姚 濤， 黃朝學(xué)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

引言

在現(xiàn)代一些火箭發(fā)射裝置與多管火箭炮上，大多裝設(shè)有平衡機(jī)，它的作用是對(duì)起落部分提供一個(gè)推或者拉的作用，從而提供對(duì)耳軸的平衡力矩，以平衡起落部分對(duì)于耳軸的重力矩。這樣，在打高低機(jī)進(jìn)行高低瞄準(zhǔn)時(shí)，打高時(shí)手輪力大為減輕，打低時(shí)避免對(duì)高低機(jī)的撞擊；同時(shí)有利于瞄準(zhǔn)的輕便、平穩(wěn)，延長(zhǎng)了高低機(jī)的壽命。

在特定的雙向平衡需求前提下，設(shè)計(jì)了一種迭板扭桿式雙向平衡機(jī)，并在精心選材的基礎(chǔ)上制定了平衡機(jī)工藝設(shè)計(jì)流程，提煉了關(guān)鍵工藝步驟并成功進(jìn)行了預(yù)扭試驗(yàn)，驗(yàn)證了雙向平衡方案的可行性。由于該機(jī)構(gòu)將在交變應(yīng)力狀態(tài)下工作，根據(jù)材料的特性曲線(xiàn)，通過(guò)有限元仿真分析對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果表明該平衡機(jī)滿(mǎn)足使用壽命要求。

1 迭板雙向平衡機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 設(shè)計(jì)需求

平衡機(jī)需要平衡的最大扭矩為4 500N·m，傳遞到迭板的扭轉(zhuǎn)角度為－37.5°～37.5°。該平衡機(jī)按照8萬(wàn)次循環(huán)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，平衡機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 迭板平衡機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該迭板平衡機(jī)主要由迭板、埋頭螺釘、墊板、固定套筒及連桿機(jī)構(gòu)等組成。它有左右兩個(gè)迭板平衡機(jī)，其結(jié)構(gòu)完全相同。迭板安裝在定向器床上，連桿機(jī)構(gòu)一端與迭板連接，另一端固定在回轉(zhuǎn)盤(pán)上。當(dāng)起落架部分回轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)迭板扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生平衡力矩。四片迭板是用埋頭螺釘組裝，在中間兩片迭板的孔與埋頭螺釘之間有間隙，埋頭螺釘只起連接作用，不提供壓力。套筒的方孔通過(guò)墊板與迭板上、下面的接觸，與迭板側(cè)面有間隙，這便允許迭板扭轉(zhuǎn)時(shí)，每片迭板之間可以有相對(duì)錯(cuò)動(dòng)。因此這種端頭約束，可視為輕約束，迭板扭轉(zhuǎn)可視為純扭轉(zhuǎn)，如下頁(yè)圖2所示。

圖2 單側(cè)迭板組件

1.3 材料選取

本迭板選材為60Si2CrVA。在對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)下，τ－1的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)為N0＝100萬(wàn)次，根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］，其性能如表1所示。

表1 60Si2CrVA材料性能

1.4 關(guān)鍵工藝與預(yù)扭試驗(yàn)

由于迭板平衡機(jī)的使用工況要求，對(duì)迭板的選材和工藝進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。主要有：

1）對(duì)毛坯材料進(jìn)行探傷保證選材結(jié)構(gòu)性能。

2）熱處理。（850±20）℃油淬及（410±30）℃回火，從而使其金相組織滿(mǎn)足設(shè)汁要求。

3）矯直。分兩次對(duì)迭板進(jìn)行矯直處理。

設(shè)計(jì)中迭板組承受雙向扭轉(zhuǎn)，受扭段長(zhǎng)度為630mm。迭板組在扭轉(zhuǎn)37.5°時(shí)承受力矩為4 500N·m，在扭轉(zhuǎn)40°時(shí)承受力矩為4 800N·m，隨扭角變化，扭力矩的允許公差在5%以?xún)?nèi)。

對(duì)完成加工的迭板試樣進(jìn)行了預(yù)扭試驗(yàn)，扭角和扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。該圖說(shuō)明了設(shè)計(jì)的雙向平衡方式方案是可行的。

圖3 扭角與扭矩關(guān)系擬合曲線(xiàn)圖

2 有限元分析

迭板組作為平衡機(jī)的執(zhí)行部件，其自身剛強(qiáng)度與疲勞壽命對(duì)平衡機(jī)的安全使用起至關(guān)重要的作用?？紤]到迭板組由四片單迭板組合而成，為方便仿真計(jì)算，選擇單片迭板進(jìn)行有限元分析。

2.1 迭板最大切應(yīng)力計(jì)算

在AWE上建立迭板模型，兩端分別施加固定約束和角位移，對(duì)其靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖4～7所示。

圖4 邊界條件與載荷

圖5 圓周位移云圖

圖6 最大剪切應(yīng)力云圖

圖7 等效應(yīng)力云圖

仿真計(jì)算結(jié)果總結(jié)如表2所示。

表2 單片迭板有限元仿真計(jì)算結(jié)果

初步分析：由于最大剪切應(yīng)力為861.8MPa＜900MPa，且最大等效應(yīng)力為1 577.9MPa＜1 665MPa，故該迭板在工作過(guò)程中的靜強(qiáng)度是滿(mǎn)足使用要求的。

2.2 迭板的疲勞壽命分析

疲勞是引起工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件失效的最主要的原因之一。通過(guò)疲勞分析可以對(duì)承受循環(huán)載荷作用的零件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，若計(jì)算壽命不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)壽命，則需改進(jìn)零件設(shè)計(jì)尺寸或結(jié)構(gòu)，或選用更好的材料以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)壽命要求。

［2－3］中查得，60Si2CrVA 材料的低周和高周疲勞壽命曲線(xiàn)如圖8～9所示。

圖8 60Si2CrVA低周疲勞壽命S－N曲線(xiàn)

圖9 60Si2CrVA高周疲勞壽命S－N曲線(xiàn)

由以上低高周疲勞壽命曲線(xiàn)，讀取各循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力值，可擬合出60Si2CrVA材料完整的S－N曲線(xiàn)?？紤]到迭板的疲勞分析要在AWE中完成，而AWE中所需S－N數(shù)據(jù)中的S對(duì)應(yīng)的不是單純的拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力，因此，不能簡(jiǎn)單的將疲勞試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)作為AWE疲勞分析的輸入數(shù)據(jù)。按照最大剪應(yīng)力理論公式為σ2＋4τ槡2≤［σ］，其中σ為彎曲正應(yīng)力，τ為扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，而該迭板基本不受彎曲應(yīng)力的影響，故上式可近似簡(jiǎn)化為2τ≤［σ］。鑒于此，將參考文獻(xiàn)中查得的各循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力值的2倍，作為疲勞分析的輸入數(shù)據(jù)［4］。其數(shù)據(jù)表格與S－N曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 60Si2CrVA材料在AWE中進(jìn)行疲勞分析所需S－N數(shù)據(jù)與曲線(xiàn)

在迭板結(jié)構(gòu)有限元分析基礎(chǔ)之上，通過(guò)添加疲勞工具，并定義相關(guān)參數(shù)，如疲勞強(qiáng)度因子定義為0.9次，載荷類(lèi)型選為恒定幅值，由于迭板材料為韌性材料，故平均應(yīng)力修正理論選擇Soderberg修正理論，應(yīng)力分量選擇等效應(yīng)力，壽命單位為1次循環(huán)［5－8］，如圖11所示。

圖11 恒幅載荷及Soderberg修正理論曲線(xiàn)

最后，添加壽命結(jié)果響應(yīng)，從而計(jì)算出單片迭板的疲勞壽命如圖12所示。

圖12 受扭段630mm的單片迭板壽命云圖

由以上壽命云圖可知，受扭段630mm的單片迭板，在扭轉(zhuǎn)±37.5°的轉(zhuǎn)動(dòng)位移載荷下，其最小可循環(huán)次數(shù)為75 842次。

3 結(jié)論

1）根據(jù)預(yù)扭試驗(yàn)，說(shuō)明采用迭板的雙向平衡方式是可行的。

2）由單片迭板的有限元分析可知其靜強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

3）由單迭板的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果可知其最小疲勞壽命值與理論設(shè)計(jì)值8萬(wàn)次誤差為5.2%，說(shuō)明其仿真結(jié)果可靠性高。

4）計(jì)算機(jī)仿真不僅節(jié)省人力物力，同時(shí)給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)啟示。疲勞數(shù)據(jù)隨著材料和測(cè)試方法的不同而有所變化，所以很重要就是用戶(hù)要選用能代表自己部件疲勞性能的數(shù)據(jù)，同時(shí)其仿真分析結(jié)果的可信度需要試驗(yàn)或者實(shí)際使用來(lái)驗(yàn)證。

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