某火炮自動(dòng)供彈機(jī)定位精度影響因素分析

趙搶搶，侯保林

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

某火炮自動(dòng)供彈機(jī)是典型的鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作時(shí)由2 個(gè)電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)鏈輪，帶動(dòng)貯彈筒運(yùn)動(dòng)，將選定的彈丸輸送到指定位置。被選定彈丸?？课恢玫木_度將直接影響自動(dòng)供彈機(jī)運(yùn)行的連續(xù)性與可靠性，為此需要對(duì)影響彈丸定位精度的重要因素進(jìn)行分析。由于在實(shí)際情況下影響自動(dòng)供彈機(jī)定位精度的因素非常多，每種情況都做分析并不現(xiàn)實(shí)，因此本文分析了3 種在實(shí)際使用過程中經(jīng)常遇到的影響因素:彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的變化、滾輪磨損脫落以及基礎(chǔ)擾動(dòng)的影響，由此獲得了各參數(shù)對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)定位精度的具體影響情況。

1 仿真模型的建立

1.1 自動(dòng)供彈機(jī)虛擬樣機(jī)的建立與簡(jiǎn)化

自動(dòng)供彈機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，為減少建模和求解過程中的人為錯(cuò)誤，提高計(jì)算效率，需要在建立供彈機(jī)虛擬樣機(jī)時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。由于在ADAMS 中模型外形并不影響計(jì)算結(jié)果，而三維模型的計(jì)算卻比二維模型要復(fù)雜得多，因此本文在ADAMS 中建立的供彈機(jī)模型為二維模型，各零件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通過user input 的方式定義。根據(jù)供彈機(jī)各零部件間的拓?fù)潢P(guān)系，在ADAMS 中建立了主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、供彈機(jī)支架、25 個(gè)彈筒、相應(yīng)數(shù)量的滾輪以及減速箱。減速箱也進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，包括小齒輪、大齒輪及蝸輪蝸桿4個(gè)剛體。虛擬樣機(jī)模型如圖1 所示。

圖1 ADAMS 中建立的虛擬樣機(jī)模型

各部件拓?fù)潢P(guān)系如下:供彈機(jī)支架與慣性系固定;主動(dòng)輪、從動(dòng)輪與供彈機(jī)支架鉸接，有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度;小齒輪、大齒輪、蝸輪蝸桿都與供彈機(jī)支架鉸接，各有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。小齒輪與大齒輪、大齒輪與蝸桿、蝸桿與蝸輪間通過齒輪副連接，同時(shí)蝸輪與主動(dòng)輪固聯(lián);每2 個(gè)相鄰彈筒間鉸接，有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度;每個(gè)彈丸與相應(yīng)的彈筒固聯(lián);每個(gè)滾輪與相應(yīng)的彈筒鉸接，有1 個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，同時(shí)滾輪與供彈機(jī)支架、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪實(shí)體接觸。驅(qū)動(dòng)力矩加載在小齒輪上，其大小由simulink 中的控制系統(tǒng)輸入。

1.2 控制系統(tǒng)的建立

當(dāng)把所有構(gòu)件都看做剛體時(shí)，彈倉表現(xiàn)為一單自由度剛體系統(tǒng)。取主動(dòng)輪為等效構(gòu)件，可用單自由度系統(tǒng)的等效方法來建立彈倉的運(yùn)動(dòng)方程

其中，Me為等效力矩

式中:Fk(k=1，2，…，25)為作用在彈筒上的外力;vk為外力Fk作用點(diǎn)的速度;αk為Fk作用方向和vk方向之間的夾角;Td為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩;i1、i2和i3分別為總傳動(dòng)比、小齒輪和大齒輪到蝸輪的傳動(dòng)比以及蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比;η1、η2和η3分別為對(duì)應(yīng)各傳動(dòng)比的機(jī)械傳動(dòng)效率;ω=dθ/dt 為等效構(gòu)件(主動(dòng)輪)的角速度。

等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

式中:ωj為第j 個(gè)彈筒的角速度;vsj為第j 個(gè)彈筒質(zhì)心的速度;I01、I23、I45及Ic分別為電機(jī)和小齒輪、大齒輪、蝸桿以及蝸輪和主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與主動(dòng)輪相同。

其中，等效力矩Me由電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩等效于主動(dòng)輪上的力矩、重力作用于彈筒上形成的等效力矩、作用于各構(gòu)件上的摩擦力形成的等效力矩等各項(xiàng)構(gòu)成。

在實(shí)際控制中，采取在電機(jī)一啟動(dòng)就開始進(jìn)行反饋控制的方法是比較難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的。根據(jù)本文的實(shí)際情況，采取如下控制策略:當(dāng)待發(fā)射彈丸快要到位時(shí)，才開始實(shí)施反饋控制，而對(duì)彈筒在前面時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，僅讓電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)自由運(yùn)行，盡量使得在各種情況下的位置控制起點(diǎn)和彈筒運(yùn)動(dòng)速度相同或相近。本文控制目標(biāo)為主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)180°，即彈筒旋轉(zhuǎn)2 個(gè)彈距，每個(gè)彈距185 mm。在接近目標(biāo)值前45°時(shí)實(shí)施反饋控制。由此，得出系統(tǒng)的控制框圖如圖2 所示。

圖2中，方框表示自動(dòng)供彈機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)(動(dòng)力學(xué)模型見圖1)，電機(jī)用狀態(tài)矩陣的形式表示，電機(jī)的基本參數(shù)為:R=0.3，La=0.02，k?=0.035，KT=0.035。

在傳動(dòng)元件中，用效率標(biāo)識(shí)齒輪傳動(dòng)間的摩擦影響，取滾輪與軌道間的摩擦系數(shù)為0.1。取第1 級(jí)、第2 級(jí)的傳動(dòng)效率η1、η2均為0.95，蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率為0.5。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2 計(jì)算分析結(jié)果

2.1 彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目不確定的影響

彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的變化是造成自動(dòng)供彈機(jī)控制復(fù)雜的1個(gè)重要因素。實(shí)際中，彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的變化情況復(fù)雜，不可能一一進(jìn)行分析，為此本文選擇了4 種極端情況:①彈筒全部滿載;②彈筒全部空載;③上軌道有12 發(fā)彈筒不帶彈丸;④下軌道有12 發(fā)彈筒不帶彈丸。通過比較這4 種極端情況下系統(tǒng)定位精度的差別，以了解系統(tǒng)的變化特性。為方便比較，選擇只做平動(dòng)的4 號(hào)彈筒為參考。圖3 ～圖6 給出了4 種情況的若干計(jì)算結(jié)果。

圖3 滿載4 號(hào)彈筒位移

圖4 空載4 號(hào)彈筒位移

圖5 軌道滿載4 號(hào)彈筒位移

圖6 下軌道滿載4 號(hào)彈筒位移

根據(jù)圖3 ～圖6，可得出對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 不同負(fù)載下計(jì)算結(jié)果對(duì)比

比較上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目不同，將導(dǎo)致系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)所受阻力矩也不同。其直接結(jié)果就是使得系統(tǒng)定位精度不穩(wěn)定。由此可以確定，彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的不同，會(huì)直接影響自動(dòng)供彈機(jī)的定位精度，且影響較大。

2.2 滾輪磨損掉落的影響

實(shí)際情況中，滾輪所用材料為尼龍。根據(jù)使用情況來看，在使用一段時(shí)間后，滾輪可能會(huì)開裂而脫落，從而導(dǎo)致滾輪軸直接與主從動(dòng)輪及導(dǎo)軌接觸?？紤]到主動(dòng)輪與滾輪接觸時(shí)沖擊振動(dòng)比較大，為模擬真實(shí)的情況，假設(shè)模型中與主動(dòng)輪接觸的滾輪掉落2 個(gè)，在此選擇1 號(hào)彈筒和24 號(hào)彈筒滾輪脫落，整個(gè)模型滿載。

修改模型后的計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 滾輪脫落后4 號(hào)彈筒位移

滾輪脫落后，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角位3.142 rad，彈筒位移為369.308 7 mm，其定位誤差為0.691 3 mm。可見滾輪脫落對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)定位精度的影響并不大。但仔細(xì)比較滿載情況下滾輪沒有脫落的位移曲線和滾輪脫落后的位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，滾輪脫落后的位移曲線并不如未脫落前的位移曲線光滑。這是因?yàn)闈L輪脫落后，主動(dòng)輪直接與滾輪軸接觸，配合存在間隙，使得其接觸時(shí)沖擊振動(dòng)比較大，自動(dòng)供彈機(jī)雖能比較準(zhǔn)確定位，但其運(yùn)動(dòng)過程卻不夠平穩(wěn)。

2.3 基礎(chǔ)擾動(dòng)的影響

在某火炮的實(shí)際使用過程中，裝填的過程并不一定處于停車狀態(tài)，很多時(shí)候需要在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行裝填，或者在發(fā)射后裝填，因此自動(dòng)供彈機(jī)在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)受車身振動(dòng)的影響。根據(jù)以往所做實(shí)驗(yàn)獲得的車身振動(dòng)曲線，給系統(tǒng)在y 方向添加1 個(gè)強(qiáng)迫位移來模擬現(xiàn)實(shí)中的擾動(dòng)情況，其大小如圖8所示。

圖8 添加于系統(tǒng)的基礎(chǔ)擾動(dòng)

在滿載情況下，計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。

圖9 存在基礎(chǔ)擾動(dòng)的4 號(hào)彈筒位移

在存在基礎(chǔ)擾動(dòng)的情況下，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)角為3.143 9 rad，彈筒位移為369.518 9 mm。因此，在基礎(chǔ)擾動(dòng)并不太大的情況下，擾動(dòng)對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)定位精度的影響并不明顯。但觀察4 號(hào)彈筒在y 方向的位移(圖10)可發(fā)現(xiàn)，4 號(hào)彈筒在y 方向的位移曲線明顯不如添加的基礎(chǔ)擾動(dòng)曲線光滑，說明在添加基礎(chǔ)擾動(dòng)之后，彈筒在y 方向會(huì)發(fā)生跳動(dòng)，明顯影響自動(dòng)供彈機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖10 4 號(hào)彈筒在y 方向的位移

3 結(jié)束語

分析比較3 種不同情況下自動(dòng)供彈機(jī)的定位誤差可知:彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目的變化是影響供彈機(jī)定位誤差的主要因素，彈筒內(nèi)彈丸數(shù)目不同，供彈機(jī)定位精度差別明顯;在實(shí)際使用中，若能及時(shí)檢查更換脫落的滾輪，保證滾輪脫落數(shù)不多，并不會(huì)對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)的定位精度有很大影響，但滾輪脫落會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)供彈機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生沖擊振動(dòng);實(shí)際使用過程中，系統(tǒng)的基礎(chǔ)擾動(dòng)不會(huì)對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)的定位精度產(chǎn)生明顯影響，但會(huì)導(dǎo)致供彈機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。

［1］侯保林，樵軍謀，劉琮敏.火炮自動(dòng)裝填［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2010:217-218.

［2］石明全.某火炮自動(dòng)供彈機(jī)橫向振動(dòng)特性研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2002，12(3):42-46.

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