偏離運(yùn)動(dòng)仿真在供彈機(jī)構(gòu)故障分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

程 剛,張相炎,董志強(qiáng),張 俊

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京 210094;2.長安工業(yè)集團(tuán)公司,重慶 400023)

小口徑高射頻自動(dòng)炮在高速射擊過程中,供彈構(gòu)件之間存在復(fù)雜的沖擊和碰撞,不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)造成供彈機(jī)構(gòu)無法準(zhǔn)確完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)循環(huán),出現(xiàn)炮彈卡滯和停射等嚴(yán)重故障,由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜,難以確定故障的原因。本文利用偏離運(yùn)動(dòng)仿真方法,模擬并復(fù)現(xiàn)了某自動(dòng)炮供彈機(jī)構(gòu)卡滯的故障現(xiàn)象,分析了炮彈卡滯的原因,通過優(yōu)化撥彈輪的初始定位角度,解決了供彈卡滯問題,為此類機(jī)構(gòu)的故障分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種有效的分析手段。

1 供彈機(jī)構(gòu)的卡滯故障現(xiàn)象

某自動(dòng)炮采用了新型雙路供彈機(jī)構(gòu),如圖1所示。當(dāng)上路供彈時(shí),下路的撥彈輪3、4處于機(jī)械鎖死狀態(tài),撥彈輪2撥動(dòng)炮彈沿路徑 AB運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn),由撥彈輪1把炮彈輸送至自動(dòng)炮進(jìn)彈口并完成供彈。當(dāng)下路供彈時(shí),控制撥彈輪2旋轉(zhuǎn)至72°角的整數(shù)倍處,并機(jī)械鎖死,撥彈輪1、3和4同步轉(zhuǎn)動(dòng),炮彈由4沿圓弧CD被輸送到D點(diǎn),在撥彈輪3作用下沿直線DE被輸送到E點(diǎn),并被切換到撥彈輪1,由撥彈輪1輸送到自動(dòng)炮進(jìn)彈口并完成供彈。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行供彈通暢性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),高速供彈時(shí),下路供彈的撥彈輪撥彈阻力較大,在供彈過程中出現(xiàn)了卡滯現(xiàn)象,有些炮彈表面被壓變形。

2 供彈機(jī)的偏離運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 建立供彈機(jī)構(gòu)偏離運(yùn)動(dòng)仿真模型

本文采用偏離運(yùn)動(dòng)仿真研究供彈故障的原因,由于供彈機(jī)的組成結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,利用專業(yè)CAD軟件建立三維實(shí)體模型[1],轉(zhuǎn)化為Parasolid格式并導(dǎo)入機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中,建立高速供彈機(jī)構(gòu)的參數(shù)化仿真模型[2-3],其中,炮彈與撥彈輪和導(dǎo)軌均為接觸碰撞,各撥彈輪與轉(zhuǎn)軸鉸接,4個(gè)撥彈輪的鉸接副采用關(guān)聯(lián)副連接,等速轉(zhuǎn)動(dòng)把炮彈從彈箱快速輸送至自動(dòng)炮進(jìn)彈口。

供彈機(jī)偏離運(yùn)動(dòng)仿真的流程如圖2所示。首先建立準(zhǔn)確的供彈機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型,通過調(diào)整撥彈輪的初始定位角,有選擇地使撥彈輪偏離初始的位置,在每個(gè)偏離因素組合下,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,直觀地顯現(xiàn)供彈機(jī)構(gòu)供彈過程中可能出現(xiàn)的供彈不暢、卡滯等故障現(xiàn)象,分析故障特征,以某個(gè)故障特征為評(píng)價(jià)函數(shù),找出優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 供彈機(jī)構(gòu)偏離運(yùn)動(dòng)仿真和故障分析

為了便于分析各撥彈輪的定位角度對(duì)供彈平穩(wěn)性的影響,利用ADAMS二次開發(fā)模塊編制了偏離運(yùn)動(dòng)仿真驅(qū)動(dòng)模塊,輸入偏離變量,即可實(shí)現(xiàn)撥彈輪初始定位角度的調(diào)整和偏離運(yùn)動(dòng)仿真。

對(duì)原始設(shè)計(jì)的供彈機(jī)構(gòu)進(jìn)行偏離運(yùn)動(dòng)仿真后發(fā)現(xiàn),在高速供彈過程中,撥彈輪1、3和4運(yùn)動(dòng)是不協(xié)調(diào)的,特別是炮彈在撥彈輪3和1切換過程中,兩個(gè)撥彈輪的齒弧擠壓炮彈,引起炮彈劇烈抖動(dòng)。動(dòng)力學(xué)仿真得到的炮彈運(yùn)動(dòng)曲線如圖3所示,可以看出該故障的特征是:當(dāng)撥彈輪運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)引起卡滯時(shí),炮彈的運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)比較大,而且,卡滯越嚴(yán)重,炮彈的運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)越大。進(jìn)一步的分析表明,炮彈運(yùn)動(dòng)速度的波動(dòng)可以作為供彈卡滯的故障特征,運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)越大,說明供彈卡滯越嚴(yán)重。

2.3 撥彈輪定位角度的優(yōu)化

設(shè)定各撥彈輪的初始定位角度為變量,按步長為0.1密位進(jìn)行偏離運(yùn)動(dòng)仿真,以炮彈的運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)為評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行優(yōu)化分析,找出各撥彈輪最佳的初始定位角度。部分仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4中:曲線1、曲線2和曲線3分別為撥彈輪4偏離原始設(shè)計(jì)角度0、-1和1密位時(shí)炮彈運(yùn)動(dòng)速度。可以看出,在原始的初始定位角調(diào)整1密位時(shí),炮彈運(yùn)動(dòng)速度的瞬態(tài)波動(dòng)不很明顯,但運(yùn)動(dòng)速度曲線的局部瞬時(shí)變化較大,仍存在速度變化不連續(xù)現(xiàn)象;初始定位角為-1密位時(shí),炮彈運(yùn)動(dòng)速度存在非常劇烈的波動(dòng);初始定位角調(diào)整0密位時(shí),炮彈的運(yùn)動(dòng)速度變得較平穩(wěn),和曲線2及曲線3相比,炮彈的運(yùn)動(dòng)速度沒有明顯的不連續(xù)現(xiàn)象。

按同樣的方式完成撥彈輪3、撥彈輪2和撥彈輪1的偏離運(yùn)動(dòng)仿真,通過對(duì)偏離運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果進(jìn)行比較和綜合權(quán)衡,以炮彈運(yùn)動(dòng)速度最平穩(wěn)為優(yōu)化目標(biāo),最終確定4個(gè)撥彈輪優(yōu)化的初始定位角,優(yōu)化后炮彈的運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖5所示,和圖3相比,炮彈運(yùn)動(dòng)速度的波動(dòng)明顯降低。

2.4 測(cè)試結(jié)果

按照偏離運(yùn)動(dòng)仿真優(yōu)化分析的結(jié)果,重新定位各撥彈輪的初始定位角,并進(jìn)行了靶場實(shí)彈測(cè)試,試驗(yàn)表明,改進(jìn)的供彈機(jī)構(gòu)能順利供彈,而且供彈阻力較小,使用可靠性高,滿足設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。

3 結(jié) 論

利用偏離運(yùn)動(dòng)仿真,直觀地復(fù)現(xiàn)供彈機(jī)構(gòu)供彈不暢、卡滯的故障現(xiàn)象,確定撥彈輪定位不協(xié)調(diào)是故障的原因,根據(jù)卡滯會(huì)引起炮彈運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)較大的故障特征,以炮彈運(yùn)動(dòng)最平穩(wěn)為優(yōu)化目標(biāo),通過參數(shù)化驅(qū)動(dòng)偏離運(yùn)動(dòng)仿真,實(shí)現(xiàn)了供彈機(jī)構(gòu)定位角度的優(yōu)化。采用本文提出的偏離運(yùn)動(dòng)仿真方法,可以快速確定故障的原因,為此類供彈機(jī)構(gòu)的故障分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種有效的分析手段。

[1] 王立新,黃文良.基于虛擬樣機(jī)的無返回力矩鐘表機(jī)構(gòu)動(dòng)摩擦系數(shù)確定方法[J].兵工學(xué)報(bào),2006,27(3):406-409.W AN Li-xin,HUANGW en-liang.An innovativemethod of determ ining the kinetic friction coefficient based on the virtual p rototype of runaway escapement[J].A cta A rmamentarii,2006,27(3):406-409.(in Chinese)

[2] 倪進(jìn)峰,徐誠,王亞平.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的自動(dòng)武器數(shù)值仿真[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,29(1):430-432.NI Jin-feng,XU Cheng,W ANG Ya-ping.Numerical simulation o f automaticw eapons based on virtual p rototype technology[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology,2005,29(1):430-432.(in Chinese)

[3] 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.ZHENG Jian-rong.ADAMS accidence&improvement o f virtual p rotype technology[M].Beijing:China Machine Press,2002.(in Chinese)