速度波動(dòng),是因?yàn)榇硕翁幱趬嚎s擊針簧階段,由于擊針簧力大,滾輪與凸輪曲線槽的裝配間隙和機(jī)心與滾輪有裝配間隙等造成機(jī)心加速度發(fā)生小的波動(dòng),其中大的峰值發(fā)生在擊針簧解脫時(shí),是擊針撞擊閉鎖機(jī)所致;6段處于內(nèi)彈道時(shí)期,保證彈丸出膛時(shí)期和開鎖時(shí)機(jī)心始終與節(jié)套緊密配合,所以沒有速度和加速度波動(dòng).

3.4 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將由改進(jìn)得到的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比,如表 1所示.由表 1可知,仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)具有很好的一致性.

表1 仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求對(duì)比Tab.1 Comparision of simulation results with designed target

4 結(jié) 論

1)揭示了在試驗(yàn)中閉鎖突起磨損嚴(yán)重和開鎖槽擊爛的原因是開閉鎖力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求,閉鎖機(jī)、閉鎖塊和開鎖塊在結(jié)構(gòu)尺寸上存在問題,文中已給出修改方案.

2)改進(jìn)后,避免了在開閉鎖時(shí)的“二次撞擊”,且大幅降低了開閉鎖力,閉鎖力為 324 N,開鎖力為 750 N,在設(shè)計(jì)的允許范圍之內(nèi).

3)改進(jìn)后有效地避免了速度和加速度的頻繁過大的波動(dòng),自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn),有利于提高零部件壽命.

4)仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)要求符合性較好.

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