某供彈系統(tǒng)高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損機(jī)理分析與預(yù)測模型

彭志凌， 張 毅， 丁明軍， 郭 華

(1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 2. 淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司， 山西 長治 046012)

0 引 言

高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在軍民領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用， 最典型的就是應(yīng)用于射速很高的供彈系統(tǒng)之中[1]. 供彈系統(tǒng)高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一種精密的復(fù)雜產(chǎn)品， 其運(yùn)動(dòng)精度的可靠性是制約供彈系統(tǒng)能否完成任務(wù)的關(guān)鍵. 在高射速發(fā)射時(shí)， 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副會(huì)由于磨損逐漸改變零部件的尺寸和形狀. 磨損是相互接觸并相對運(yùn)動(dòng)的兩摩擦表面由于接觸應(yīng)力過大而導(dǎo)致表層材料不斷損耗的現(xiàn)象[2-3]. 趙海鳴等[4]結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了基于磨粒磨損機(jī)理的滾刀磨損量預(yù)測模型. 中科院院士溫詩鑄[5]研究了載荷、 速度、 潤滑和磨料硬度等因素對磨損影響規(guī)律， 總結(jié)出了二體磨粒磨損的規(guī)律. 吳俊等[6]利用偏最小二乘法建立了掘進(jìn)參數(shù)與刀具磨損量關(guān)系的模型. 在磨損預(yù)測模型方面， 科羅拉多礦業(yè)大學(xué)建立了CSM模型[7]， 挪威科技大學(xué)建立了NTNU模型[8]. 趙河明等[9]進(jìn)行了基于 ADAMS 的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最大允許磨損量分析. 劉創(chuàng)等[10]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了磨損預(yù)測. 張國偉等[11]針對某型通風(fēng)隔離閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸鏈副進(jìn)行了磨損可靠性分析. 目前還未發(fā)現(xiàn)有文獻(xiàn)專門針對供彈機(jī)構(gòu)開展磨損研究. 為了確保供彈速度并提高供彈系統(tǒng)的可靠性， 供彈系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用無鏈傳輸方式. 例如當(dāng)某艦炮的射速從每分鐘850發(fā)提高到每分鐘6 000發(fā)， 由于其內(nèi)部各個(gè)部件相對運(yùn)動(dòng)速度較大， 使供彈機(jī)構(gòu)的磨損很明顯， 嚴(yán)重的將導(dǎo)致卡彈、 供彈速度降低和停射等故障. 因此， 在高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損機(jī)理分析基礎(chǔ)上構(gòu)建磨損預(yù)測模型具有一定的理論意義和工程價(jià)值.

1 磨損可靠度

磨損可靠度(PS)是指在規(guī)定的時(shí)間和使用條件下， 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損量在最大允許磨損范圍內(nèi)的概率[12-14]， 由最大允許磨損量和磨損速度決定.

不計(jì)潤滑時(shí)， 滑動(dòng)速度、 材料硬度和載荷等3個(gè)因素決定了材料的磨損速率. 累積的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損量超過允許的最大磨損量時(shí)， 判為失效. 令最大允許磨損量與累積磨損量的差值為磨損安全裕量MW， 則磨損可靠度可表示為

PS=P(MW>0),(1)

MW=Wmax-Wt,(2)

式中：Wt為累積磨損量；Wmax為最大允許磨損量.

2 某供彈系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有限元仿真

某供彈系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中大模數(shù)齒輪材料為30CrNi2MoVA， 彈性模量P=2.1×109， 泊松比σ=0.25～0.3.

大模數(shù)齒輪的各項(xiàng)參數(shù)見表 1 所示.

表 1 大模數(shù)齒輪的主要參數(shù)

在Pro/E中建立齒輪模型， 如圖 1 所示.

圖 1 齒輪模型Fig.1 Gear model

通過動(dòng)力學(xué)仿真可得齒輪受力與時(shí)間的歷程曲線， 如圖 2 所示. 由圖可知， 應(yīng)力集中發(fā)生在齒廓和齒根部， 受力均值為1 923.548 N.

圖 2 齒輪受力時(shí)間歷程曲線Fig.2 Force curve of gear with time

3 高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦磨損試驗(yàn)

為了獲得不同影響因素下的磨損量， 開展了高速運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦磨損試驗(yàn).

根據(jù)某供彈系統(tǒng)高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際情況， 本試驗(yàn)選用的磨損試件材料為45#鋼， 試驗(yàn)材料的熱處理工藝如表 2 所示. 對磨環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示.

表 2 試件的熱處理工藝

圖 3 對磨環(huán)Fig.3 The grinding ring

根據(jù)某供彈系統(tǒng)高速傳動(dòng)系統(tǒng)中磨損副的材料、 接觸力和滑動(dòng)速度， 確定試驗(yàn)因素及其水平數(shù)如下： 表面硬度： 241, 282, 314, 366 HV等4個(gè)水平數(shù)； 載荷： 100～430 N， 分12個(gè)水平數(shù)； 轉(zhuǎn)速： 50～380 r/min， 分12個(gè)水平數(shù)； 時(shí)間： 30 min. 試驗(yàn)方案見表 3.

表 3 摩擦磨損方案

試驗(yàn)后利用顯微鏡觀察各試件表面， 發(fā)現(xiàn)塑性變形較為嚴(yán)重， 且存在較多的磨屑， 符合粘著磨損特征， 如圖 4 所示(選取載荷130 N、 轉(zhuǎn)速230 r/min、 硬度282 HV為例).

圖 4 磨損試驗(yàn)后表面微觀圖(N=130 N, n=230 r/min, HV=282 HV)Fig.4 Surface micrograph after wear test (N=130 N, n=230 r/min, HV=282 HV)

同時(shí)， 還觀察到各試件表面有較多明顯的磨痕和溝槽， 符合磨粒磨損特征， 如圖 5 所示(選取載荷190 N、 轉(zhuǎn)速50 r/min、 硬度366 HV為例).

圖 5 磨損試驗(yàn)后表面微觀圖(N=190 N, n=50 r/min, HV=366 HV)Fig.5 Surface micrograph after wear test (N=190 N, n=50 r/min, HV=366 HV)

由此可知， 所研究的某供彈系統(tǒng)高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損是粘著磨損和磨粒磨損共同作用的結(jié)果.

4 高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損預(yù)測模型

鑒于磨損過程的隨機(jī)性且試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差較大， 采用均勻試驗(yàn)法， 并利用逐步回歸法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 選用偏最小二乘法建立磨損量預(yù)測模型[15-19].

在建立磨損量預(yù)測模型時(shí)， 分別用x1，x2，x3表示影響磨損量的3個(gè)主要因素： 材料表面硬度、 載荷、 滑動(dòng)速度.

根據(jù)均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)建立二次多項(xiàng)式模型

(3)

式中：a0,ai,aii,aij為回歸系數(shù)；ε為隨機(jī)誤差；i為影響因素個(gè)數(shù).

通過數(shù)據(jù)處理， 得到偏最小二乘法回歸的二次多項(xiàng)式模型為

其殘差平方和為4.527 8， 滿足精度要求. 利用式(4)獲得的磨損量預(yù)測值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較， 結(jié)果如表 4 所示.

表 4 試驗(yàn)與預(yù)測結(jié)果

根據(jù)表 4 可知， 在該試驗(yàn)范圍內(nèi)磨損量預(yù)測的結(jié)果誤差較小， 說明該磨損模型精度較好.

5 結(jié) 論

本文在分析磨損可靠度的基礎(chǔ)上， 對某供彈系統(tǒng)高速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真， 確定了應(yīng)力集中區(qū)域及其應(yīng)力平均值， 分析得出了薄弱部件. 采用均勻設(shè)計(jì)法確定試驗(yàn)方案， 開展不同條件下的試驗(yàn)， 確定了影響磨損預(yù)測模型的因素. 利用偏最小二乘法得出由材料表面硬度、 載荷、 滑動(dòng)速度三因素預(yù)測磨損量的數(shù)學(xué)模型. 經(jīng)與試驗(yàn)對比， 磨損量預(yù)測誤差小， 精確度較高. 本文所采用的方法對預(yù)測磨損可靠性和壽命具有一定的理論意義和工程價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王平. 無鏈供彈輸彈導(dǎo)引結(jié)構(gòu)與特性分析[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2009.

[2] 孫偉春. 磨粒磨損研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用， 2008(2)： 71-72.

Sun Weichun. The present situation and development trend of abrasive wear research[J]. Technical Innovation and Application, 2008(2)： 71-72. (in Chinese)

[3] 關(guān)長輝. 船用柴油機(jī)氣缸套摩擦磨損機(jī)理及減磨措施分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2017(13)： 69-70.

Guan Changhui. The mechanism of friction and wear of cylinder liner of marine diesel engine and the analysis of wear reduction measures[J]. Technology Innovation and Application, 2017(13)： 69-70. (in Chinese)

[4] 趙海鳴, 舒標(biāo), 夏毅敏, 等. 基于磨料磨損的TBM滾刀磨損預(yù)測研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 11(4): 152-158.

Zhao Haiming, Shu Biao, Xia Yimin, et al. Study of wear prediction for TBM cutter based on abrasive wear model[J]. Journal of Railway Science and Enginerring, 2014, 11(4): 152-158. (in Chinese)

[5] 詩鑄, 黃平. 摩擦學(xué)原理[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1990.

[6] 吳俊, 袁大軍. 大連極硬巖地層復(fù)合盾構(gòu)刀具磨損的分析與預(yù)測[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2015, 48(增1): 250-255.

Wu Jun, Yuan Dajun. Analysis and prediction on composite shield cutters wear in extremely hard rock in Dalian metro[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(S1): 250-255. (in Chinese)

[7] Rostami J. Development of a force estimation model for rock fragmentation with disc cutters through theoretical modeling and physical measurement of crushed zone pressure[D]. Golden: Colorado School of Mines, 1997.

[8] Zare S, Bruland A. Applications of NTNU/SINTEF drillability indices in hard rock tunneling[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2013, 46(1): 179-187.

[9] 趙河明， 張毅， 趙意鵬. 基于 ADAMS 的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最大允許磨損量分析[J]. 煤礦機(jī)械， 2015， 36(11)： 137-139.

Zhao Heming, Zhang Yi, Zhao Yipeng. Maximum allowed to wear for gear transmission mechanism based on ADAMS[J]. Coal Mine Machinery, 2015， 36(11)： 137-139. (in Chinese)

[10] 劉創(chuàng)， 劉宏昭. 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損預(yù)測[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2017, 36(6)： 869-876.

Liu Chuang, Liu Hongzhao. Wear prediction of circuit breaker transmission mechanism based on neural network[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(6)： 869-876.(in Chinese)

[11] 張國偉， 何雪浤， 謝里陽. 某型通風(fēng)隔離閥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸鏈副磨損可靠性分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2017, 34(8)： 55-60.

Zhang Guowei, He Xuehong, Xie Liyang. Wear reliability assessment calculation of hinge pairs in the ventilation isolation value transmission mechanism[J]. Journal of Machine Design, 2017, 34(8): 55-60. (in Chinese)

[12] 吳耀慶. 樹脂基復(fù)合摩擦材料摩擦磨損機(jī)理研究及有限元模擬[D]. 北京： 中國地質(zhì)大學(xué)， 2013.

[13] Xu H Y. Velocity ratio theory and design principles on solid-liquid pump[C]. International Conference of Pump and Systems, Beijing, 1992： 527.

[14] 王超. 基于磨損理論的滑動(dòng)導(dǎo)軌精度保持性預(yù)測模型研究[D]. 天津： 天津理工大學(xué), 2015.

[15] Lubas J. Assessment and application of Ti B2coating in sliding pair under lubricationconditions [J]. Wear, 2012, 296(1)： 504-509.

[16] Lubas J. Tribological properties of surface layer with boron in friction pairs[J]. Surface Review and Letters, 2009, 16(5)： 767-773.

[17] Wang X, Kwon P Y, Schrock D, et al. Friction coefficient and sliding wear of AlTiN coating under various lubrication conditions [J]. Wear, 2013, 304(1)： 67-76.

[18] Okonkwo P C, Kelly G, Rolfe B F. The effect of temperature on sliding wear of steel-tool steel pairs [J]. Wear, 2012, 282-283(8)： 22-30.

[19] Chassaing G, Faure L, Philippon S, et al. Adhesive wear of a Ti6Al4V tribopair for a fast friction contact [J]. Wear, 2014, 320(1/2): 25-33.