王海旭，張鵬軍,楊一帆,余朝發(fā)

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051; 2.陸軍工程大學軍械士官學校， 武漢 430000)

轉管武器凸輪曲線槽主滾輪系統(tǒng)是一種典型的高速重載反圓柱凸輪系統(tǒng)，機芯運動加速度可達2 000～6 000 m/s2，速度可達10～30 m/s，且在極短的自動循環(huán)時間內(nèi)存在供彈、開閉鎖等復雜的受力狀態(tài)[1]。機芯滾輪可以降低機芯與曲線槽之間的摩擦力，減少機芯與曲線槽之間的磨損。轉管武器大多使用圓柱滾輪，這種滾輪在曲線槽中繞自身軸自由回轉時，滾輪與曲線槽之間必須保證一定的間隙，間隙的存在會造成滾輪缺乏完善的約束，與曲線槽兩側交替接觸，形成顫動現(xiàn)象，滾輪與曲線槽之間同時存在滾動和滑動運動[2]。此外，機芯運動狀態(tài)改變時，因間隙的存在，滾輪在曲線槽中會發(fā)生失去接觸的現(xiàn)象，待再次接觸時會產(chǎn)生碰撞，引起劇烈振動，并產(chǎn)生噪聲。碰撞時速度、加速度和接觸力可能是無間隙狀態(tài)下的幾倍或者幾十倍，稱之為橫越?jīng)_擊現(xiàn)象[3]。薄玉成、徐健[1,4]等就高速反圓柱凸輪機構滾輪純滾動動力學進行了分析，根據(jù)對凸輪體角加速度的判斷和分析得到凸輪的運動狀態(tài)，為盡量避免凸輪在運動過程中出現(xiàn)短暫非滾動狀態(tài)提供了有效的解決途徑。竺志超[5]等人研究了凸輪機構中滾子的純滾動問題，導出滾子純滾動的動力學條件,并以此為基礎分析了機構結構參數(shù)、轉速、外載、摩擦等對滾子純滾動的影響關系。何雪明、張超洋[3,6]對橫越?jīng)_擊現(xiàn)象進行了動力學仿真和理論分析，并提出了防止橫越?jīng)_擊現(xiàn)象的方法。

文獻[1]和文獻[4]中對高速圓柱凸輪純滾動條件的研究并沒有考慮圓柱凸輪雙面約束的特點，機芯開始減速運動時，機芯滾輪從一個約束面向另一個約束面橫越運動，受力方向發(fā)生變化，滾輪運動是先減速運動，然后反向轉動，文獻[1]和文獻[4]中忽略了這一特性，因此所給出的純滾動條件具有一定的局限性。

通過對機芯滾輪運動特性進行理論計算與仿真分析，研究了機芯滾輪與曲線槽之間的力學關系，分析了轉管武器機芯滾輪在曲線槽滾動和滑動的區(qū)域，以及機芯主滾輪的轉速和角加速度變化規(guī)律。為轉管武器凸輪結構優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 機芯滾輪滾/滑運動分析

1.1 機芯主滾輪受力分析[7]

為方便受力分析，現(xiàn)將機芯簡化，簡化模型如圖1所示。

圖1 機芯簡化模型示意圖

參考文獻[4]可得，機芯組件受力分析如圖2所示，其中Fa為機芯軸向運動時受到的慣性力，Rfr、Rfc、Rfα分別為機芯翻轉力造成的摩擦力、離心力造成的軸向摩擦力、啟動加速度造成的徑向力，N為滾輪與曲線槽法相正壓力,Nτ為垂直機芯運動方向的推力，Nf為機芯運動方向的推力,β為曲線槽壓力角,μr為機芯滾輪滾動時靜滑動摩擦系數(shù)?？梢钥闯?，當約束面發(fā)生變化，摩擦力Nμr的方向不變，由于相對于滾輪的作用點發(fā)生變化，其對滾輪的轉動力矩方向也發(fā)生改變。

圖2 機芯組件受力分析

1.2 機芯滾輪滾/滑運動分析[1,4-5]

機芯主滾輪在曲線槽內(nèi)的運動主要是滾動，在主滾輪純滾動時，主要受到法向正壓力N和靜摩擦力Ff，相比法向正壓力N和靜摩擦力Ff，來自銷軸的約束力是高階小量，本研究中認為可以略去。機芯滾輪速度分解如圖3所示。

圖3 機芯滾輪速度分解

圖中，vf為機芯滾輪速度的軸向分量，vt為機芯滾輪速度的周向分量。參考文獻[8]中可得，機芯滾輪為純滾動時：

(1)

(2)

式中：a為機芯軸向加速度；ω0為機芯滾輪轉速；ε為滾輪角加速度。

當機芯由勻速段進入減速段，約束面改變，發(fā)生相對滑動摩擦時：

(3)

ω0=ω1-εt

(4)

式中：ω1為勻速段末滾輪轉速。

第一，優(yōu)化升級農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結構，大力發(fā)展農(nóng)村特色產(chǎn)業(yè)。以市場需求為導向，立足當?shù)刈匀画h(huán)境條件、交通條件和特色農(nóng)業(yè)，對農(nóng)產(chǎn)品進行深加工，建立農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、銷售一條龍發(fā)展路線，走產(chǎn)業(yè)化和集約化發(fā)展之路。第二，當?shù)卣獙r(nóng)民進行科學技術培訓學習，提高農(nóng)民的科學技術素養(yǎng)，鼓勵農(nóng)民在家創(chuàng)業(yè)就業(yè)［2］。因此，要改變傳統(tǒng)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展模式，提高農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的質量和水平，實現(xiàn)農(nóng)民就近就業(yè)和收入穩(wěn)步增長。

2 數(shù)值計算與仿真分析

以某轉管武器為例，其凸輪曲線槽為正弦加速度型，滾輪轉動慣量J=1.587e-7 kg·m2，機芯中心回轉半徑R=32 mm，機芯組件質量Mb=0.35 kg，滾輪與曲線槽接觸處摩擦因數(shù)μr=0.1，角速度ω=36 π/s。

經(jīng)計算，滾輪與曲線槽法向正壓力N的變化曲線如圖4所示，壓力方向由曲線槽指向滾輪，且定義當機芯軸線方向上的壓力分量指向射擊方向時，法向正壓力為負值。

圖4 機芯滾輪與曲線槽法向正壓力變化曲線

由圖4可以看出，機芯運動由勻速段進入減速段時，法向正壓力N跨越0值，方向改變，此時，機芯發(fā)生橫越現(xiàn)象，曲線槽對滾輪的約束面發(fā)生變化，由圖2所示曲線槽不同約束面與滾輪的接觸關系可以看出，滾輪受到與轉動方向相反的力，此時，滾輪與曲線槽間發(fā)生相對滑動。

為滾輪運動時所受靜摩擦力Ff和理論最大靜摩擦力Nμr的變化曲線如圖5所示，對比圖4速度曲線可以看出，在非減速段，Nμr值遠大于Ff，由式(3)可知，在這些區(qū)段內(nèi)，滾輪能夠實現(xiàn)純滾動。當滾輪進入曲線槽減速段，滾輪與曲線槽發(fā)生相對滑動，滾輪受到的摩擦力值等于最大靜摩擦力。

圖5 靜摩擦力Ff和理論最大靜摩擦力Nμr

根據(jù)上述分析，結合現(xiàn)有曲線槽基本結構，運用Matlab軟件編程計算出滾輪運動速度和加速度，如圖6、圖7所示。圖6為機芯滾輪角加速度變化曲線，圖7為機芯滾輪角速度變化曲線。在減速段前段，滑動摩擦力與滾輪旋轉方向相反，存在一個迅速增大的角加速度。圖7所示滾輪角速度曲線可知，滾輪轉速迅速下降并反向旋轉，直到達到反向旋轉時的純滾動條件。

圖7 機芯滾輪角速度曲線

圖6 機芯滾輪角加速度曲線

為了驗證上述計算結果的準確性，通過Matlab構造轉管武器曲線槽輪廓線，并將數(shù)據(jù)點導入UG軟件，建立自動機曲線槽模型，然后將帶有曲線槽的自動機虛擬樣機模型導入Adams軟件進行動力學仿真。機芯部件的約束關系模型、自動機虛擬樣機模型，分別如圖8、圖9所示。

圖9 自動機虛擬樣機模型

圖8 機芯部件約束關系模型框圖

機芯滾輪角加速度和角速度變化情況的仿真結果分別如圖10、圖11所示。數(shù)值計算與動力學仿真結果對比分析如表1所示，機芯滾輪角速度與角加速度相對誤差分別為3.26%、4.16%，兩者基本相符。

圖10 機芯滾輪角加速度仿真曲線

圖11 機芯滾輪角速度仿真曲線

表1 數(shù)值計算與動力學仿真結果

根據(jù)仿真結果得出機芯滾輪在曲線槽內(nèi)的滾動與滑動分布情況，如圖12所示。

根據(jù)上述仿真結果可知，機芯滾輪離開后直線段后進入過渡段，在過渡段與斜直線段，滾輪與曲線槽后約束面接觸，在這一階段，機芯滾輪能夠實現(xiàn)純滾動。

當機芯運動到橫越點，機芯滾輪約束面由后約束面變成前約束面，摩擦力方向與滾輪轉動方向相反，機芯滾輪與曲線槽發(fā)生相對滑動，故此區(qū)域為滑動區(qū)。

在滑動區(qū)內(nèi)，機芯滾輪角速度減小，當滾輪角速度下降為零，由于摩擦力的作用，滾輪反向旋轉，此時，滾輪與曲線槽間存在滾動與滑動兩種狀態(tài)，故此區(qū)域為混合區(qū)。

如果有足夠大的摩擦系數(shù)，滾輪經(jīng)過滑動區(qū)和混合區(qū)，將會在當前過渡段內(nèi)再次實現(xiàn)純滾動；但如果當前過渡段內(nèi)的摩擦系數(shù)很小，不足以使?jié)L輪反向實現(xiàn)純滾動，當前過渡段將只存在滑動區(qū)和混合區(qū)。

對于圓柱滾子凸輪，為了使?jié)L子旋轉，曲線槽與滾子之間必須有足夠的間隙，在前直線段內(nèi)，機芯不受軸向壓力，但擊發(fā)時的振動激勵會使?jié)L輪在曲線槽內(nèi)振動，與兩個約束面交替接觸，出現(xiàn)轉速的波動[3]。

當滾輪離開前直線段，機芯向后運動，由于開鎖提供的較大軸向力，滾輪能在過渡段內(nèi)實現(xiàn)純滾動，在機芯向后運動過程中，滾輪將會重復上述過程。

3 結論

1) 機芯滾輪與曲線槽的法向正壓力最大值出現(xiàn)在過渡段中部，適當增加過渡段摩擦因數(shù)，有利于減小滑動區(qū)與混合區(qū)寬度。

2) 轉管武器凸輪結構優(yōu)化設計時，應在較小壓力處形成滑動或混合運動而在較大壓力處實現(xiàn)純滾動，有利于減小重載處的磨損，增加曲線槽的使用壽命。