基于RecurDyn的慣性輸彈機(jī)構(gòu)故障分析

顧宇濤，姚 忠，俞育新，趙 斌，汪永忠

（1.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099；2.海軍舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，浙江舟山 316000）

基于RecurDyn的慣性輸彈機(jī)構(gòu)故障分析

顧宇濤1，姚 忠1，俞育新2，趙 斌1，汪永忠1

（1.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099；2.海軍舟山地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，浙江舟山 316000）

針對(duì)某轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)慣性輸彈機(jī)構(gòu)加速杠桿斷裂故障，建立了慣性輸彈機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，以試驗(yàn)測(cè)得的滑板和撞塊位移數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)輸彈機(jī)構(gòu)，在RecurDyn環(huán)境中對(duì)輸彈過(guò)程進(jìn)行仿真，得到了加速杠桿的應(yīng)力云圖。通過(guò)分析應(yīng)力變化找出了加速杠桿的斷裂原因，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了加速杠桿，通過(guò)增大加速杠桿過(guò)渡圓弧半徑，有效降低了加速杠桿在輸彈過(guò)程中的最大應(yīng)力。試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的加速杠桿滿足使用要求。

慣性輸彈；加速杠桿；RecurDyn

某轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)的輸彈方式為杠桿加速的慣性輸彈，試驗(yàn)過(guò)程中，該輸彈機(jī)構(gòu)在第242次輸彈時(shí)，加速杠桿斷裂?；诖?，在RecurDyn中建立了慣性輸彈機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，通過(guò)分析加速杠桿在輸彈過(guò)程中的應(yīng)力變化，找出了斷裂原因，并進(jìn)行了加速杠桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 慣性輸彈機(jī)構(gòu)工作原理

某轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)慣性輸彈機(jī)構(gòu)如圖1所示，由輸彈支架、撞塊、加速杠桿、滑板和輸彈塊組成。撞塊固定在炮尾上，炮尾沿炮箱導(dǎo)軌后坐、復(fù)進(jìn)；滑板沿著炮尾上的T型導(dǎo)軌后坐、復(fù)進(jìn)；加速杠桿通過(guò)銷(xiāo)軸與滑板連接，加速杠桿上端插入輸彈塊的卡槽內(nèi)，下端在撞塊的卡槽內(nèi)，輸彈塊沿輸彈支架做平移運(yùn)動(dòng)。后坐時(shí)，滑板帶動(dòng)加速杠桿和輸彈塊向后運(yùn)動(dòng)，撞塊跟隨炮尾向后運(yùn)動(dòng)，當(dāng)輸彈塊后坐到某一位置時(shí)，撥彈輪把炮彈撥到輸彈線a上；復(fù)進(jìn)時(shí)，滑板帶動(dòng)加速杠桿和輸彈塊向前運(yùn)動(dòng)，輸彈塊撞擊炮彈使炮彈向前運(yùn)動(dòng)，撞塊在炮尾的帶動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度小于滑板的運(yùn)動(dòng)速度，在某一位置，加速杠桿下端與撞塊碰撞，加速杠桿繞銷(xiāo)軸加速旋轉(zhuǎn)，輸彈塊迅速推動(dòng)炮彈使其具有滿足卡膛要求的向前運(yùn)動(dòng)速度，完成慣性輸彈。

2 慣性輸彈機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

把圖1所示某轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)慣性輸彈機(jī)構(gòu)的三維模型輸入到RecurDyn中，將加速杠桿進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，使之成為柔性體，并添加相應(yīng)的接觸約束，建立慣性輸彈機(jī)構(gòu)的剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)分析模型［1-2］。

2.1 接觸／碰撞約束

慣性輸彈過(guò)程是撞塊、加速杠桿、輸彈塊和炮彈的兩兩互相接觸／碰撞過(guò)程。在RecurDyn中，接觸力的計(jì)算是基于改進(jìn)的Hertz接觸理論，計(jì)算接觸產(chǎn)生的法向接觸力公式［3］為

式中：k為接觸剛度系數(shù)；c為阻尼系數(shù)；δ為接觸穿透深度；.δ為接觸點(diǎn)的相對(duì)速度；m1為剛度指數(shù)；m2為阻尼指數(shù)；m3為凹痕指數(shù)。

根據(jù)Hertz接觸理論和慣性輸彈機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，仿真分析時(shí)參數(shù)設(shè)定如表1所示［4-5］。

2.2 載荷處理

射擊試驗(yàn)中測(cè)試得到的滑板和撞塊（與炮尾一體）的絕對(duì)位移-時(shí)間曲線如圖2所示，以此兩曲線數(shù)據(jù)分別作為驅(qū)動(dòng)滑板和撞塊運(yùn)動(dòng)的仿真輸入。

在進(jìn)行輸彈機(jī)構(gòu)分析時(shí)，不需要考慮炮彈到輸彈線之前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，炮彈到輸彈線a的運(yùn)動(dòng)采用角位移驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)的具體表達(dá)式為：

其意義為：撥彈輪在0.04s后撥動(dòng)炮彈向輸彈線運(yùn)動(dòng)，到0.06s時(shí)，撥彈輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°，炮彈運(yùn)動(dòng)到輸彈線上，等待輸彈。

3 慣性輸彈仿真分析

3.1 對(duì)斷裂加速杠桿的仿真分析

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置對(duì)斷裂的加速杠桿進(jìn)行慣性輸彈過(guò)程仿真，慣性輸彈機(jī)構(gòu)輸彈過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性如圖3所示。

由圖3可以看出：輸彈塊在輸彈起始位置接觸炮彈以后，撞擊炮彈使炮彈獲得向前運(yùn)動(dòng)的速度，炮彈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受撥彈輪邊緣和輸彈槽約束，并與撥彈輪邊緣和輸彈槽發(fā)生碰撞，炮彈的運(yùn)動(dòng)速度降低，輸彈塊在滑板和加速杠桿的作用下追上炮彈，對(duì)炮彈進(jìn)行第二次撞擊加速，如此反復(fù)，直到慣性輸彈中的強(qiáng)制階段結(jié)束。斷裂的加速杠桿應(yīng)力云圖如圖4所示。

從圖4可以看出，加速杠桿承受應(yīng)力較大的部位如圖中的A、B、C、D4個(gè)區(qū)域，在此4個(gè)區(qū)域上選取最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)分別是node 50221、node 50219、node 50381、node 50390，按照mises強(qiáng)度理論［6］，這4個(gè)節(jié)點(diǎn)在輸彈過(guò)程中的應(yīng)力變化如圖5所示。

圖3、圖4和圖5共同分析可知：在0.03s時(shí)加速杠桿帶動(dòng)輸彈塊開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；輸彈塊在0.048s時(shí)與撞塊左側(cè)碰撞；在0.055s時(shí)到達(dá)其后坐極限位置，然后開(kāi)始復(fù)進(jìn)；在0.074s時(shí)與炮彈接觸，開(kāi)始輸彈；在0.076s時(shí)與撞塊右側(cè)碰撞并加速輸彈；在0.084s時(shí)輸彈塊和加速杠桿出現(xiàn)短暫相對(duì)靜止；在0.09s后加速杠桿在輸彈塊和撞塊共同作用下做振蕩運(yùn)動(dòng)，A、B、C、D4個(gè)區(qū)域分別承受交變作用力。

加速杠桿帶動(dòng)輸彈塊單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速杠桿的應(yīng)力約為160MPa；在輸彈時(shí)加速杠桿應(yīng)力很大，長(zhǎng)時(shí)間不小于600MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在加速杠桿與撞塊碰撞時(shí)刻，最大應(yīng)力達(dá)到了1 396MPa，大于加速杠桿材料PCrNi3MoVA的σ0.1值1 310MPa（870℃淬火，500℃回火）［7］；輸彈結(jié)束后，加速杠桿在輸彈塊和撞塊作用下振蕩，應(yīng)力峰值約為350 MPa。加速杠桿輸彈時(shí)最大應(yīng)力超出了材料的屈服強(qiáng)度，這是其在第242次輸彈時(shí)斷裂的根本原因。

3.2 改進(jìn)后的加速杠桿仿真分析

加速杠桿斷裂后，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)設(shè)計(jì)的依據(jù)是對(duì)斷裂加速杠桿的分析結(jié)果和輸彈機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改進(jìn)措施是將A、B、C、D處的過(guò)渡圓弧半徑由15mm增大至25mm，其他不變（受已有結(jié)構(gòu)限制，加速杠桿的厚度和寬度不能增加），質(zhì)量增加2.6g。

采用相同的參數(shù)設(shè)置對(duì)改進(jìn)后的加速杠桿進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

由圖6可以看出輸彈機(jī)構(gòu)的輸彈過(guò)程運(yùn)動(dòng)特性與加速杠桿改進(jìn)前相似。圖7顯示的是改進(jìn)后的加速杠桿與撞塊碰撞時(shí)刻的應(yīng)力云圖，在圖中所示的E、F、G、H4個(gè)區(qū)域選取最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)node 50270、node 50542、node 50212、node 50317，按照mises強(qiáng)度理論［6］，這4個(gè)節(jié)點(diǎn)在輸彈過(guò)程中的應(yīng)力變化如圖8所示。

圖6、圖7和圖8共同分析可知：輸彈運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及加速杠桿上4個(gè)區(qū)域應(yīng)力變化趨勢(shì)和改進(jìn)前相似，不同之處在于：改進(jìn)后的加速杠桿帶動(dòng)輸彈塊單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速杠桿的應(yīng)力約為160MPa；在輸彈時(shí)加速杠桿應(yīng)力峰值約為400～500MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在加速杠桿與撞塊碰撞時(shí)刻，最大應(yīng)力為1 022MPa，小于加速杠桿材料PCrNi3MoVA的σ0.1值1 310MPa（870℃淬火，500℃回火）［7］；輸彈結(jié)束后，加速杠桿在輸彈塊和撞塊作用下振蕩，應(yīng)力峰值約為300MPa。

4 結(jié) 論

改進(jìn)后的加速杠桿目前共完成輸彈583次，保持完好。輸彈塊和加速杠桿在0.09s后的振蕩通過(guò)高速攝像得到了驗(yàn)證。通過(guò)增大加速杠桿的過(guò)渡圓弧，有效的降低了最大應(yīng)力，提高了強(qiáng)度，增加了壽命，而質(zhì)量?jī)H增加了2.6g，占加速杠桿總質(zhì)量的2%，可以忽略不計(jì)。

此外，該分析方法基于試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，分析結(jié)果比較可靠。采用此方法可以降低理論分析的難度，易于掌握，應(yīng)用于零件強(qiáng)度的驗(yàn)證分析和零件的改進(jìn)設(shè)計(jì)有一定的優(yōu)勢(shì)。

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Faults Analysis of the Inertia Ramming Mechanism Based on RecurDyn

GU Yutao1，YAO Zhong1，YU Yuxin2，ZHAO Bin1，WANG Yongzhong1

（1.Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China；2.Navy Equipment Repair Monitor Department of Zhoushan District，Zhoushan 316000，Zhejiang，China）

In view of the breakage fault of accelerating lever in revolving chamber automatic mechanism inertia ramming mechanism，a rigid-flexible coupled dynamics model of inertia ramming mechanism was established.By use of the displacement data obtained from sliding board and impact block to drive the inertia ramming mechanism，the ramming process was simulated with the help of RecurDyn to obtain stresses nephogram of the accelerating lever.The breakage reason of accelerating lever was found out by means of analyzing changes of stress.Based on this，the design of the accelerating lever was improved，and the maximum stress of accelerating lever was effectively decreased during the ramming process by enlarging the round radius.The results of projectile ramming test showed that the improved accelerating lever can meet the operational requirements.

inertia ramming mechanism；accelerating lever；RecurDyn

TJ301

A

1673-6524（2014）02-0065-05

2014-01-02；

2014-03-25

顧宇濤（1980-），男，工程師，主要從事火炮設(shè)計(jì)技術(shù)研究。E-mail：neu992200＠sina.com