新型扭簧式平衡機設(shè)計

馬浩，高躍飛，周軍，王釗

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

遙控武器站是一種安裝在多種平臺上相對獨立的模塊化、通用化武器系統(tǒng)，其最大特點就是車輛乘員不必暴露在車外就可以直接操控武器精確射擊[1]，其上可以配置多種武器和不同組合的火力控制系統(tǒng)[2]。當遙控武器站上配備了小口徑武器以后，俯仰機構(gòu)的質(zhì)心不在耳軸軸線上，而是相對耳軸前移，故在武器的俯仰過程中，會產(chǎn)生動態(tài)變化的不平衡力矩，對武器射擊的穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響[3]。武器俯仰過程的不平衡力矩可以采用平衡機來補償，需要設(shè)計適用于武器站的結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的平衡機。

平衡機在大中口徑武器上已有廣泛的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)形式和種類較多，常見的有彈簧式和氣壓式兩種。彈簧式平衡機因其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠且受外界環(huán)境因素影響低等優(yōu)點在小口徑武器上得到了較多應(yīng)用。張海洋等[4]設(shè)計了一種通過彈簧與鏈輪鏈條配合來實現(xiàn)平衡重力矩的平衡機；陳雷等[5]針對小口徑武器采用發(fā)條簧和滑輪配合的方式設(shè)計了一種帶蝸輪蝸桿機構(gòu)的發(fā)條簧式平衡機；康酈等[6]設(shè)計了一種安裝在艦炮耳軸上后方的發(fā)條簧平衡機，并對該平衡機的動態(tài)和靜態(tài)情況進行分析和調(diào)試?？v觀上述彈簧式平衡機的應(yīng)用，不難發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)組成具有相同的特點，即在原有武器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增添了定滑輪和鏈輪等機構(gòu)，使得武器的結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜化，除此之外，上述部分平衡機的設(shè)計使用了蝸輪蝸桿機構(gòu)，增加了平衡機結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜程度。為了簡化武器結(jié)構(gòu)設(shè)計，使平衡機結(jié)構(gòu)更加緊湊、簡單，筆者提出了一種新的平衡機設(shè)計思路，使用扭轉(zhuǎn)彈簧將平衡機與耳軸部分結(jié)合起來，即平衡機與耳軸同軸。這種結(jié)構(gòu)既減少了上述平衡機所需的滑輪繩索機構(gòu)，又降低了平衡機自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

1 平衡機結(jié)構(gòu)

某遙控武器站實物如圖1所示。遙控武器站主要包括火力分系統(tǒng)、火控分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)和配套件連接件[5]?；鹆Ψ窒到y(tǒng)則包括武器、搖架、上架和供彈機構(gòu)等。平衡機位于搖架與上架相連的耳軸上。

圖2為機槍遙控武器站火力分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。遙控武器站的機槍安裝在俯仰機構(gòu)的搖架上，搖架通過耳軸結(jié)構(gòu)與上架連接。電動機、錐齒輪組和蝸輪蝸桿機構(gòu)組成遙控武器站的高低機，安裝在遙控武器站的邊側(cè)，平衡機則安裝在與耳軸同軸位置的另一側(cè)。

在平衡機內(nèi)，扭轉(zhuǎn)彈簧套在耳軸上，一端與上架處彈簧擋桿配合，另一端與耳軸處彈簧擋桿配合，彈簧擋桿通過螺紋固定在上架和耳軸的對應(yīng)位置，如圖3所示。

平衡機的工作過程如下：電動機通過錐齒輪和蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)帶動搖架進行俯仰動作，搖架相對于上架繞耳軸軸線進行轉(zhuǎn)動。由于上架不動，耳軸轉(zhuǎn)動，迫使扭轉(zhuǎn)彈簧兩端產(chǎn)生角度差，使得扭轉(zhuǎn)彈簧變形產(chǎn)生一個扭力，為俯仰部分提供一個力矩來實現(xiàn)其平衡機的作用。到達指定射角后，電動機停止轉(zhuǎn)動，機槍和搖架通過蝸輪蝸桿機構(gòu)的自鎖性能固定在指定射角。

2 模型的建立及計算

為便于對平衡機特性的分析及設(shè)計，建立遙控武器站的簡化模型，如圖4所示。圖中，G為俯仰部分重力，MT為平衡機提供的力矩，L為質(zhì)心與耳軸回轉(zhuǎn)中心之間的距離，λ為初始時刻(射角為0°時)質(zhì)心與耳軸支點兩點之間的直線與水平面之間的夾角(順時針為正)。

該遙控武器站的基本參數(shù)如表1所示，表中φ為遙控武器站的射界，ω為遙控武器站俯仰過程中耳軸所能達到的最大轉(zhuǎn)速。

表1 遙控武器站部分參數(shù)

2.1 重力矩計算

當遙控武器站俯仰一定射角θ時，其所產(chǎn)生的重力矩為

MG=GLcos(θ+λ).

(1)

遙控武器站實際工作過程中，射角是變化的，重力矩隨射角的變化關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，隨著射角的增加，重力矩先小幅度增大然后逐步減小。因此，平衡機所提供的力矩也應(yīng)隨射角的改變按上述趨勢變化。

2.2 平衡機力矩計算

平衡機的作用是為了減小在不同射角時重力矩帶來的影響，因此平衡機提供的力矩曲線應(yīng)與在各射角位置時的重力矩接近，以減小二者的差值，即不平衡力矩盡量小。

由于平衡機設(shè)計在耳軸上，因此彈簧具有的扭轉(zhuǎn)力矩就是平衡機提供給武器俯仰部分的平衡機力矩。在扭轉(zhuǎn)彈簧的線性工作區(qū)內(nèi)，扭轉(zhuǎn)彈簧提供力矩隨射角的變化關(guān)系為

MT=Kθ，

(2)

式中K為彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度。

平衡機的設(shè)計方法有兩種：完全平衡法、兩點平衡法或三點平衡法[7]。完全平衡法需要有特定的結(jié)構(gòu)布置或采用配重來實現(xiàn)，實用性差，因此筆者選用兩點平衡法來對該扭簧式平衡機進行設(shè)計。在整個射角范圍內(nèi)，調(diào)整平衡機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對彈簧剛度K進行優(yōu)化，得到射角0°和57°兩個平衡點，即在射角0°和57°時平衡機力矩和重力矩大小相等，方向相反。根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧的工作特性曲線可得彈簧剛度的計算公式為

(3)

式中:θ1和θ2分別為兩平衡點處射角0°和57°；MG1和MG2分別為射角θ1和θ2處的重力矩。

確定平衡機的彈簧剛度K后，即可由平衡機的工作原理計算出俯仰過程中的平衡力矩的變化規(guī)律。平衡機力矩的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，隨著射角的增大，平衡機力矩在不斷地減少，大致符合重力矩的變化趨勢。

2.3 不平衡力矩計算

不平衡力矩是由于重力矩和平衡機力矩在對應(yīng)的角度下不能做到完全平衡而存在的力矩。根據(jù)不平衡力矩的定義可以得到不平衡力矩計算公式：

ΔM=MG-MT.

(4)

將式(2)和(3)代入式(4)，可求出在該平衡機作用下的不平衡力矩變化規(guī)律，如圖7所示。

由圖7可知在整個過程中，不平衡力矩最大值不超過15 Nm，遠小于無平衡機時的最大重力矩。由此可見，該平衡機能夠有效地減少重力矩在俯仰過程中對武器操控的負面影響，起到了平衡重力矩的作用，達到了遙控武器站對平衡機的工作要求。

3 扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計

根據(jù)遙控武器站的工作條件和平衡機力矩的計算結(jié)果可知，在武器站的整個俯仰工作過程中，彈簧工作轉(zhuǎn)動角度φ為70°，承受的最大扭矩Tmax為126.713 Nm，承受的最小扭矩Tmin為70.038 8 Nm，即扭轉(zhuǎn)彈簧的預(yù)壓扭矩為70.038 8 Nm. 該扭轉(zhuǎn)彈簧材料選擇60Si2MnA，抗拉極限強度σb為1 471 MPa，許用彎曲應(yīng)力值σBp為1 232 MPa，彈性模量E為206 GPa.

根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧的設(shè)計計算方法[8]，彈簧的曲度系數(shù)為

(5)

式中C為彈簧旋繞比，為使結(jié)構(gòu)緊湊初定旋繞比為6.

彈簧鋼絲直徑可確定為

(6)

則，中徑D為

D=Cd.

(7)

彈簧的有效圈數(shù)為

(8)

設(shè)計彈簧的彈簧剛度為

(9)

其工作極限扭轉(zhuǎn)力矩為

(10)

式中，σj為工作極限彎曲應(yīng)力，σj=0.8σb.

則彈簧的工作極限扭轉(zhuǎn)角為

(11)

彈簧節(jié)距為

t=d+δ，

(12)

式中δ為彈簧間距，若無特殊要求取0.5 mm.

彈簧自由長度為

H0=nt+d.

(13)

彈簧螺旋角為

(14)

根據(jù)設(shè)計要求，通過數(shù)值計算，得到扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)最優(yōu)解如表2所示。

表2 扭轉(zhuǎn)彈簧參數(shù)

4 動力學(xué)分析

當武器站俯仰機構(gòu)轉(zhuǎn)動到指定射角電動機停止轉(zhuǎn)動時，平衡機、俯仰機構(gòu)和高低機三者構(gòu)成的彈簧-阻尼系統(tǒng)在慣性的作用下會發(fā)生振動，不利于火炮對目標的跟蹤。筆者以最大射角為例，分析當武器站轉(zhuǎn)動到指定射角時該彈簧阻尼系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了更好地了解扭簧式平衡機的工作特性，可利用虛擬樣機技術(shù)對該遙控武器站在其射界內(nèi)的俯仰運動進行動力學(xué)仿真分析，從而得到武器站在工作過程中的重力矩、平衡機力矩以及不平衡力矩的變化情況，以及武器站俯仰部分運動停止時的武器系統(tǒng)的穩(wěn)定性情況。

4.1 動力學(xué)建模

利用虛擬樣機技術(shù)及軟件可建立武器站及平衡機的虛擬樣機模型，便于進行武器站運動的分析。

在三維軟件NX中建立該平衡機的三維實體模型并將其以Paraslolid(.*x_t)格式導(dǎo)出，再通過CAD接口模塊ADAMS/Exchange將其導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件ADAMS中進行動力學(xué)分析。ADAMS軟件會自動根據(jù)帶Lagrange乘子的第一類Lagrange方程建立多體系統(tǒng)動力學(xué)方程[9]。根據(jù)該遙控武器站工作過程中運動構(gòu)件的運動規(guī)律，在不影響模型合理性的前提下進行如下假設(shè)：

1)武器站和平衡機的相關(guān)構(gòu)件均按作剛體處理；

2)武器站俯仰結(jié)構(gòu)和上架的各部件分別做一體化處理；

3)將扭簧式平衡機簡化為扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器，其工作參數(shù)與扭簧式平衡機參數(shù)相同。

按照武器站和平衡機在實際運動中相應(yīng)的受力情況，分別對各零件添加約束和力元關(guān)系：

1)根據(jù)武器系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)情況調(diào)整俯仰部分的質(zhì)心位置并賦予其實際質(zhì)量；

2)上架與大地之間添加固定副，使它們相互固連；

3)根據(jù)俯仰過程中耳軸、錐齒輪、蝸輪蝸桿與上架之間的轉(zhuǎn)動關(guān)系，分別在耳軸、錐齒輪、蝸輪蝸桿與上架之間添加轉(zhuǎn)動副；

4)為了使錐齒輪和蝸輪蝸桿的傳動更接近實際情況，筆者不采用ADAMS中自帶齒輪副，采用impact力的碰撞模型分別在錐齒輪之間和蝸輪蝸桿之間建立力的接觸將二者之間的傳動關(guān)聯(lián)起來；

5)在搖架和上架之間，在耳軸的回轉(zhuǎn)中心處添加扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器并輸入上文中設(shè)計出扭轉(zhuǎn)彈簧的相關(guān)參數(shù)，用以模擬俯仰過程中平衡機提供的力矩。

為模擬武器站在射界內(nèi)的俯仰過程，在電動機處的轉(zhuǎn)動副上添加轉(zhuǎn)動驅(qū)動函數(shù)模擬電動機的驅(qū)動，帶動錐齒輪和蝸輪蝸桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動遙控武器站從最低射角-10°向最高射角60°轉(zhuǎn)動。

虛擬樣機模型建立完成，使用求解模塊ADAMS/Solver進行仿真。

4.2 仿真結(jié)果與分析

仿真完成后對結(jié)果進行處理。得到的結(jié)果如圖8所示。圖8為不平衡力矩隨射角變化的曲線，橫坐標為遙控武器站的射角。

從圖8可以看出，隨著射角的增大，不平衡力矩從-10 Nm開始增加，在射角為31°時到達最大值17.5 Nm；之后開始減小，最終減小至5 Nm.在整個變化過程中，不平衡力矩絕對值的最大值為17.5 Nm，遠小于該遙控武器站無平衡機時的不平衡力矩的最大重力矩120 Nm，滿足平衡機的設(shè)計要求。

圖9為耳軸轉(zhuǎn)動角速度曲線。由圖9可知，在1.9 s時刻，遙控武器站的俯仰機構(gòu)運動到位，電動機停止工作，耳軸轉(zhuǎn)速短時間內(nèi)急劇減小，并在2 s附近出現(xiàn)波動，在2.2 s時，耳軸轉(zhuǎn)速為0，即在耳軸達到最大轉(zhuǎn)速時，遙控武器站能夠在0.3 s內(nèi)將其俯仰機構(gòu)穩(wěn)定下來，證明了該扭簧式平衡機既能起到平衡重力矩的作用，又能在到達指定射角時使遙控武器站具有良好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

當前，武器輕型化是武器的一個重要研究方向。根據(jù)某遙控武器站的結(jié)構(gòu)和工作要求，結(jié)合扭簧提供扭轉(zhuǎn)力矩的原理，設(shè)計了一種新型與耳軸結(jié)合的扭簧式平衡機。該平衡機具有以下特點：

1)該扭簧式平衡機相比其他平衡機，在結(jié)構(gòu)上更加簡單緊湊。

2)該扭簧式平衡機的結(jié)構(gòu)與耳軸部分相結(jié)合，直接為武器站的俯仰機構(gòu)提供扭轉(zhuǎn)力矩以降低重力矩俯仰過程中的負面影響，優(yōu)化了武器的結(jié)構(gòu)布置，有利于武器站朝著小型化、輕型化的方向發(fā)展。

3)通過數(shù)值計算和仿真分析可知，該扭簧式平衡機將不平衡力矩從120 Nm(無平衡機時的最大重力矩)降低到了17.5 Nm，極大地減少了重力矩在俯仰過程中對武器站俯仰機構(gòu)的負面影響。除此之外，當武器轉(zhuǎn)動到指定射角時，可在0.3 s內(nèi)將由平衡機、高低機和俯仰機構(gòu)組成的彈簧-阻尼振動系統(tǒng)穩(wěn)定下來，具有良好的穩(wěn)定性。