侯立國，駱小平，李 濤，王昌鋒，徐海燕

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

某大口徑火炮采用模塊裝藥作為發(fā)射裝藥，并利用彈藥自動裝填系統(tǒng)實現(xiàn)了彈丸和模塊藥在任意射角下的自動裝填。供輸藥機在該裝填系統(tǒng)中的主要功能是將來自于藥艙的模塊藥轉(zhuǎn)運到輸藥位并將其輸送至身管藥室內(nèi)。根據(jù)裝填系統(tǒng)時序要求，供輸藥機需在設(shè)定時間內(nèi)將模塊藥快速、平穩(wěn)地移動到輸藥位且模塊藥與身管的同軸度保持在要求的誤差范圍內(nèi)，為輸藥的順利進行創(chuàng)造條件。但在臺架試驗時，出現(xiàn)了供輸藥機翻轉(zhuǎn)到輸藥位后由于沖擊作用引起的協(xié)調(diào)臂振動，導(dǎo)致模塊藥與火炮身管無法快速對中，延誤了下一步的輸藥動作，直接影響了彈藥自動裝填系統(tǒng)的裝填速度[1-2]。

1 結(jié)構(gòu)組成和工作原理

該供輸藥機由協(xié)調(diào)臂、協(xié)調(diào)油缸、四連桿翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)油缸和輸藥機組成(見圖1)。

裝填時，供輸藥機在接藥位接收藥艙輸送出的模塊藥，之后在協(xié)調(diào)油缸作用下協(xié)調(diào)臂與火炮射角協(xié)調(diào)一致，收到控制系統(tǒng)發(fā)出的動作指令后，翻轉(zhuǎn)油缸推動四連桿機構(gòu)翻轉(zhuǎn)，將輸藥機翻轉(zhuǎn)到輸藥線(炮膛軸線)后，輸藥機上的輸藥鏈條將模塊藥送入炮膛藥室內(nèi)，完成整個模塊藥的裝填過程。

2 振動故障分析

2.1 故障描述

根據(jù)炮尾U形槽和模塊藥的相關(guān)尺寸和結(jié)構(gòu)特點，對供輸藥機提出的要求是：輸藥機翻轉(zhuǎn)到輸藥線后，模塊藥軸線與炮膛軸線的同軸度誤差小于3 mm。但在彈藥裝填系統(tǒng)臺架試驗過程中發(fā)現(xiàn)，供輸藥機向輸藥線翻轉(zhuǎn)完成后，協(xié)調(diào)臂發(fā)生較大振幅的振動，導(dǎo)致輸藥機不能對準炮膛軸線，必須等待振動減小甚至消除才能進行下一步輸藥動作。這樣就延長了自動裝填系統(tǒng)的單發(fā)彈藥裝填時間，降低了火炮的最大射速。為此必須消除該振動故障，使輸藥機翻轉(zhuǎn)到輸藥線后模塊藥的振幅小于3 mm[3-4]。表1為輸藥機翻轉(zhuǎn)到輸藥線后，協(xié)調(diào)臂末端高低和水平兩個方向的振幅測試數(shù)據(jù)。

表1 協(xié)調(diào)臂末端振動測試

2.2 故障分析

首先對供輸藥機四連桿翻轉(zhuǎn)原理與臺架試驗測試數(shù)據(jù)進行分析，認為引起翻轉(zhuǎn)到位協(xié)調(diào)臂振動位移較大主要有以下幾個因素：

1)協(xié)調(diào)臂受力狀態(tài)較差。根據(jù)實際工況，四連桿翻轉(zhuǎn)機構(gòu)向炮膛軸線擺動時，協(xié)調(diào)臂的前端在耳軸和協(xié)調(diào)油缸的作用下呈固定狀態(tài)，而中后部無任何連接與支撐，因此，協(xié)調(diào)臂的受力模型為一端固定一端自由的懸臂梁結(jié)構(gòu)，受到?jīng)_擊力時自由端必然發(fā)生振動。

2)輸藥機擺動到炮膛軸線時，協(xié)調(diào)臂受到比較大的沖擊力作用。輸藥機向輸藥位置擺動過程中逐漸獲得較高的速度和轉(zhuǎn)動慣量，盡管翻轉(zhuǎn)油缸帶有末端緩沖，但當輸藥機翻轉(zhuǎn)到位瞬間依然有沖擊作用，沖擊力通過四連桿機構(gòu)傳遞到協(xié)調(diào)臂，引起振動。

3)協(xié)調(diào)臂剛度差。協(xié)調(diào)臂初始設(shè)計時，由于難以確定沖擊力數(shù)值，給定的協(xié)調(diào)臂剛度裕度不足，導(dǎo)致協(xié)調(diào)臂剛度較弱。

2.3 動力學(xué)數(shù)值仿真分析

2.3.1 建立仿真模型

因為引起協(xié)調(diào)臂振動的主要因素是協(xié)調(diào)臂剛度較弱、翻轉(zhuǎn)到位時的慣性力較大。因此，對供輸藥機的裝配機構(gòu)進行必要的簡化，僅考慮機構(gòu)主要部件，將協(xié)調(diào)臂當作彈性體，用ANSYS軟件劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入RecurDyn軟件中，其余部件作為剛體，且不考慮部件間的間隙，認為部件間的連接為理想連接狀態(tài)，建立了多體動力學(xué)仿真模型[5]。

2.3.2 不同改進方案的仿真計算

為減小協(xié)調(diào)臂振動響應(yīng)，基于振動故障的理論分析，采用了加強協(xié)調(diào)臂剛度和改變翻轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動方式兩種改進方案。其中改變翻轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動方式即由原方案的全程近似勻加速驅(qū)動及行程末端瞬間減速為0，改為先加速再勻速后減速的變速驅(qū)動，使輸藥機翻轉(zhuǎn)到位的末端速度為0。同時，在翻轉(zhuǎn)動作完成時間為1 s的前提下，按減速開始時間的不同，將變速驅(qū)動分為3種不同的情況，即啟動后勻加速0.3 s，然后保持勻速運動，但分別在0.7、0.8和0.9 s開始勻減速直至1s時速度為0。圖2為原方案協(xié)調(diào)臂端部振動仿真位移曲線，從圖中可以看出協(xié)調(diào)臂水平方向振幅與高低方向振幅的比例及量級與實際測量值相近，證明仿真計算的結(jié)果是可信的。采取改進措施后的協(xié)調(diào)臂端部振動仿真位移曲線如圖3和圖4所示。

表2為8種不同改進方案的仿真計算結(jié)果。

表2 協(xié)調(diào)臂末端振動仿真計算結(jié)果

由表2可以看出：單純加強協(xié)調(diào)臂剛度，協(xié)調(diào)臂端部高低方向彈性變形由15.72 mm減小到7.14 mm，振幅降低了55%；改變油缸驅(qū)動方式，振幅得到極其顯著的降低，為效果最佳的單項改進措施。而加強協(xié)調(diào)臂剛度與改變油缸驅(qū)動方式兩種措施同時使用，減振效果更為明顯，協(xié)調(diào)臂的振幅小于3 mm，能滿足設(shè)計要求。

3 解決措施及效果

通過以上對不同改進方案的動力學(xué)仿真計算結(jié)果分析對比，可以從加強協(xié)調(diào)臂剛度和改變翻轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動方式兩方面著手減小協(xié)調(diào)臂的振幅。

首先對協(xié)調(diào)臂本體進行改進設(shè)計，在滿足總體布置和結(jié)構(gòu)尺寸等約束條件的情況下，盡量加強協(xié)調(diào)臂靠近火炮耳軸端的剛度。

其次，將翻轉(zhuǎn)油缸使用的普通液壓閥換為電控比例液壓閥，使翻轉(zhuǎn)油缸的運行速度可控。結(jié)合實際測量的振動數(shù)據(jù)對比例液壓閥的流量控制電壓和動作時間等參數(shù)進行反復(fù)修改、試驗驗證，得到了優(yōu)化后的控制曲線，使振幅在允許誤差范圍內(nèi)。

在采取上述措施后，進行了不同射角不同裝藥號的模塊藥裝填試驗，經(jīng)測試，輸藥機翻轉(zhuǎn)到輸藥線后，協(xié)調(diào)臂的最大振幅為0.7 mm，模塊藥的最大振幅為2.8 mm，模塊藥的振幅在允許誤差范圍內(nèi)。試驗中再未出現(xiàn)因協(xié)調(diào)臂振動而影響裝填動作時序的故障，證明改進措施有效解決了供輸藥機因翻轉(zhuǎn)沖擊引起的協(xié)調(diào)臂振動振幅過大的故障。

4 結(jié)束語

筆者對某模塊裝藥供輸藥機裝填過程中協(xié)調(diào)臂振動問題進行了研究，通過理論分析、試驗測試和動力學(xué)仿真相結(jié)合的方法，找出了引起協(xié)調(diào)臂振動振幅過大的各種因素，并針對主要因素采取了減小振幅的措施，經(jīng)驗證取得了明顯效果，保證了火炮最大射速指標的實現(xiàn)。本研究結(jié)果對類似結(jié)構(gòu)的模塊藥自動裝填機構(gòu)的設(shè)計和研制具有一定的借鑒意義。

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