顧宇濤，姚 忠，俞育新，趙 斌，汪永忠

（1.西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099；2.海軍舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，浙江舟山 316000）

基于RecurDyn的慣性輸彈機構故障分析

顧宇濤1，姚 忠1，俞育新2，趙 斌1，汪永忠1

（1.西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099；2.海軍舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，浙江舟山 316000）

針對某轉膛自動機慣性輸彈機構加速杠桿斷裂故障，建立了慣性輸彈機構剛柔耦合動力學模型，以試驗測得的滑板和撞塊位移數(shù)據(jù)驅動輸彈機構，在RecurDyn環(huán)境中對輸彈過程進行仿真，得到了加速杠桿的應力云圖。通過分析應力變化找出了加速杠桿的斷裂原因，在此基礎上改進了加速杠桿，通過增大加速杠桿過渡圓弧半徑，有效降低了加速杠桿在輸彈過程中的最大應力。試驗結果表明改進后的加速杠桿滿足使用要求。

慣性輸彈；加速杠桿；RecurDyn

某轉膛自動機的輸彈方式為杠桿加速的慣性輸彈，試驗過程中，該輸彈機構在第242次輸彈時，加速杠桿斷裂?；诖耍赗ecurDyn中建立了慣性輸彈機構剛柔耦合動力學模型，通過分析加速杠桿在輸彈過程中的應力變化，找出了斷裂原因，并進行了加速杠桿的改進設計和試驗驗證。

1 慣性輸彈機構工作原理

某轉膛自動機慣性輸彈機構如圖1所示，由輸彈支架、撞塊、加速杠桿、滑板和輸彈塊組成。撞塊固定在炮尾上，炮尾沿炮箱導軌后坐、復進；滑板沿著炮尾上的T型導軌后坐、復進；加速杠桿通過銷軸與滑板連接，加速杠桿上端插入輸彈塊的卡槽內，下端在撞塊的卡槽內，輸彈塊沿輸彈支架做平移運動。后坐時，滑板帶動加速杠桿和輸彈塊向后運動，撞塊跟隨炮尾向后運動，當輸彈塊后坐到某一位置時，撥彈輪把炮彈撥到輸彈線a上；復進時，滑板帶動加速杠桿和輸彈塊向前運動，輸彈塊撞擊炮彈使炮彈向前運動，撞塊在炮尾的帶動下向前運動，其運動速度小于滑板的運動速度，在某一位置，加速杠桿下端與撞塊碰撞，加速杠桿繞銷軸加速旋轉，輸彈塊迅速推動炮彈使其具有滿足卡膛要求的向前運動速度，完成慣性輸彈。

2 慣性輸彈機構動力學模型

把圖1所示某轉膛自動機慣性輸彈機構的三維模型輸入到RecurDyn中，將加速杠桿進行單元劃分，使之成為柔性體，并添加相應的接觸約束，建立慣性輸彈機構的剛-柔耦合動力學分析模型［1-2］。

2.1 接觸／碰撞約束

慣性輸彈過程是撞塊、加速杠桿、輸彈塊和炮彈的兩兩互相接觸／碰撞過程。在RecurDyn中，接觸力的計算是基于改進的Hertz接觸理論，計算接觸產(chǎn)生的法向接觸力公式［3］為

式中：k為接觸剛度系數(shù)；c為阻尼系數(shù)；δ為接觸穿透深度；.δ為接觸點的相對速度；m1為剛度指數(shù)；m2為阻尼指數(shù)；m3為凹痕指數(shù)。

根據(jù)Hertz接觸理論和慣性輸彈機構特點，仿真分析時參數(shù)設定如表1所示［4-5］。

2.2 載荷處理

射擊試驗中測試得到的滑板和撞塊（與炮尾一體）的絕對位移-時間曲線如圖2所示，以此兩曲線數(shù)據(jù)分別作為驅動滑板和撞塊運動的仿真輸入。

在進行輸彈機構分析時，不需要考慮炮彈到輸彈線之前的運動狀態(tài)，因此，炮彈到輸彈線a的運動采用角位移驅動，驅動的具體表達式為：

其意義為：撥彈輪在0.04s后撥動炮彈向輸彈線運動，到0.06s時，撥彈輪轉動90°，炮彈運動到輸彈線上，等待輸彈。

3 慣性輸彈仿真分析

3.1 對斷裂加速杠桿的仿真分析

根據(jù)上述參數(shù)設置對斷裂的加速杠桿進行慣性輸彈過程仿真，慣性輸彈機構輸彈過程的運動特性如圖3所示。

由圖3可以看出：輸彈塊在輸彈起始位置接觸炮彈以后，撞擊炮彈使炮彈獲得向前運動的速度，炮彈在運動過程中受撥彈輪邊緣和輸彈槽約束，并與撥彈輪邊緣和輸彈槽發(fā)生碰撞，炮彈的運動速度降低，輸彈塊在滑板和加速杠桿的作用下追上炮彈，對炮彈進行第二次撞擊加速，如此反復，直到慣性輸彈中的強制階段結束。斷裂的加速杠桿應力云圖如圖4所示。

從圖4可以看出，加速杠桿承受應力較大的部位如圖中的A、B、C、D4個區(qū)域，在此4個區(qū)域上選取最大應力節(jié)點分別是node 50221、node 50219、node 50381、node 50390，按照mises強度理論［6］，這4個節(jié)點在輸彈過程中的應力變化如圖5所示。

圖3、圖4和圖5共同分析可知：在0.03s時加速杠桿帶動輸彈塊開始運動；輸彈塊在0.048s時與撞塊左側碰撞；在0.055s時到達其后坐極限位置，然后開始復進；在0.074s時與炮彈接觸，開始輸彈；在0.076s時與撞塊右側碰撞并加速輸彈；在0.084s時輸彈塊和加速杠桿出現(xiàn)短暫相對靜止；在0.09s后加速杠桿在輸彈塊和撞塊共同作用下做振蕩運動，A、B、C、D4個區(qū)域分別承受交變作用力。

加速杠桿帶動輸彈塊單獨運動時，加速杠桿的應力約為160MPa；在輸彈時加速杠桿應力很大，長時間不小于600MPa，最大應力出現(xiàn)在加速杠桿與撞塊碰撞時刻，最大應力達到了1 396MPa，大于加速杠桿材料PCrNi3MoVA的σ0.1值1 310MPa（870℃淬火，500℃回火）［7］；輸彈結束后，加速杠桿在輸彈塊和撞塊作用下振蕩，應力峰值約為350 MPa。加速杠桿輸彈時最大應力超出了材料的屈服強度，這是其在第242次輸彈時斷裂的根本原因。

3.2 改進后的加速杠桿仿真分析

加速杠桿斷裂后，對其進行了改進設計。改進設計的依據(jù)是對斷裂加速杠桿的分析結果和輸彈機構的結構特點，改進措施是將A、B、C、D處的過渡圓弧半徑由15mm增大至25mm，其他不變（受已有結構限制，加速杠桿的厚度和寬度不能增加），質量增加2.6g。

采用相同的參數(shù)設置對改進后的加速杠桿進行仿真分析，仿真結果如圖6、圖7和圖8所示。

由圖6可以看出輸彈機構的輸彈過程運動特性與加速杠桿改進前相似。圖7顯示的是改進后的加速杠桿與撞塊碰撞時刻的應力云圖，在圖中所示的E、F、G、H4個區(qū)域選取最大應力節(jié)點node 50270、node 50542、node 50212、node 50317，按照mises強度理論［6］，這4個節(jié)點在輸彈過程中的應力變化如圖8所示。

圖6、圖7和圖8共同分析可知：輸彈運動過程以及加速杠桿上4個區(qū)域應力變化趨勢和改進前相似，不同之處在于：改進后的加速杠桿帶動輸彈塊單獨運動時，加速杠桿的應力約為160MPa；在輸彈時加速杠桿應力峰值約為400～500MPa，最大應力出現(xiàn)在加速杠桿與撞塊碰撞時刻，最大應力為1 022MPa，小于加速杠桿材料PCrNi3MoVA的σ0.1值1 310MPa（870℃淬火，500℃回火）［7］；輸彈結束后，加速杠桿在輸彈塊和撞塊作用下振蕩，應力峰值約為300MPa。

4 結 論

改進后的加速杠桿目前共完成輸彈583次，保持完好。輸彈塊和加速杠桿在0.09s后的振蕩通過高速攝像得到了驗證。通過增大加速杠桿的過渡圓弧，有效的降低了最大應力，提高了強度，增加了壽命，而質量僅增加了2.6g，占加速杠桿總質量的2%，可以忽略不計。

此外，該分析方法基于試驗測試數(shù)據(jù)，分析結果比較可靠。采用此方法可以降低理論分析的難度，易于掌握，應用于零件強度的驗證分析和零件的改進設計有一定的優(yōu)勢。

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Faults Analysis of the Inertia Ramming Mechanism Based on RecurDyn

GU Yutao1，YAO Zhong1，YU Yuxin2，ZHAO Bin1，WANG Yongzhong1

（1.Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China；2.Navy Equipment Repair Monitor Department of Zhoushan District，Zhoushan 316000，Zhejiang，China）

In view of the breakage fault of accelerating lever in revolving chamber automatic mechanism inertia ramming mechanism，a rigid-flexible coupled dynamics model of inertia ramming mechanism was established.By use of the displacement data obtained from sliding board and impact block to drive the inertia ramming mechanism，the ramming process was simulated with the help of RecurDyn to obtain stresses nephogram of the accelerating lever.The breakage reason of accelerating lever was found out by means of analyzing changes of stress.Based on this，the design of the accelerating lever was improved，and the maximum stress of accelerating lever was effectively decreased during the ramming process by enlarging the round radius.The results of projectile ramming test showed that the improved accelerating lever can meet the operational requirements.

inertia ramming mechanism；accelerating lever；RecurDyn

TJ301

A

1673-6524（2014）02-0065-05

2014-01-02；

2014-03-25

顧宇濤（1980-），男，工程師，主要從事火炮設計技術研究。E-mail：neu992200＠sina.com