厲衛(wèi)，李文彬

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210094)

高速滾轉(zhuǎn)隔離機(jī)構(gòu)傳動軸的設(shè)計與分析

厲衛(wèi)，李文彬

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210094)

基于二維彈道修正原理，提出高速滾轉(zhuǎn)隔離機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求，對其運(yùn)行基本狀況提出了一定的限制。采取高速滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動軸的1/4作為扇區(qū)并進(jìn)行了相應(yīng)的線性靜態(tài)分析，還進(jìn)行了對應(yīng)的模態(tài)分析，得出其固有頻率以及對應(yīng)頻率下特殊部位形變情況，為軸系的安全平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)提供了依據(jù)。

高速滾轉(zhuǎn)；隔離；有限元；模態(tài)分析

0 引言

引信機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律的準(zhǔn)確性影響著引信設(shè)計、研發(fā)、分析及評價，而在實際環(huán)境中，引信機(jī)構(gòu)由于其體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、元件脆弱以及其在發(fā)射過程中受到的極限條件限制，使得難以通過射擊實驗直接獲得引信機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律[1]。通過盡可能逼近正常彈道環(huán)境條件的物理仿真，進(jìn)而得到引信機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，已經(jīng)成為國內(nèi)外引信技術(shù)研究的主要手段。由于模擬條件實現(xiàn)難度較大，目前還有不少問題有待解決：1) 引信滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性問題，引信在二維彈道環(huán)境下某些階段的轉(zhuǎn)速較高，導(dǎo)致整個實驗裝置發(fā)生高頻振動或傳動軸變形甚至斷裂的問題；2) 引信機(jī)構(gòu)的體積小、質(zhì)量輕，較難做到在測量其運(yùn)動參量的過程中不影響其運(yùn)動規(guī)律；3) 傳感器測量信號后的存儲及實時傳輸問題。

現(xiàn)階段智能彈藥彈道的二維修正主要使用舵翼及引信部速度分離，由其內(nèi)部測量元件測出其即時姿態(tài)，計算后再通過執(zhí)行元件給舵翼部分額外扭矩，穩(wěn)定舵翼姿態(tài)以實現(xiàn)彈道修正。介紹了對高速旋轉(zhuǎn)彈丸運(yùn)動模擬裝置的原理設(shè)計并運(yùn)用ANSYS對其傳動軸系的受力及固有頻率進(jìn)行的仿真分析工作情況。

1 高速滾轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)原理

彈丸的彈道起始階段運(yùn)動狀態(tài)可以分解為繞其極軸的自轉(zhuǎn)、相對于速度矢量線的張動及章動平面的進(jìn)動[2]，在該運(yùn)動模擬裝置中只考慮其一維中的高速自轉(zhuǎn)，該方向上的運(yùn)動可用機(jī)械的方法來實現(xiàn)，高速旋轉(zhuǎn)彈丸運(yùn)動模擬裝置以軸承支架為支撐，電動機(jī)驅(qū)動引信，模擬引信在彈道環(huán)境的運(yùn)動規(guī)律以及其速度分離，從而可以通過舵翼端的測量裝置獲得其轉(zhuǎn)速并計算其內(nèi)部固有摩擦扭矩，為下一步實驗提供有效數(shù)據(jù)。

如圖1所示，高速滾轉(zhuǎn)模擬裝置由支承系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成。支承系統(tǒng)由底座、軸承座、套杯、支承軸承組成；驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電動機(jī)、傳動桿組成；控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器及編碼器組成；測試系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速測試元件等組成。電動機(jī)、聯(lián)軸器、傳動桿、引信及舵翼位于同一軸線上。舵翼部分用一類似三爪卡盤原理的機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝夾，主要作用時傳遞扭轉(zhuǎn)力矩，不提供較大徑向緊固力；為保證同軸度，引信部分夾具為一內(nèi)有螺紋及階梯的圓筒并與傳動桿做成一體。該實驗裝置主要是為測得在一定軸向夾緊力下引信部與舵翼部的摩擦力矩。

圖1 高速滾轉(zhuǎn)模擬裝置理論結(jié)構(gòu)圖

2 傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中是至關(guān)重要的部件之一，它不僅具有支撐零件、傳遞運(yùn)動和動力的作用，機(jī)器整體運(yùn)作的工作能力與工作質(zhì)量也與軸有著很重要的關(guān)聯(lián)，軸的失效必然將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的工作癱瘓，因此軸的設(shè)計不同于一般的零部件，它包含強(qiáng)度設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅考慮其與軸上零件或其他部件的配合，同時也要考慮其承載能力[3]。

高速滾轉(zhuǎn)隔離機(jī)構(gòu)主要目的是為了實現(xiàn)試件的前后分離：結(jié)構(gòu)分離、速度分離、力矩等要素分離，因此該機(jī)構(gòu)必然分為不同的部分，針對實驗要求，應(yīng)該有高速滾轉(zhuǎn)部分及低速滾轉(zhuǎn)部分，因此軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計也應(yīng)相對應(yīng)進(jìn)行劃分。

高速滾轉(zhuǎn)傳動軸設(shè)計要求：

1) 與電動機(jī)采用聯(lián)軸器相連，由于電動機(jī)主軸為光軸，考慮到高速轉(zhuǎn)動中動平衡問題，則傳動軸與聯(lián)軸器相連部分也應(yīng)為光軸。

2) 考慮到傳動軸最終目的是帶動試件進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，傳動軸承完全傳遞轉(zhuǎn)速及扭矩，則傳動軸與試件相連部分應(yīng)為夾具或者直接連接(銷釘、螺栓、螺紋或其他方式)，根據(jù)試件結(jié)構(gòu)(尾部外螺紋)，確定該軸端為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)。

3) 考慮固定底板尺寸及安裝要求(成對高速軸承)，分析傳動軸長度及與軸承相對位置。

4) 考慮高速滾轉(zhuǎn)部分試驗臺通用性，在風(fēng)洞條件下考慮整流及防塵，應(yīng)為其增加整流罩或整流結(jié)構(gòu)。

最終設(shè)計高速滾轉(zhuǎn)傳動軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高速滾轉(zhuǎn)傳動軸結(jié)構(gòu)示意圖

同樣的相對較低轉(zhuǎn)速部分傳動軸結(jié)構(gòu)要求為：

1) 如高速滾轉(zhuǎn)部分傳動軸類似，相對低速部分驅(qū)動電動機(jī)主軸為光軸如圖3所示，選用聯(lián)軸器進(jìn)行與軸之間的傳動，考慮其動平衡問題，則其與聯(lián)軸器相連部分為光軸。

2) 在進(jìn)行試件內(nèi)部摩擦力預(yù)測量時，該部分傳動軸端應(yīng)使用轉(zhuǎn)速測量元件進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，因此與聯(lián)軸器相連部分應(yīng)為一多用途軸端，能夠安裝轉(zhuǎn)速測量元件。

3) 右端與試件相連部分應(yīng)可安裝一個對試件進(jìn)行水平限定以保持其對中性的類似夾具的部件，因此該端應(yīng)有相應(yīng)的特征以進(jìn)行該部件的安裝。

圖3 相對低速滾轉(zhuǎn)傳動軸結(jié)構(gòu)示意圖

3 傳動軸結(jié)構(gòu)分析

高速滾轉(zhuǎn)隔離機(jī)構(gòu)軸系為40鋼，其主要特性：強(qiáng)度較高，可切削性良好，表面淬火后可用于制造承受較大應(yīng)力件，適于制造曲軸心軸、傳動軸、活塞桿、連桿等。

該材料楊氏模量(彈性模量)：E=270GPa；

密度為：ρ=7.85g/cm3=7850kg/m3；

泊松比為：μ=0.29。

對高速滾轉(zhuǎn)隔離機(jī)構(gòu)的軸系進(jìn)行模態(tài)分析，為減少工作量和計算量，在同樣的時間內(nèi)得到更為精確的結(jié)果，本文將軸系視作循環(huán)隔離機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)中對軸承進(jìn)行加熱后安裝到軸上，冷卻后可以認(rèn)為無徑向游隙，視為給了軸一個預(yù)緊力，因此將該分析視為有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析[4]。

根據(jù)文獻(xiàn)得到過盈力與設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式如下所示[5]：

式中：k0——比例常數(shù)，k0=24800；

e——過盈量。

在高速滾轉(zhuǎn)部分軸的設(shè)計中，其與軸承接觸部分過盈量為0.011mm～0.03mm，取其中間值約為0.15mm進(jìn)行計算，D2=78mm，D3=70mm，最終得到計算結(jié)果為：

其中，H=20×10-3mm，接觸面積為：

S=πD3·H=4.4×10-4m2

同理，相對低轉(zhuǎn)速軸承過盈量約為0.015～0.028mm，取其中間值0.21mm，最終計算得到結(jié)果為：

其中，高速滾轉(zhuǎn)軸與軸承接觸面寬度為20mm，低速轉(zhuǎn)軸與對應(yīng)軸承接觸寬度為9mm。

高速滾轉(zhuǎn)軸在繞于地面水平的軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，理想狀態(tài)下無軸向與徑向位移，但是有周向速度和加速度，因此分析該機(jī)構(gòu)的自由度為僅有一個繞z軸(柱坐標(biāo)系中)的旋轉(zhuǎn)自由度，因此對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束設(shè)置為在于軸承內(nèi)接觸的面進(jìn)行Frictionless Support(無摩擦約束)的設(shè)置，則該結(jié)構(gòu)還剩下軸向位移與繞軸轉(zhuǎn)動兩個自由度，再對其軸線端點(diǎn)處增加一個點(diǎn)固定約束，限制其軸向位移，雖然該分析為靜態(tài)分析，但是瞬態(tài)也可以看成為靜態(tài)，則給該分析機(jī)構(gòu)一個繞軸為18000r/min的轉(zhuǎn)速，至此則約束設(shè)置完成。如上面所說，對軸系的模態(tài)分析是有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，則該分析機(jī)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力應(yīng)為軸承給軸的壓力，設(shè)置該力類型為Pressure，大小為42MPa，則最終約束圖如圖4。

圖4 高速滾轉(zhuǎn)傳動軸約束設(shè)置示意圖

進(jìn)入ANSYS經(jīng)典界面對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇單元形式為Solid95，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到其節(jié)點(diǎn)數(shù)為158130個，單元數(shù)為107814個，其網(wǎng)格模型如圖5。

圖5 高速滾轉(zhuǎn)傳動軸網(wǎng)格劃分模型圖

接下來進(jìn)入求解階段，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解則最后靜態(tài)分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 高速滾轉(zhuǎn)傳動軸線性靜態(tài)分析云圖

其對應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)云圖如圖7所示。

圖7 高速滾轉(zhuǎn)傳動軸整體云圖

其最大位移處為：4.04×10-3mm，最小位移為2.61×10-6mm，最大應(yīng)力處應(yīng)力為94.08MPa，最小處為0.56MPa。

對相對低轉(zhuǎn)速部分進(jìn)行線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，該結(jié)構(gòu)劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為300314個，單元數(shù)為203174個。

對其進(jìn)行同樣的約束，最終得到其分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 相對低速滾轉(zhuǎn)軸線性靜態(tài)分析云圖

同樣的其對應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)云圖如圖9所示。

圖9 相對低速滾轉(zhuǎn)傳動軸整體云圖

靜態(tài)分析為模態(tài)分析過程中的必要步驟，對該結(jié)構(gòu)的主要研究是進(jìn)行模態(tài)分析，接下來對對應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置求解。

對于高速滾轉(zhuǎn)軸按照系統(tǒng)默認(rèn)對其進(jìn)行六階模態(tài)分析如圖10和圖11所示，其中一、二階模態(tài)情況下軸系基本無變形；三階模態(tài)情況下，最大變形量達(dá)到了19.836mm，其對應(yīng)的頻率為3469.7Hz，其對應(yīng)的最大位移處在左端半徑最大處及右端與軸承接觸部分；四節(jié)模態(tài)情況下，其最大變形量達(dá)到了23.91mm，對應(yīng)頻率為5944.1Hz，此時最大變形位移處在左端半徑最大處；五階模態(tài)情況下，最大變形量為22.851mm，對應(yīng)頻率為8885Hz，此時最大變形位移處位于兩軸承接觸面所夾中間區(qū)域部分；六階模態(tài)情況下左端導(dǎo)流部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全變形，其最大變形量達(dá)到了39.389mm。

圖10 高速滾轉(zhuǎn)傳動軸六階模態(tài)分析圖

圖11 高速滾轉(zhuǎn)傳動軸六階模態(tài)對應(yīng)固有振頻圖

對相對低轉(zhuǎn)速軸進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 相對低速滾轉(zhuǎn)傳動軸六階模態(tài)分析圖

圖13 高速滾轉(zhuǎn)傳動軸六階模態(tài)對應(yīng)固有振頻圖

4 結(jié)論

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有的振動特性，上面對高速滾轉(zhuǎn)隔離機(jī)構(gòu)的軸系進(jìn)行了模態(tài)分析，得到的對應(yīng)模態(tài)下機(jī)構(gòu)的固有頻率和在該模態(tài)情況下的變形情況，將對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化起到了很好的作用。

[1] 周建華. 引信機(jī)構(gòu)運(yùn)動模擬測試技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué),2007.

[2] 馮彥哲. 外彈道初始段引信力學(xué)環(huán)境分析[D].南京：南京理工大學(xué),2008.

[3] 王新剛. 機(jī)械零部件時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計若干問題的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2009.

[4] 楊發(fā)昌. 螺栓的預(yù)應(yīng)力安裝法[J]. 冶金建筑，1977(06)：44-46.

[5] 蔡凡,李初曄,馬巖，等.過盈配合產(chǎn)生的接觸壓力和拔出力計算[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2010,(10):7-9.

Analysis and Design of Shaft System Structure of Separated High-speed Rolling Structure

LI Wei， LI Wen-bin

(ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

According to the theory of two-dimension trajectory correction methods, this paper puts forward the requirement of separated high-speed rolling structure design and its limitation based on the basic working conditions 1/4 of the whole structure is taken as a sector to make the linear static analysis and further embedded modal analysis.The natural frequency and the deformation of the special position are obtained. It provides the basis for the safe and steady working of the structure.

high-speed rolling; separated; finite element method; modal analysis

厲衛(wèi)(1990-)，男，江蘇準(zhǔn)安人，實習(xí)研究員，碩士，研究方向為結(jié)構(gòu)設(shè)計。

TH133

B

1671-5276(2014)02-0019-05

2013-03-04