某裝填裝置推進(jìn)故障研究

馬靜 宋城虎 陳沖

摘? 要：相比傳統(tǒng)裝填裝置，應(yīng)用于某些新概念系統(tǒng)的裝填裝置需滿足兼容高裝填速度和大推力技術(shù)要求，在發(fā)射載體的自動(dòng)裝填過程中，裝填裝置將發(fā)射載體送至身管口動(dòng)作完成后，出現(xiàn)推力不夠，無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將發(fā)射載體推至規(guī)定位置的現(xiàn)象。通過理論分析、試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，找出了導(dǎo)致推力不滿足要求的各種因素，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)裝填;裝填速度;大推力

中圖分類號(hào)：TJ303? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0136-03

Abstract： Compared with traditional loading devices， those loading devices applied to new concept system shall meet technical requirements of high loading speed and big thrust. In the process of automatic loading， after loading device took launch carrier to tube tail， the thrust was inadequate， the launch carrier could not get to specified position. Through the combination of theoretical analysis and experimental testing method， the factors that led to deficiency of thrust were found out， and the corresponding improvement measures were put forward.

Keywords： automatic loading; loading speed; big thrust

1 概述

裝填裝置的主要功能是存儲(chǔ)一定數(shù)量發(fā)射載體，根據(jù)系統(tǒng)時(shí)序要求，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)將發(fā)射載體快速、平穩(wěn)地由儲(chǔ)存?zhèn)}運(yùn)送至身管內(nèi)，發(fā)射載體最終位置要求在誤差范圍內(nèi)。但在進(jìn)行假負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了裝填裝置將發(fā)射載體送至身管口動(dòng)作完成后，無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將發(fā)射載體推至規(guī)定位置的現(xiàn)象，直接影響了系統(tǒng)性能。

2 工作原理

裝填裝置采用隨身管一同俯仰方案，其儲(chǔ)存?zhèn)}和輸送機(jī)構(gòu)兩大部件分別固連于身管后方的下部和上部。儲(chǔ)存?zhèn)}出口直對(duì)身管，選擇載體完成后即可推送，極大地減少了發(fā)射載體傳遞環(huán)節(jié)，縮短了系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間的同時(shí)又提高了整機(jī)的可靠性;針對(duì)全系統(tǒng)裝填速度高而同時(shí)推力較大帶來的問題，采用階段輸送法予以解決，即儲(chǔ)存?zhèn)}選擇完成后首先由儲(chǔ)存?zhèn)}后部的單向鏈?zhǔn)酵扑蜋C(jī)構(gòu)將發(fā)射載體由儲(chǔ)存?zhèn)}輸送至身管尾端面，然后由輸送機(jī)構(gòu)將發(fā)射載體從身管尾端面推至擠壓點(diǎn)并擠壓到位。

儲(chǔ)存?zhèn)}主要由架體、載體單元、主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、鏈盒、減速箱和電機(jī)等組成。架體是儲(chǔ)存?zhèn)}其余部件的安裝本體，其固連于身管下方;載體單元是儲(chǔ)存發(fā)射載體的基本單元，其鉸接于大節(jié)距滾子鏈上，并在架體的導(dǎo)軌上運(yùn)行;選擇載體電機(jī)位于儲(chǔ)存?zhèn)}后部，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn);鏈盒及推送電機(jī)位于出口后方。載體單元利用前部的前擋板和后部的后擋板限制發(fā)射載體前后竄動(dòng);當(dāng)儲(chǔ)存?zhèn)}后部的推送鏈向前推送時(shí)可及時(shí)打開前擋板，讓出發(fā)射載體前進(jìn)通道;向空載體單元補(bǔ)充時(shí)，發(fā)射載體可自動(dòng)將后擋板頂開，發(fā)射載體補(bǔ)給到位后，后擋板回位。

選擇發(fā)射載體時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)鏈條及其上的載體單元到達(dá)出口位置后即停止。鏈盒電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)單向鏈和發(fā)射載體前進(jìn)到指定位置后，單向鏈停止;電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)單向鏈回到初始位置。

輸送機(jī)構(gòu)主要由架體、推桿、滑動(dòng)絲杠、滾珠絲杠、減速箱和電機(jī)等組成。架體是輸送機(jī)構(gòu)的安裝本體，其固連于身管后部;輸送載體時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)推桿將發(fā)射載體送至要求位置，然后電機(jī)反轉(zhuǎn)推桿回到初始位置。

基于輸入條件，推送階段計(jì)算如下：

推力：180kN;

時(shí)間：1.4s;

推送行程：370mm;

滾珠絲杠選用63×16;

電機(jī)額定功率30.6kW，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定扭矩195Nm;最大轉(zhuǎn)速2000r/min，最大扭矩585Nm;電機(jī)至絲杠減速比：0.75。

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，絲杠的進(jìn)給速度

電機(jī)轉(zhuǎn)速提高至最大轉(zhuǎn)速后，絲杠的進(jìn)給速度

電機(jī)額定扭矩下，推桿推力

電機(jī)最大扭矩下，推桿推力

使用要求。

觸摸屏采用三菱10寸真彩觸摸屏，顯示及更改工藝參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的觸摸控制;交換機(jī)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，可實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC的以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)分別與觸摸屏及PLC的連接，更可通過光纖實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸;采用三菱Q系列PLC，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的邏輯控制及運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)控制部分采用簡(jiǎn)易運(yùn)動(dòng)控制模塊，通過SSCNET III光纖總線對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度快速響應(yīng)的定位控制，通過內(nèi)置虛擬主軸數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)精密同步控制。伺服驅(qū)動(dòng)器選用三菱J4系列高性能伺服驅(qū)動(dòng)器，采用SSCNET III與PLC進(jìn)行通信控制，具有單相300M的通信速度，0.22ms的通信周期，2.5KHz的速度頻率響應(yīng)。驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置各種報(bào)警功能，保護(hù)電機(jī)不受損壞。伺服電機(jī)選用三菱J4系列高性能伺服電機(jī)，采用22位的高分辨率編碼器，內(nèi)置各種機(jī)械調(diào)整功能，最大程度的提升機(jī)械性能。

電氣控制系統(tǒng)的主控制單元由可編程控制CPU、運(yùn)動(dòng)控制模塊、I/O模塊組成，采用主基板單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。運(yùn)動(dòng)控制模塊可實(shí)現(xiàn)定位控制、同步控制、速度/扭距控制等，與伺服驅(qū)動(dòng)器采用SSCNETⅢ/H（sever systerm control NET）光纖協(xié)議通訊，抗干擾，配線簡(jiǎn)單可靠。順序程序和參數(shù)備份在觸摸屏中的CF卡或者USB存儲(chǔ)器上，當(dāng)控制PLC更換時(shí)，可在觸摸屏中執(zhí)行批處理，將數(shù)據(jù)恢復(fù)至可編程控制器中。同時(shí)在觸摸屏中監(jiān)視可編程控制器和運(yùn)動(dòng)控制模塊，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，恢復(fù)系統(tǒng)?？删幊炭刂破鰿PU和上位機(jī)（主控機(jī)）的Ethernet通訊確保每20ms傳遞一組通訊數(shù)據(jù)，斷線重連三次，如果連不上，就不再連接，檢查原因。通訊速率為100Mbps。

3 試驗(yàn)與測(cè)試

該裝填裝置在進(jìn)行假負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)行距離設(shè)定為290mm，轉(zhuǎn)速為38r/min，設(shè)定擠壓時(shí)間為39秒。在試驗(yàn)過程中，擠壓推進(jìn)到170mm時(shí)，擠壓力開始增加，擠壓推進(jìn)到197mm時(shí)，擠壓力達(dá)到79kN，電機(jī)電流達(dá)到89.9A，驅(qū)動(dòng)器報(bào)警停止，電機(jī)停止推進(jìn)，發(fā)射載體并未送至要求位置。

針對(duì)以上現(xiàn)象，對(duì)發(fā)射載體運(yùn)動(dòng)全程狀態(tài)進(jìn)行梳理，對(duì)電機(jī)參數(shù)及試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄核算，并重新考慮關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究產(chǎn)生以上現(xiàn)象的因素。原電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器選型依據(jù)是快速擠壓，原設(shè)計(jì)的擠壓推進(jìn)時(shí)間只有1.4s，依靠驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的短時(shí)過載能力達(dá)到180kN的推力輸出。但是在試驗(yàn)過程中，調(diào)試時(shí)的推進(jìn)時(shí)間變化較大，初步調(diào)試時(shí)推進(jìn)速度較慢，時(shí)間較長(zhǎng)，與原來相比延長(zhǎng)了27.9倍，實(shí)際推進(jìn)時(shí)間達(dá)到39秒，電機(jī)轉(zhuǎn)速只有38r/min，轉(zhuǎn)速還不到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的3%，屬于低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)器自身電流輸出只能有1.2倍過載，原選取驅(qū)動(dòng)器額定輸出電流為75A，即在試驗(yàn)調(diào)試狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)器輸出電流最大限制在90A，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器報(bào)警，電機(jī)停止工作，推力值無法達(dá)到要求，發(fā)射載體未送至規(guī)定位置。

除此之外，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也進(jìn)行了分析，影響推力輸出的關(guān)鍵因素還有擠壓減速比和推桿碰撞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 解決措施及效果

由以上測(cè)試結(jié)果及分析可知，提高推力值輸出是解決故障問題的關(guān)鍵。具體措施如下：

（1）在目前的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)在加載213A電流時(shí)，輸出最大力矩500NM，持續(xù)時(shí)間可達(dá)30秒，完全滿足使用要求，不必更換。已知原驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)加載90A電流時(shí)現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)可以產(chǎn)生79kN的推力;如果給電機(jī)加載180A的電流，在現(xiàn)有機(jī)械系統(tǒng)不變的情況下，可以產(chǎn)生158kN的推力，滿足實(shí)際使用中的150kN推力要求。所以驅(qū)動(dòng)器重新選定額定功率90Kw，額定電流176A，在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下可以提供1.2倍過載，持續(xù)時(shí)間1分鐘以上，輸出電流可達(dá)211A，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可達(dá)480NM，推力可達(dá)187kN，完全滿足系統(tǒng)的推力要求并留有足夠可靠的推力余量。

（2）原擠壓段齒輪比為1.33，現(xiàn)修改為1.8，在電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變的情況下提高輸出到推桿的推力值，同時(shí)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加系統(tǒng)的可靠性。

（3）根據(jù)試驗(yàn)調(diào)試情況結(jié)合系統(tǒng)整體要求，調(diào)整擠壓推進(jìn)速度，將推進(jìn)時(shí)間提高到20秒以內(nèi)，從而提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（4）調(diào)整推桿尾部碰撞機(jī)構(gòu)，通過增加碰撞接觸面積，減小電機(jī)帶動(dòng)推桿時(shí)的沖擊電流，從而保證足夠余量。

裝填裝置在進(jìn)行以上措施的改進(jìn)后，反復(fù)進(jìn)行了假負(fù)載推進(jìn)試驗(yàn)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出在滿足系統(tǒng)推進(jìn)時(shí)間的前提下，推力值均達(dá)到要求，發(fā)射載體均被裝填裝置推至規(guī)定位置，說明以上措施很好地解決了推進(jìn)障礙這一問題，可以保證系統(tǒng)使用要求。

推力曲線如圖2所示。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)某裝填裝置推進(jìn)障礙現(xiàn)象，采用試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值計(jì)算等多種手段相結(jié)合，仔細(xì)分析、研究，準(zhǔn)確判斷出產(chǎn)生故障的原因，提出了有針對(duì)性的解決方案，且得到了試驗(yàn)的驗(yàn)證。通過對(duì)該問題的解決，掌握了自動(dòng)裝填相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其他類型裝填裝置的研制提供了技術(shù)基礎(chǔ)和參考。同時(shí)也應(yīng)看到隨著系統(tǒng)指標(biāo)的提升，對(duì)裝填裝置性能也會(huì)有更高的要求。因此在如何同時(shí)提高裝填速度及推力，并且使系統(tǒng)輕量化、小型化等方面有待進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭建輝，王衛(wèi).某火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)專用試驗(yàn)裝置的功能結(jié)構(gòu)分析[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2006（4）：42-45.

[2]侯保林.大口徑自行火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2003.

[3]梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2010（3）：103-107.

[4]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，2010：1-4.