某自動補(bǔ)彈系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計*

侯 健，楊 臻，原永亮

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

某自動補(bǔ)彈系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計*

侯 健1，楊 臻2，原永亮2

（1.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

根據(jù)自動補(bǔ)彈系統(tǒng)中翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能和設(shè)計要求，設(shè)計了一種新型的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使用ADAMS軟件對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到相應(yīng)的曲線和較為理想的結(jié)果參數(shù)。結(jié)果表明通過對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，為自動補(bǔ)彈系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計起到指導(dǎo)作用，該方法對自動補(bǔ)彈系統(tǒng)中其他機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析也具有一定參考價值。

補(bǔ)彈系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計，ADAMS

0 引言

海域戰(zhàn)場是一個由多種設(shè)備和其他因素綜合影響形成的環(huán)境復(fù)雜的戰(zhàn)場。為了確保我國的海域安全，艦炮則是海軍在海上與敵方進(jìn)行作戰(zhàn)必不可少的主戰(zhàn)武器之一，尤其是艦炮的自動補(bǔ)彈系統(tǒng)的性能優(yōu)劣將直接影響到戰(zhàn)爭的勝負(fù)。通過對自動補(bǔ)彈系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而將其性能發(fā)揮至最佳，最終使我國艦炮在海域戰(zhàn)爭中取得勝利。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以及各種三維CAD建模軟件和CAE軟件功能的完善，給武器的研制帶來了極大的方便。本文以某自動補(bǔ)彈系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為例，通過研究翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理以及結(jié)構(gòu)特點，用現(xiàn)代的參數(shù)化設(shè)計方法對其進(jìn)行了系統(tǒng)的創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計，從而使翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)性能［1］達(dá)到最佳。

利用Solid Works三維軟件建模和ADAMS機(jī)械動力學(xué)仿真軟件對自動補(bǔ)彈系統(tǒng)中翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，得到其對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作可靠性的影響情況，并運(yùn)用ADAMS參數(shù)化設(shè)計理念對翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最終優(yōu)化，得到最優(yōu)技術(shù)參數(shù)值組合，為指導(dǎo)武器的改進(jìn)工作提供技術(shù)支持［2］。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理

某自動補(bǔ)彈系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理圖

其主要由翻轉(zhuǎn)架、翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌和撥彈鏈組成。圖1中：齒輪5和齒輪6嚙合，實現(xiàn)動力的傳遞；8為彈箱出彈口，彈從彈箱中以與水平方向成30°的姿態(tài)出來，在入口撥彈鏈7的帶動下，將彈撥入翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；彈在翻轉(zhuǎn)架2、限位板3和翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌4的作用下，將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)60°，使彈在其出口呈水平狀態(tài)；彈經(jīng)過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在出口撥彈鏈1的作用下，將彈撥入軟導(dǎo)機(jī)構(gòu)中，最終實現(xiàn)將彈傳輸至預(yù)定發(fā)射系統(tǒng)的位置。

考慮到彈箱的儲彈量、彈箱的空間結(jié)構(gòu)以及在大批量補(bǔ)彈等實際情況，本設(shè)計使彈與水平方向成30°方向從彈箱中出來并進(jìn)入自動補(bǔ)彈系統(tǒng)。為了使彈能夠順利進(jìn)入到水平的發(fā)射系統(tǒng)，因此，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為補(bǔ)彈系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，是連接彈從彈箱出來并送至到自動補(bǔ)彈系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)重要組成部分，有著舉足輕重的作用。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型的建立

2.1 建立實體模型和參數(shù)化

考慮到翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型的復(fù)雜性，為了保證在模型的正確和建模的精度，本文使用Solid Works三維軟件建模，并保存成Para solid（x_t）格式導(dǎo)入ADAMS2010中，完成實體模型的建立。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中撥彈鏈與彈的接觸面、彈與限位板的接觸面以及翻轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速則是該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵點，利用ADAMS中參數(shù)化的工具，將上述的關(guān)鍵點參數(shù)化。

2.1 模型的簡化和基本假設(shè)

彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的受力和運(yùn)動是非常復(fù)雜的，通過對模型的合理簡化和正確的假設(shè)，這樣不僅能將復(fù)雜的問題簡單化，而且更能抓住翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的本質(zhì)，深入淺出的揭示這其中的規(guī)律［3］，因此，對該機(jī)構(gòu)作出以下的假設(shè)：

（1）按照實際的翻轉(zhuǎn)情況進(jìn)行建模仿真，不考慮尺寸公差以及各種誤差；

（2）除了彈的外殼能有微小的變形外（變形量△≤1 mm），其余的各零部件均作為剛體處理。

2.3 約束和驅(qū)動的添加

首先根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在實際工況添加材料的材質(zhì)和約束，撥彈鏈繞著鏈輪旋轉(zhuǎn)，撥彈鏈與鏈輪添加接觸，彈與撥彈、翻轉(zhuǎn)架、限位板以及翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌依次添加接觸約束；以兩個相嚙合的齒輪作為動力源，然后按照實際情況對變量的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后完成動力學(xué)仿真模型。如圖2所示。

圖2 ADAMS中翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型

3 確定參數(shù)化變量和優(yōu)化目標(biāo)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件均是剛性體，并且由運(yùn)動副相連，彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中并不是平穩(wěn)的和翻轉(zhuǎn)架一起旋轉(zhuǎn)，而是以微小的角度左右晃動著前進(jìn)。為了使彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動的更加平穩(wěn)，因此，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 確定設(shè)計變量

在對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)化時，首先必須確定模型參數(shù)化的方式以及變量。在ADAMS/2010中共提供了4種方式，本文選用設(shè)計變量［4］的方法對要分析的變量進(jìn)行參數(shù)化［2］。根據(jù)自動補(bǔ)彈系統(tǒng)的補(bǔ)彈要求，將上述參數(shù)做一系列等效處理和換算。設(shè)該艦炮的補(bǔ)彈要求為200發(fā)/分，翻轉(zhuǎn)架一周撥8個彈，換算之后翻轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速為25 rad/min，同時為了便于分析，將轉(zhuǎn)速作為翻轉(zhuǎn)架驅(qū)動。

對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分析可知，影響彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中平穩(wěn)性的主要因素由翻轉(zhuǎn)架的旋轉(zhuǎn)速度和接觸力剛度系數(shù)K等組成。設(shè)計變量參數(shù)設(shè)置如表1所示。

本文數(shù)據(jù)的單位制為：kg，N，mm，s［2］。

表1 設(shè)計變量設(shè)置表

3.2 優(yōu)化目標(biāo)的確定

彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，彈與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的接觸力以及彈沿著自動補(bǔ)彈系統(tǒng)的導(dǎo)軌前進(jìn)的位移是評價彈的平穩(wěn)性的主要指標(biāo)。

本文采用ADAMS中Impact函數(shù)的接觸力來計算，由于已經(jīng)有了對模型的假設(shè)，所以可以忽略不考慮彈性波動和運(yùn)動副之間的間隙。接觸力的定義為：

其中：x為兩個要接觸物體的實際距離，單位是mm；dx/dt為兩個物體的變化率，單位是mm/s；x1為兩個物體要接觸的初始距離，單位是mm；k為剛度系數(shù)，單位是N/mm；e為剛性力指數(shù)，無量綱；C為阻尼系數(shù)，單位是N·S/mm；d為阻尼率達(dá)到最大所要經(jīng)過的距離，單位為mm［5］。當(dāng)x＞x1，兩個剛體不發(fā)生接觸；當(dāng)x＜x1，兩個剛體發(fā)生接觸，接觸力為：

綜合上述分析，選擇彈與翻轉(zhuǎn)架的接觸力為優(yōu)化目標(biāo)。

4 仿真結(jié)果與分析

在參數(shù)化設(shè)計時，需要考慮一個設(shè)計參數(shù)變化對模型的影響、多個設(shè)計參數(shù)變化對模型的影響以及目標(biāo)對象得到最優(yōu)值時的參數(shù)組合對模型的影響。

轉(zhuǎn)速對彈與翻轉(zhuǎn)架接觸力的影響如圖3和表2所示。

圖3 轉(zhuǎn)速對彈與翻轉(zhuǎn)架接觸力的影響圖

表2 轉(zhuǎn)速對彈與翻轉(zhuǎn)架接觸力的影響表

由圖3和表2可以看出，在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，由于彈在翻轉(zhuǎn)過程中存在著摩擦以及翻轉(zhuǎn)前撥彈口處存在有間隙，隨著翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速的逐漸增加，彈與翻轉(zhuǎn)架的最大接觸力隨著增加，最小接觸力隨著減小。即隨著轉(zhuǎn)速的增加，彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中“左右擺動”的狀態(tài)越明顯，造成彈與翻轉(zhuǎn)架時而接觸時而分離的狀態(tài)前進(jìn)。由此可知，從減小接觸力方面看，翻轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速越低對傳輸彈的平穩(wěn)性越好。

轉(zhuǎn)速對彈徑向力的影響如圖4和表3所示。

圖4 轉(zhuǎn)速對彈徑向力的影響圖

表3 轉(zhuǎn)速對彈徑向力的影響表

由圖4和表3可以看出，在其他條件不變的情況下，在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中受到限位板對彈的最大徑向力隨著翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速的增大而增大，最小徑向力隨著轉(zhuǎn)速的減小而減小。即彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中隨著轉(zhuǎn)速的增大，“左右擺動”的狀態(tài)較明顯，彈與限位板的接觸也是時而間斷的。由此可見，合理控制轉(zhuǎn)速則是保證彈傳輸平穩(wěn)的一個重要因素。

轉(zhuǎn)速對彈前進(jìn)位移的影響如圖5和表4所示。

圖5 轉(zhuǎn)速對彈前進(jìn)位移的影響圖

表4 轉(zhuǎn)速對彈前進(jìn)位移的影響表

由圖5和表4可以看出，彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，隨著轉(zhuǎn)速的增加，彈沿著目標(biāo)方向上前進(jìn)的位移越大。即從自動補(bǔ)彈系統(tǒng)彈的傳輸效率上看，轉(zhuǎn)速的增大對效率有利的，但是對彈傳輸?shù)钠椒€(wěn)性則是一個不利的因素，因此，在確定翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)時，需要綜合考慮，最終得到最優(yōu)的參數(shù)組合。

5 結(jié)論

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作為自動補(bǔ)彈系統(tǒng)中的中間環(huán)節(jié)，利用ADAMS軟件中的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計功能，通過對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的仿真分析，不僅避免了復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的建立和推導(dǎo)計算，還準(zhǔn)確得到了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律以及最佳參數(shù)組合。綜合仿真結(jié)果可知，在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能滿足自動補(bǔ)彈系統(tǒng)補(bǔ)彈要求的情況下，翻轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速越低則越有利彈傳輸?shù)钠椒€(wěn)。利用ADAMS的優(yōu)化功能，不僅可以改善機(jī)構(gòu)的性能，而且還大大縮短了研究周期，對優(yōu)化改進(jìn)其他機(jī)構(gòu)研究具有普遍的意義。

［1］徐立峰，張雷.基于ADAMS的模切機(jī)雙肘桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究［J］.包裝工程，2013，30（1）：75-78.

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Optimization Design for Turnover Mechanism of Shells Providing System

HOU Jian1，YANG Zhen2，YUAN Yong-liang2
（1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；
2.School of Mechanical and Electronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

According to the requirement of the function and design of turnover mechanism，a new type of reversing mechanism and optimal design of reversing mechanism is designed by using ADAMS software，obtaining the corresponding curve and the more ideal result parameter.Through optimized design of reversing mechanism，for makes up the ball system turn over organization the improvement to design the instruction function automatically，the method for optimization analysis of other institutions also has a certain reference value.

feed system，turnover mechanism，optimization design，ADAMS

TJ302

A

1002-0640（2015）04-0158-03

2014-01-15

2014-03-07

國防重點基金資助項目（112010304）

侯 ?。?964- ），男，湖北浠水人，副教授。研究方向：艦炮工程設(shè)計研究。