張夢(mèng)飛，楊 臻，劉萬(wàn)川，孔暢暢，吳朝峰

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051) (2.重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 401120)

外能源轉(zhuǎn)膛武器利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)來(lái)完成自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作，其中間歇機(jī)構(gòu)是轉(zhuǎn)膛體能否可靠實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)[1-2]。

目前，對(duì)間歇機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究的文獻(xiàn)已有很多。文獻(xiàn)[3]提出了用UG NX對(duì)凸輪輪廓曲線進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，并進(jìn)行了曲線連續(xù)性分析；文獻(xiàn)[4]針對(duì)棘輪間歇機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，提高了設(shè)計(jì)效率；文獻(xiàn)[5]針對(duì)不完全齒輪機(jī)構(gòu)，提出了一種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式的不完全齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[6]針對(duì)具有附加約束條件的凸輪機(jī)構(gòu)，提出一種多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分段設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[7]針對(duì)凸輪輪廓設(shè)計(jì)不合理引起的振動(dòng)，基于最大豐滿系數(shù)理論對(duì)排咪機(jī)中凸輪打點(diǎn)機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓曲線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[8]分析了各種因素對(duì)平行分度凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響；文獻(xiàn)[9]以UG為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了平行分度凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以大大提高設(shè)計(jì)效率；文獻(xiàn)[10]建立了平行分度凸輪的數(shù)學(xué)模型,提出了一種凸輪輪廓線的計(jì)算方法。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的間歇機(jī)構(gòu)相比，平行分度凸輪機(jī)構(gòu)具備分度精度高、動(dòng)力學(xué)特性及力學(xué)性能好、振動(dòng)與噪聲小、承受載荷能力高、可滿足各種外能自動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的要求等優(yōu)點(diǎn)[11-12]，結(jié)合某轉(zhuǎn)膛武器的特點(diǎn)及其在后期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的槽輪機(jī)構(gòu)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)法可靠地驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)的問(wèn)題，本文決定以平行分度凸輪機(jī)構(gòu)代替槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體。

1 運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇

由于某轉(zhuǎn)膛武器最初的主要目的是進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的原理性驗(yàn)證，為便于加工，間歇機(jī)構(gòu)選擇了較為簡(jiǎn)單的槽輪機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)膛體的驅(qū)動(dòng)裝置，槽輪間歇機(jī)構(gòu)如圖1所示。在早期的驗(yàn)證階段，由于對(duì)射速要求較低，所以此驅(qū)動(dòng)方式?jīng)]有明顯缺陷。

圖1 某轉(zhuǎn)膛武器槽輪間歇機(jī)構(gòu)

眾所周知，槽輪機(jī)構(gòu)在低速情況下才具有較好的力學(xué)性能，速度較高的情況下停止與啟動(dòng)時(shí)均存在較大的撞擊力，且定位不精準(zhǔn)[13]?？紤]到某轉(zhuǎn)膛武器設(shè)計(jì)的高射速要求，槽輪機(jī)構(gòu)顯然不能滿足設(shè)計(jì)需求，本文考慮采用平行分度凸輪代替槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)。

在進(jìn)行平行分度凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律選取時(shí)，應(yīng)確保凸輪在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度與加速度不發(fā)生突變[14]，呈現(xiàn)連續(xù)變化狀態(tài)，且使平行分度凸輪從動(dòng)轉(zhuǎn)盤在運(yùn)動(dòng)起始與結(jié)束時(shí)的速度與加速度為零，同時(shí)盡量選取最大速度、最大加速度與躍度值盡可能小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[15]。本文擬采用角速度((°)/s)與接觸力(kN)兩種特征值表征某轉(zhuǎn)膛武器在間歇機(jī)構(gòu)改進(jìn)前后的變化。

表1為常見運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性值及其使用場(chǎng)合，其中Vmax,Amax,Jmax,(AV)max分別為凸輪從動(dòng)件的最大速度、最大加速度、最大躍度、加速度與速度乘積的最大值。結(jié)合該轉(zhuǎn)膛武器自動(dòng)機(jī)具有的高速、重載等特點(diǎn)，初步選擇改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為平行分度凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線。

表1 常見運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特性值及其適用場(chǎng)合

在分析分度凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)常采用無(wú)量綱參數(shù)來(lái)表達(dá)，改進(jìn)正弦加速度曲線的表達(dá)式如下：

(1)

式中：T，S，V，A，J分別為無(wú)量綱時(shí)間、無(wú)量綱位移、無(wú)量綱速度、無(wú)量綱加速度、無(wú)量綱躍度；t為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間；tf為轉(zhuǎn)盤分度期時(shí)間；θ為凸輪的轉(zhuǎn)角；θf(wàn)為凸輪分度期轉(zhuǎn)角；φi為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角；φf(shuō)為轉(zhuǎn)盤分度期轉(zhuǎn)角。

改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算公式如下。

1)起始行程時(shí)周期較短的正弦加速度段：

(2)

2)中間行程時(shí)周期較長(zhǎng)的正弦加速度段：

(3)

3)末尾行程時(shí)周期較短的正弦加速度段：

(4)

對(duì)公式(2)～(4)利用數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB進(jìn)行編程，得到無(wú)量綱化的位移、速度、加速度、躍度與無(wú)量綱時(shí)間的曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，無(wú)量綱速度、加速度及躍度時(shí)間曲線均未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有產(chǎn)生剛性和柔性沖擊，表明改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律可適用于高速驅(qū)動(dòng)的情況，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)性起到極大的改善作用。

圖2 運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

2 平行分度凸輪設(shè)計(jì)結(jié)果

2.1 分度凸輪循環(huán)圖確立

在進(jìn)行平行分度凸輪的設(shè)計(jì)前，先給定分度凸輪的工作循環(huán)圖，如圖3所示。由圖可知，整個(gè)自動(dòng)過(guò)程中分度凸輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體僅轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其他時(shí)間分度凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)膛體靜止。

圖3 平行分度凸輪循環(huán)圖

2.2 參數(shù)確立

該轉(zhuǎn)膛武器有4個(gè)彈膛，因此平行分度凸輪需要4個(gè)分度，即轉(zhuǎn)盤分度數(shù)為4，同時(shí)考慮到平行分度凸輪間歇機(jī)構(gòu)需要給自動(dòng)機(jī)推彈、閉鎖、開鎖等動(dòng)作留出時(shí)間，所以分度期轉(zhuǎn)角不應(yīng)過(guò)大(取θp=π/2)，最終的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 平行分度凸輪的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 三維模型建立

利用數(shù)值軟件MATLAB進(jìn)行編程[16]計(jì)算，得到的理論輪廓線與實(shí)際輪廓線如圖4所示。

圖4 凸輪理論輪廓線與實(shí)際輪廓線

將平行分度凸輪實(shí)際輪廓線、理論輪廓線曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)出，考慮篇幅，不具體列舉輪廓線計(jì)算結(jié)果。將輪廓線數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件UG中進(jìn)行樣條擬合，并對(duì)擬合的相交曲線進(jìn)行裁剪得到完整的平行分度凸輪輪廓線，使用UG中的拉伸命令將其拉伸得到平行分度凸輪機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)凸輪，轉(zhuǎn)盤幾何尺寸參照表2進(jìn)行繪制，驅(qū)動(dòng)凸輪與轉(zhuǎn)盤裝配關(guān)系如圖5所示。

圖5 平行分度凸輪機(jī)構(gòu)

3 兩種驅(qū)動(dòng)方式仿真對(duì)比

采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)槽輪與平行分度凸輪兩種不同驅(qū)動(dòng)方式的間歇機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，去除其他不相關(guān)的部件，將簡(jiǎn)化后的驅(qū)動(dòng)過(guò)程部件導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行約束添加，如圖6所示。

圖6 兩種驅(qū)動(dòng)方式仿真對(duì)比

考慮到該轉(zhuǎn)膛武器射速為1 000發(fā)/min(即17發(fā)/s)，所以設(shè)置驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為34π rad/s，仿真兩個(gè)周期，設(shè)置時(shí)長(zhǎng)為0.07 s，仿真步數(shù)為7 000步，得到兩種驅(qū)動(dòng)方式下轉(zhuǎn)膛體的角速度與接觸力對(duì)比變化曲線如圖7～圖9所示。

圖7 轉(zhuǎn)膛體角速度曲線

從圖7可以看出，槽輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體過(guò)程中，轉(zhuǎn)膛體的角速度波動(dòng)較多，這是由于在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)了較多的碰撞，整個(gè)過(guò)程十分不平穩(wěn)；而平行分度凸輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)膛體角速度的變化從零開始，其形成的速度曲線與圖2中無(wú)量綱速度曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化基本一致?？梢姡叫蟹侄韧馆嗱?qū)動(dòng)相比槽輪驅(qū)動(dòng)能較大程度減少整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的角速度波動(dòng)情況。

圖8 槽輪驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)膛體所受接觸力

圖9 平行分度凸輪驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)膛體所受接觸力

由圖8與圖9可以看出，槽輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體時(shí)的接觸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平行分度凸輪，中間出現(xiàn)的小波動(dòng)為剛體接觸的正常結(jié)果，從側(cè)面也說(shuō)明平行分度凸輪驅(qū)動(dòng)具有更好的力學(xué)性能，驅(qū)動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。

4 結(jié)論

對(duì)某轉(zhuǎn)膛式武器的間歇機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將原方案中只適用于低速驅(qū)動(dòng)的槽輪機(jī)構(gòu)改為能在高速狀態(tài)下可靠運(yùn)行的平行分度凸輪，并對(duì)兩種機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比，對(duì)于平行分度凸輪的繪制及外能源轉(zhuǎn)膛式武器間歇機(jī)構(gòu)的選擇具有一定參考意義。仿真結(jié)果表明：

1)平行分度凸輪驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)膛體的角速度大小約為槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)時(shí)的60%，且角速度的變化較為平穩(wěn)，說(shuō)明平行分度凸輪驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的碰撞少于槽輪驅(qū)動(dòng)。

2)平行分度凸輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)膛體時(shí)產(chǎn)生的接觸力遠(yuǎn)小于槽輪驅(qū)動(dòng)，約為槽輪驅(qū)動(dòng)時(shí)的5%，表明平行分度凸輪驅(qū)動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。