黃少羅，　李文博，　曹立軍

(1. 軍械工程學(xué)院 基礎(chǔ)部， 河北 石家莊 050003；　2. 軍械工程學(xué)院 火炮工程系， 河北 石家莊 050003)

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基于虛擬樣機(jī)的遠(yuǎn)程火箭炮故障過程仿真與失效壽命預(yù)測

黃少羅1，李文博1，曹立軍2

(1. 軍械工程學(xué)院 基礎(chǔ)部， 河北 石家莊 050003；2. 軍械工程學(xué)院 火炮工程系， 河北 石家莊 050003)

為了能夠準(zhǔn)確地測量遠(yuǎn)程火箭炮在各種工況下關(guān)重件的載荷譜，真實(shí)地反映故障的發(fā)生和發(fā)展過程，提出了適合于大型復(fù)雜系統(tǒng)耦合仿真的協(xié)同仿真方案，建立了遠(yuǎn)程火箭炮完整的虛擬樣機(jī),較好地解決了機(jī)電液耦合、多碰撞變拓?fù)涞冉ｋy點(diǎn)，并通過臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)裝試驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)的可信性。以同步器磨損失效過程為例，將同步器與嚙合齒輪分別制成銷試樣和盤試樣，基于摩擦磨損試驗(yàn)獲取典型材料在不同工況下的磨損規(guī)律，結(jié)合虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果，計(jì)算其磨損失效壽命，為實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修和精確化保障提供決策依據(jù)。

虛擬樣機(jī)；摩擦磨損試驗(yàn)；故障仿真；磨損；失效壽命

遠(yuǎn)程火箭炮是我國陸軍實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程火力打擊的“撒手锏”裝備，填補(bǔ)了身管火炮與戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈之間的火力空白，具有自動(dòng)化程度高、射程遠(yuǎn)、威力大、精度高、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)。長期以來，我軍一直以戰(zhàn)備完好性作為衡量裝備實(shí)際戰(zhàn)斗力水平的依據(jù)，但只能保證裝備在任務(wù)開始點(diǎn)走得動(dòng)、打得響，至于走多遠(yuǎn)、打多久卻難以預(yù)測。就裝備管理與保障部門來說，能夠準(zhǔn)確仿真和預(yù)測裝備在未來訓(xùn)練或作戰(zhàn)任務(wù)過程中的故障發(fā)生情況，對于科學(xué)、合理地進(jìn)行作戰(zhàn)決策與維修決策具有重要的參考意義。

遠(yuǎn)程火箭炮服役環(huán)境惡劣，工作載荷復(fù)雜多變，在不同路面、不同行駛速度、不同射擊條件下基于實(shí)裝試驗(yàn)對關(guān)重件的載荷歷程進(jìn)行測試的難度很大，甚至有的關(guān)重件的工作載荷根本無法測量。為了克服載荷譜準(zhǔn)確獲取的難題，真實(shí)地反映遠(yuǎn)程火箭炮故障的發(fā)生和發(fā)展過程，論文提出了基于協(xié)同仿真的機(jī)電液控耦合系統(tǒng)建模方法，建立了遠(yuǎn)程火箭炮完整的虛擬樣機(jī)，對其工作過程和故障過程進(jìn)行仿真，基于臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)裝試驗(yàn)驗(yàn)證虛擬樣機(jī)的可信性，并以變速箱同步器為例說明磨損失效過程仿真及磨損失效壽命預(yù)測方法。

1　基于協(xié)同仿真的機(jī)電液控耦合系統(tǒng)建模方法

遠(yuǎn)程火箭炮是集機(jī)、電、液、控為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，工作過程中涉及的剛體數(shù)目大、自由度多，單領(lǐng)域的仿真方法難以準(zhǔn)確地描述其工作過程。如果人為地將復(fù)雜系統(tǒng)分割為多個(gè)功能子系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)建模與仿真，雖然降低了建模的復(fù)雜程度，減少了單次仿真時(shí)間，但影響各功能子系統(tǒng)之間狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞。同時(shí)，過度地簡化復(fù)雜系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和邊界條件，將使得機(jī)、電、液、控耦合系統(tǒng)之間的耦合效應(yīng)難以準(zhǔn)確描述，影響仿真精度[1]。

遠(yuǎn)程火箭炮高低電液隨動(dòng)系統(tǒng)是典型的機(jī)、電、液、控耦合系統(tǒng)，主要包括隨動(dòng)控制箱、測角裝置、伺服泵總成、控制閥組、鎖緊閥組、高低平衡機(jī)、手動(dòng)泵總成等各種機(jī)械、液壓和電控元件，它們之間的耦合關(guān)系如圖1所示。機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)之間通過液壓缸和液壓馬達(dá)耦合，液壓系統(tǒng)壓力和流量的計(jì)算均以液壓缸和液壓馬達(dá)為基礎(chǔ)，電控系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器和行程開關(guān)與機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部位相關(guān)聯(lián)，并將各類控制信號輸出到液壓系統(tǒng)的控制閥組，伺服泵產(chǎn)生液壓動(dòng)力，液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)將執(zhí)行元件負(fù)載的變化轉(zhuǎn)化為壓力信息，進(jìn)一步影響液壓缸和液壓馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度。

遠(yuǎn)程火箭炮協(xié)同仿真建模流程如圖2所示。機(jī)、電、液、控耦合系統(tǒng)的協(xié)同仿真采用“PTC.Pro/E+MSC. ADAMS+MSC.EASY5”軟件組合來實(shí)現(xiàn)。在三維實(shí)體建模軟件PTC.Pro/E中，完成機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體建模；在MSC.ADAMS中建立動(dòng)力學(xué)模型，添加力和約束；電氣、液壓和控制系統(tǒng)的建模在MSC. EASY5中完成，并與動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行有效耦合控制；虛擬樣機(jī)的驗(yàn)證主要基于實(shí)裝試驗(yàn)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證與修改貫穿整個(gè)建模過程，直至虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)裝試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差在可接受的范圍內(nèi)[1-2]。

圖2　機(jī)、電、液、控耦合系統(tǒng)協(xié)同仿真建模流程

2　虛擬樣機(jī)的建立

在開發(fā)遠(yuǎn)程火箭炮虛擬樣機(jī)之前，需要對實(shí)裝和服役環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?1) 除轉(zhuǎn)動(dòng)鉸和滑移鉸外，其他鉸接處不考慮內(nèi)部摩擦和阻尼；(2) 除彈性元件、阻尼元件和橡膠元件外，其他零部件均視為剛體；(3) 在行駛過程中，遠(yuǎn)程火箭炮的簧載質(zhì)量簡化為一個(gè)具有集中質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的剛體(共有6個(gè)自由度)；(4) 在不影響機(jī)構(gòu)動(dòng)作和仿真精度的前提下，盡可能地簡化零部件外廓形狀；(5) 多個(gè)固接且沒有相對運(yùn)動(dòng)的零部件簡化為一個(gè)零部件。

圖3和圖4分別是定向器束和回轉(zhuǎn)機(jī)的三維實(shí)體模型。按照實(shí)裝各功能子系統(tǒng)之間的位置和連接關(guān)系，將各功能子系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)通過信號器(communicator)連接在一起，相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交流(位置、力、仿真參數(shù)設(shè)置、控制信號等)，共同組成遠(yuǎn)程火箭炮虛擬樣機(jī)，如圖5所示。

圖3　定向器束三維實(shí)體模型

圖4　回轉(zhuǎn)機(jī)三維實(shí)體模型

圖5　遠(yuǎn)程火箭炮虛擬樣機(jī)

在遠(yuǎn)程火箭炮虛擬樣機(jī)的工作過程與故障過程仿真中，涉及閉鎖力、火箭彈推力、火箭彈燃?xì)饬鳑_擊力、碰撞力、彈簧力、空氣阻力等外部、內(nèi)部作用力，必須建立相應(yīng)的力學(xué)模型。下面以火箭彈推力為例說明MSC.ADAMS中力學(xué)模型的建立方法。

火箭彈通電后，火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)向后排出大量高速、高壓、高溫的燃?xì)饬?，燃?xì)饬鞯姆醋饔卯a(chǎn)生火箭彈的推力?；鸺龔椡屏Φ拇笮「鶕?jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在MSC.ADAMS中，采用AKISPL曲線擬合法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到遠(yuǎn)程火箭炮的推力曲線，并通過IF函數(shù)進(jìn)行調(diào)用：

IF(time-0.3×n:0,0AKISPL(time-

0.3×n,0,Spline_push,0))

(1)

式中，time為仿真時(shí)間；Spline_push為調(diào)用由試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的火箭彈推力的樣條曲線；n為發(fā)射第n發(fā)火箭彈。

3　虛擬樣機(jī)可信性驗(yàn)證

仿真模型的正確性和精確度直接影響仿真結(jié)果的可信度。檢驗(yàn)虛擬樣機(jī)可信性的最佳途徑是將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比[2]。遠(yuǎn)程火箭炮虛擬樣機(jī)可信性驗(yàn)證采用臺(tái)架試驗(yàn)與實(shí)裝試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行，對于單一功能子系統(tǒng)通常采用臺(tái)架試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，對于整裝虛擬樣機(jī)的射擊或行駛過程通常采用實(shí)裝射擊或行駛試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1基于臺(tái)架試驗(yàn)的虛擬樣機(jī)可信性驗(yàn)證

遠(yuǎn)程火箭炮減振器臺(tái)架試驗(yàn)主要包括示功特性試驗(yàn)、速度特性試驗(yàn)和疲勞特性試驗(yàn)，它們均在德國IST公司生產(chǎn)的油氣彈簧試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，通過試驗(yàn)臺(tái)的門架式結(jié)構(gòu)模擬實(shí)裝輸入不平路面產(chǎn)生的各種頻率和振幅的激勵(lì)，試驗(yàn)臺(tái)即時(shí)顯示減振器的特性曲線。遠(yuǎn)程火箭炮減振器臺(tái)架試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)QC/T 545—1999《汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為20±2℃，上端施加正弦激勵(lì)信號[3]。圖6為減振器臺(tái)架試驗(yàn)過程。

圖6　減振器臺(tái)架試驗(yàn)過程

圖7為采用正弦激勵(lì)、振幅為100 mm、最大速度為0.05 m/s時(shí)，減振器示功特性試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，圖8為同等條件下速度特性試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，均方根誤差為34.26 N/樣本點(diǎn)，說明虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果與示功、速度特性試驗(yàn)結(jié)果之間具有較好的一致性，誤差在可以接受的范圍內(nèi)，能夠滿足遠(yuǎn)程火箭炮減振器和整裝動(dòng)力學(xué)仿真的精度要求。

圖7　減振器示功特性試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對比

圖8　減振器速度特性試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對比

3.2基于實(shí)裝試驗(yàn)的虛擬樣機(jī)可信性驗(yàn)證

借助于遠(yuǎn)程火箭炮大型行駛試驗(yàn)，測量實(shí)裝行駛過程中的部分信息，與同等條件下的虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證遠(yuǎn)程火箭炮虛擬樣機(jī)行駛過程仿真結(jié)果的可信性。

實(shí)裝行駛試驗(yàn)的試驗(yàn)裝備是一門技術(shù)狀況完好的遠(yuǎn)程火箭炮，試驗(yàn)設(shè)備主要包括電子羅盤、轉(zhuǎn)向參數(shù)測試儀、陀螺儀、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)等，可以精確地測量車體側(cè)傾角、方向角和俯仰角等數(shù)據(jù)[4]。試驗(yàn)設(shè)備之間的連接關(guān)系如圖9所示，相關(guān)測量參數(shù)如表1所示。

圖9　實(shí)裝行駛試驗(yàn)設(shè)備連接關(guān)系

試驗(yàn)測量參數(shù)定半徑回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方向盤轉(zhuǎn)角橫擺角速度車體側(cè)傾角通過試驗(yàn)場地的有效時(shí)間方向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)方向盤轉(zhuǎn)角橫擺角速度

圖10是當(dāng)遠(yuǎn)程火箭炮行駛速度為45 km/h時(shí)，虛擬樣機(jī)仿真與實(shí)裝定半徑回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的車體側(cè)傾角對比情況?？梢钥闯觯涸谔摂M樣機(jī)仿真和實(shí)裝行駛試驗(yàn)過程中，遠(yuǎn)程火箭炮車體側(cè)傾角最大值在20°附近變化；在進(jìn)出遠(yuǎn)程火箭炮行駛軌跡的圓弧段時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢基本一致。表1中的其他參數(shù)也采用同樣方法進(jìn)行比較，如果誤差過大，需要反復(fù)修改虛擬樣機(jī)，直至誤差滿足要求，使所建立的虛擬樣機(jī)在仿真過程中能夠反映遠(yuǎn)程火箭炮的實(shí)裝特性。

圖10　車體側(cè)傾角仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比

4　同步器磨損失效過程仿真

在已經(jīng)建立虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合部組件臺(tái)架試驗(yàn)、實(shí)裝試驗(yàn)和失效壽命試驗(yàn)，可以進(jìn)一步預(yù)測關(guān)重件的失效壽命。由于論文篇幅的限制，僅以同步器磨損為例說明失效壽命預(yù)測過程。同步器是遠(yuǎn)程火箭炮變速箱的重要部件，換擋時(shí)同步器使變速箱主、從動(dòng)部分轉(zhuǎn)速相同后再結(jié)合，從而減小沖擊和噪聲，減輕換擋力，使換擋過程平順，延長變速箱齒輪的壽命。在已經(jīng)建立遠(yuǎn)程火箭炮虛擬樣機(jī)并對虛擬樣機(jī)可信性進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，可以獲得同步器在各種工況下的工作載荷及狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律。圖11和圖12為駕駛員施加160 N的力，掛擋力為1 965 N時(shí)，遠(yuǎn)程火箭炮從二擋到三擋的同步過程仿真結(jié)果。

圖11　作用在同步器上的扭矩變化規(guī)律

圖12　同步器角速度和角加速度變化規(guī)律

在同步器工作過程中，同步器體錐面與齒輪錐面之間產(chǎn)生摩擦磨損，逐漸導(dǎo)致失效。同步器體的材料是20Cr2Ni4A，齒輪錐面的材料是38CrSi。將配對材料分別制成銷試樣(20Cr2Ni4A)和盤試樣(38CrSi)，在銷-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。由于遠(yuǎn)程火箭炮的掛擋時(shí)間通常為0.5～2 s，同步器的摩擦磨損時(shí)間較短，可以不考慮摩擦導(dǎo)致的熱效應(yīng)，在試驗(yàn)過程中主要研究磨損率與壓力、速度和硬度之間的關(guān)系。

通過銷試樣和盤試樣之間的距離、試樣的直徑，可以得到二者之間的相對摩擦速度

(2)

式中，v為試樣摩擦面的相對摩擦速度(m/s)；n為試樣的轉(zhuǎn)速(r/min)。

銷試樣和盤試樣的硬度在HL-150A型洛氏硬度計(jì)上測定，磨損量采用稱量法測定，磨損率按照單位時(shí)間的磨損量進(jìn)行計(jì)算，如式(3)所示，其物理意義為單位摩擦功的磨損量[5]。

(3)

式中，ΔW為磨損質(zhì)量損失(mg)；R為平均摩擦半徑，即銷試樣摩擦表面與盤試樣旋轉(zhuǎn)中心之間的距離(m)；t為摩擦?xí)r間(s)；N為施加在銷試樣上的法向壓力(N)；μ為摩擦系數(shù)。

通過材料摩擦磨損試驗(yàn)，可以得到滑動(dòng)速度、接觸壓力等因素對磨損率的影響規(guī)律。圖13是滑動(dòng)速度對磨損率的影響規(guī)律，可以看出：(1) 隨著滑動(dòng)速度的增加，銷試樣的磨損率增加；(2) 在滑動(dòng)速度小于等于40 m/s時(shí)，磨損率較小，且磨損率隨著滑動(dòng)速度增加而增大的趨勢不明顯；(3) 當(dāng)滑動(dòng)速度大于40 m/s后，隨著滑動(dòng)速度的增加，磨損率增加的趨勢明顯，且載荷越大，磨損率增加的趨勢越明顯。

圖13　滑動(dòng)速度對磨損率的影響

在變速箱允許的操縱行程內(nèi)，應(yīng)保證同步器行程使嚙合齒套全長嚙合，如圖14所示，則操縱同步器的行程為

(4)

圖14　同步器行程

圖中，嚙合齒的齒厚為b，齒套與嚙合齒的間隙為δ2，錐面間隙為δ1，錐體半錐角為α。掛擋時(shí)，同步器在齒套和嚙合器嚙合之前，完成錐面間的接觸，即

(5)

因此，同步器允許的磨損量為

(6)

摩擦錐面壓力為

(7)

式中，α為錐體半錐角；Ss為同步器錐面間的接觸面積。

在換擋過程中，摩擦力矩不變，因此相對滑動(dòng)速度V呈線性變化規(guī)律，初速度為V0，末速度為0。

(8)

(9)

式中，t為同步時(shí)間；t′為同步器接合時(shí)間。

同步器接合一次的磨損質(zhì)量δw按式(10)積分進(jìn)行計(jì)算

(10)

同步器接合一次的磨損厚度按式(11)進(jìn)行計(jì)算

(11)

根據(jù)同步器的接合次數(shù)可以求得磨損壽命為

(12)

采用虛擬樣機(jī)仿真得到的同步時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，二擋換三擋時(shí)，同步器體的磨損壽命如表2所示。

表2　同步器不同掛擋力對應(yīng)的磨損壽命

由表2可以看出，掛擋時(shí)加大同步力可以縮短同步時(shí)間，但增大了磨損量，從而縮短了同步器的服役壽命。表中所示同步器的服役壽命與部隊(duì)實(shí)裝使用情況基本一致，說明了仿真與預(yù)測結(jié)果的可信性。

5　結(jié)　論

1) 虛擬樣機(jī)為大型復(fù)雜系統(tǒng)的耦合仿真提供了有效的解決途徑，可以準(zhǔn)確地測量關(guān)重件的載荷譜，真實(shí)地反映故障的發(fā)生和發(fā)展過程。同時(shí)，實(shí)裝試驗(yàn)是檢驗(yàn)虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果可信性的最佳途徑。

2) 在虛擬樣機(jī)準(zhǔn)確測量關(guān)重件載荷譜和基于摩擦磨損試驗(yàn)獲取典型材料磨損規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過建立磨損失效模型可以預(yù)測關(guān)重件在不同工況下的失效壽命，為實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修和精確化保障提供決策依據(jù)。

References)

[1]LIU J H,ZHANG Y,CAO L J,et al.Virtual prototype simulation and reliability analysis for drive system of armored chassis[J].Journal of Donghua University,2015,32(1):166-170.

[2]胡慧斌，陳樹肖，李琳琳，等.基于虛擬樣機(jī)的輪式自行火炮操縱穩(wěn)定性仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015，27(11)：2735-2740.

[3]國家機(jī)械工業(yè)局.汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法：QC/T 545—1999[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999：5-11.

[4]OKCUOGLU M,FRIEDMAN K.Consideration of vehicle handling and stability with improved roof strength[J].International Journal of Crashworthiness,2007,12(5):541-547.

[5]楊艷峰，狄長春，杜中華，等.基于虛擬樣機(jī)的炮閂故障仿真研究[J].機(jī)械工程師，2015(11)：178-180.

(編輯：李江濤)

Fault Process Simulation and Life Prediction of Failure Based on Virtual Prototype for MLRS

HUANG Shaoluo1,LI Wenbo1，CAO Lijun2

(1. Department of Fundamental Course, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang Hebei 050003, China;2. Department of Gun Enginering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang Hebei 050003, China)

To accurately measure the loan spectrum of key elements of multiple long-range rocket system (MLRS) in various working conditions and truly reflect the occurrence and development process of fault, the paper puts forward a collaborative simulation scheme suitable for coupling simulation of large complex system, establishes a complete virtual prototype of MLRS, solve out the difficulties for modeling like mechatronic-hydraulic coupling and multiple collision and variable topology, then verifies the credibility of the virtual prototype by bench test and live-fire test . Taking the wear and failure process of synchronizer as an example, the paper makes synchronizer and a meshing gear as a pin specimen and a plate specimen respectively. Based on the tribological wear test, the paper draws the wear rules of typical materials under different conditions. Combined with the virtual prototype simulation results, the paper calculates the wear failure life to provide decision-making basis for predictive maintenance and accurate support.

virtual prototype; tribological wear test; fault simulation; wear; failure life

2016-03-17

部委級資助項(xiàng)目

黃少羅(1965—)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)槲淦餮b備效能評估。

TP391.9

2095-3828(2016)04-0058-06

A

10.3783/j.issn.2095-3828.2016.04.013