某自行加榴炮協(xié)調(diào)器改進(jìn)

夏天，魯玉祥，宋華斌，侯立國

(1.西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)作為火炮裝備的重要組成之一，是實(shí)現(xiàn)火炮高射速的重要技術(shù)保證。協(xié)調(diào)器是火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)中一個(gè)重要組件，它的作用是將來自于彈倉(藥倉)的彈丸(裝藥)自動(dòng)協(xié)調(diào)至與炮膛軸線并齊。協(xié)調(diào)器能否穩(wěn)定、準(zhǔn)確地將彈藥協(xié)調(diào)至相應(yīng)位置，直接影響火炮發(fā)射速度，同時(shí)也影響到了裝填系統(tǒng)可靠性[1]。

目前對(duì)某自行加榴炮協(xié)調(diào)器進(jìn)行研究的相關(guān)文獻(xiàn)資料較多。其中，文獻(xiàn)[2]對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行了受控動(dòng)力學(xué)分析，用MATLAB優(yōu)化工具箱對(duì)PID控制器增益進(jìn)行了優(yōu)化，并利用有限單元法對(duì)4種截面尺寸的柔性協(xié)調(diào)臂模型進(jìn)行了分析比較，得到了較優(yōu)的截面形狀。文獻(xiàn)[3] 對(duì)協(xié)調(diào)器建立了包含多體動(dòng)力學(xué)、液壓、電機(jī)和控制的多學(xué)科仿真模型，構(gòu)建了聯(lián)合Isight、MATLAB和RecurDyn的動(dòng)作可靠性計(jì)算流程,對(duì)某彈藥協(xié)調(diào)器進(jìn)行了動(dòng)作可靠性估計(jì)；文獻(xiàn)[4]利用Simulink建立了火炮彈藥協(xié)調(diào)器機(jī)電系統(tǒng)模型，并對(duì)定位過程中的不確定性因素進(jìn)行了分析，將獲取的定位誤差值進(jìn)行加權(quán)取和，通過粒子群算法對(duì)此加權(quán)和進(jìn)行了優(yōu)化，能夠間接提高協(xié)調(diào)器的定位精度。

以上文獻(xiàn)分別從協(xié)調(diào)器的控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行精度及可靠性等角度進(jìn)行分析研究，并提出了一定優(yōu)化方案，但未從根本上解決電機(jī)及蝸輪蝸桿運(yùn)行故障率高的問題，協(xié)調(diào)器中電機(jī)驅(qū)動(dòng)力輸出不穩(wěn)定的情況并未得到徹底解決。在早期的諸多研究中多是通過增強(qiáng)裝置零部件的方式對(duì)協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行優(yōu)化，雖有所緩解但是系統(tǒng)質(zhì)量也相應(yīng)增加。

筆者以某自行榴彈炮協(xié)調(diào)器為研究對(duì)象，通過對(duì)協(xié)調(diào)器運(yùn)行狀態(tài)及故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)出現(xiàn)的問題，通過對(duì)協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)，從設(shè)備構(gòu)成層面解決協(xié)調(diào)器運(yùn)行故障率高的問題，通過使用油缸驅(qū)動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出不穩(wěn)定性進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)還增加運(yùn)行力矩寬度可以更好的對(duì)協(xié)調(diào)器系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)。

1 協(xié)調(diào)器運(yùn)行故障分析

1.1 故障情況描述

某裝備協(xié)調(diào)器工作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，該協(xié)調(diào)器由兩個(gè)串勵(lì)式直流電機(jī)并聯(lián)，下級(jí)連接到減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)包括兩級(jí)直齒輪和一級(jí)蝸輪蝸桿齒輪，同時(shí)輔以油缸為主體的小平衡機(jī)助力，在兩者共同作用下維持協(xié)調(diào)臂的平穩(wěn)運(yùn)行[4]。為了保證射速，協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)時(shí)間必須控制在2 s以內(nèi)。

在協(xié)調(diào)器的實(shí)際使用中，協(xié)調(diào)器發(fā)生的故障統(tǒng)計(jì)如表1所示，可以很明顯地看到電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置故障占所有故障將近一半的比例，其中電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器械損壞占35.3%.

表1 協(xié)調(diào)器故障統(tǒng)計(jì)表

通過統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)故障多發(fā)于驅(qū)動(dòng)裝置。協(xié)調(diào)臂協(xié)調(diào)時(shí)，協(xié)調(diào)臂繞耳軸回轉(zhuǎn)，小平衡機(jī)平衡重力矩，減小電機(jī)功率。小平衡機(jī)與火炮氣液式平衡機(jī)原理相同，在實(shí)際工作過程中對(duì)氣液比和壓力有相應(yīng)要求，當(dāng)氣液比或者壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)時(shí)，就會(huì)造成平衡性能變差，導(dǎo)致電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器件過載損毀。同時(shí)，齒面磨損也是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障的主要誘因之一，隨著運(yùn)行次數(shù)增加，在接觸應(yīng)力和摩擦力的共同作用下齒側(cè)間隙會(huì)逐步變大，造成傳動(dòng)誤差和空程誤差。傳動(dòng)誤差反映在減速齒輪單向回轉(zhuǎn)時(shí)，由于齒輪切向綜合誤差，造成傳動(dòng)鏈傳動(dòng)形成齒輪的微小偏差，從而出現(xiàn)協(xié)調(diào)器運(yùn)行未達(dá)到規(guī)定精度的現(xiàn)象[5]。協(xié)調(diào)器在雙向反復(fù)動(dòng)作時(shí)，由于齒輪副中的間隙誤差產(chǎn)生滯后量，齒輪由正向旋轉(zhuǎn)改為反向旋轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)空程誤差，因此從動(dòng)齒輪運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生齒面嚙合跳動(dòng)。長(zhǎng)此以往，協(xié)調(diào)器在運(yùn)行時(shí)由于齒輪嚙合磨損造成傳動(dòng)鏈空回效應(yīng)加劇[6]，加上彈藥負(fù)載等多重影響從而造成協(xié)調(diào)器的故障。

1.2 協(xié)調(diào)器故障分析

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)臂時(shí)，齒間會(huì)產(chǎn)生齒間隙增大的情況，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)瞬間，協(xié)調(diào)臂所受到的齒輪傳動(dòng)嚙合接觸沖擊也會(huì)隨之增加，使整個(gè)嚙合線齒面上的作用力都將發(fā)生變化[7]，在長(zhǎng)期使用

后，產(chǎn)生的繞度也隨之變大。

如圖2所示，協(xié)調(diào)器在耳軸支點(diǎn)O處采用串勵(lì)式直流電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)特點(diǎn)為啟動(dòng)響應(yīng)迅速，且扭矩大，嚙合接觸沖擊將傳遞到協(xié)調(diào)臂，其輸出轉(zhuǎn)矩為Tz=CTΦIa，CT為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Φ為主磁通，Ia為電樞電流[3]。

隨著電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪以及齒輪軸將驅(qū)動(dòng)力矩作用于協(xié)調(diào)臂，協(xié)調(diào)臂在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)的現(xiàn)象，振動(dòng)在O-xy平面內(nèi)做縱向運(yùn)動(dòng)，并隨電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩增加而增加[8]?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)忽略剪切力變形及截面繞中性軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，由歐拉-伯努利模型可知，在協(xié)調(diào)臂OC上取任意x處長(zhǎng)度為dx，當(dāng)在瞬時(shí)t時(shí)，則具有縱向位移y(x,t)，此時(shí)dx上分布外力為q(x,t)，外力矩為mw(x,t)。已知協(xié)調(diào)臂截面面積為S，ρ為材料密度，E為彈性模量，I為截面慣性矩，則受力方程為

(1)

根據(jù)協(xié)調(diào)臂受力情況，協(xié)調(diào)臂彈性動(dòng)力響應(yīng)根據(jù)文獻(xiàn)[8]中假設(shè)模態(tài)法和有限單元法，將協(xié)調(diào)臂離散為多個(gè)梁?jiǎn)卧?，圖2中表明為第ui點(diǎn)(油缸在協(xié)調(diào)臂支點(diǎn)后一點(diǎn))和第ui+n點(diǎn)(協(xié)調(diào)臂尾端)之間任意點(diǎn)a點(diǎn)，則點(diǎn)a的動(dòng)能可表示為

(2)

式中：mi為質(zhì)量矩陣；zi為第i個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)位移向量。根據(jù)文獻(xiàn)[9]可知協(xié)調(diào)臂的有限單元-梁?jiǎn)卧囊阎|(zhì)量矩陣mi,22(4×4)，m的元素矢位移節(jié)點(diǎn)為非線性函數(shù)，其勢(shì)能僅僅取決于彈性變形且與協(xié)調(diào)臂旋轉(zhuǎn)角度無關(guān)。因此可以認(rèn)為協(xié)調(diào)臂的振動(dòng)不是由于真實(shí)的阻尼力引起的，而是由于彈丸的勢(shì)能與電機(jī)及齒輪傳動(dòng)動(dòng)能的非線性部分引起。

由此當(dāng)彈體自重mD，則彈體質(zhì)量均勻分布作用協(xié)調(diào)臂自由端時(shí)，不考慮當(dāng)托彈盤運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)協(xié)調(diào)臂及協(xié)調(diào)器系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，此時(shí)該標(biāo)架內(nèi)協(xié)調(diào)臂狀態(tài)只受驅(qū)動(dòng)力和彈丸重力影響，則可以通過協(xié)調(diào)臂在以點(diǎn)ui組成的新標(biāo)架內(nèi)直觀看到協(xié)調(diào)臂任意點(diǎn)受迫振動(dòng)情況，其在全系統(tǒng)受迫振動(dòng)方程如下：

yi(x)=Ci[cosεix-coshεix+

ri(sinεix-sinhεix)],i=1,2,…

(3)

(4)

根據(jù)以上計(jì)算，當(dāng)采用串勵(lì)式直流電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)可能引起協(xié)調(diào)臂的受迫振動(dòng)，而受迫振動(dòng)為系統(tǒng)的不良振動(dòng)，進(jìn)而引起電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件以及蝸輪蝸桿損壞等故障，嚴(yán)重影響了裝備的使用壽命和運(yùn)行精度。當(dāng)協(xié)調(diào)臂帶彈時(shí)，協(xié)調(diào)臂由于彈性形變使彈丸定位產(chǎn)生了一定的振動(dòng)位移，同時(shí)影響了后續(xù)作業(yè)精度[10]。在實(shí)際使用中協(xié)調(diào)器托彈盤打開時(shí)靜力變形為1.30 mm.

在整個(gè)協(xié)調(diào)器系統(tǒng)中，還需要考慮到托彈盤擺動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)量和剪切變形對(duì)協(xié)調(diào)臂振動(dòng)的影響，以及齒輪傳動(dòng)嚙合接觸沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)，這些振動(dòng)雖然不施加在主慣性平面內(nèi)，但是會(huì)與運(yùn)行振動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)耦合，對(duì)協(xié)調(diào)器本身的影響將會(huì)是不可逆的。因此無法滿足托彈盤在輸彈線上輸彈前后位置變化量左右和上下均不大于3 mm的定位精度技術(shù)要求，當(dāng)協(xié)調(diào)臂剛度不足時(shí)，協(xié)調(diào)定位的彈性變形量同樣會(huì)影響協(xié)調(diào)器的定位精度。

依據(jù)文獻(xiàn)[11]中，使用FMECA(故障模式、危害度分析)和DEMATEL(決策實(shí)驗(yàn)室)方法，對(duì)協(xié)調(diào)器的故障模式與故障危害度進(jìn)行排序，其結(jié)論描述順序?yàn)槲佪單仐U間隙大、電位計(jì)調(diào)整不到位、電機(jī)故障等，故障直接導(dǎo)致了協(xié)調(diào)精度低、空回和振動(dòng)過大等故障結(jié)果。

根據(jù)得出的協(xié)調(diào)臂運(yùn)行響應(yīng)情況，對(duì)協(xié)調(diào)臂尺寸和質(zhì)量進(jìn)行綜合考量，協(xié)調(diào)臂不僅需要輕量化，尺寸也要盡可能小，結(jié)合當(dāng)前分析，提高協(xié)調(diào)臂的結(jié)構(gòu)剛度，可以進(jìn)一步提高運(yùn)行精度。同時(shí)使用油缸直接驅(qū)動(dòng)相比于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有良好的過載能力，避免了大電流驅(qū)動(dòng)，同時(shí)解決了當(dāng)電機(jī)與小平衡機(jī)在協(xié)同動(dòng)作時(shí)，小平衡機(jī)氣液比或壓力調(diào)整不當(dāng)導(dǎo)致的平衡效果變差、電機(jī)或驅(qū)動(dòng)器件損毀等問題。

2 協(xié)調(diào)器的改進(jìn)

2.1 協(xié)調(diào)器的改進(jìn)方案

通過對(duì)協(xié)調(diào)器故障的分析，對(duì)協(xié)調(diào)器系統(tǒng)方案進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3所示。

為了使協(xié)調(diào)器工作更加的平穩(wěn)、快速、定位準(zhǔn)確，改進(jìn)后的協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)方式與之前相比做出了如下改進(jìn)：改進(jìn)后的協(xié)調(diào)器取消了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪組，單獨(dú)使用油缸為協(xié)調(diào)臂提供驅(qū)動(dòng)力，使協(xié)調(diào)臂角加速度曲線更加平滑，不再受到因?yàn)闄C(jī)械性能因素造成的故障問題[12]，使結(jié)構(gòu)大幅簡(jiǎn)化，避免由于大功率驅(qū)動(dòng)元件使用所引發(fā)的協(xié)調(diào)器機(jī)械故障；同時(shí)由于油缸和協(xié)調(diào)臂自然形成穩(wěn)定的三角形面，對(duì)定位和運(yùn)行穩(wěn)定性有較大的提高，同時(shí)對(duì)后期維護(hù)保養(yǎng)也降低了難度。

從工作性能看，使用液壓傳動(dòng)裝置的協(xié)調(diào)器功率輸出更為靈活，調(diào)速方式也相對(duì)簡(jiǎn)單，通過比例閥可以較為容易地控制協(xié)調(diào)器液壓油缸動(dòng)作。同時(shí)液壓傳動(dòng)也具有體積小且輸出功率大的特點(diǎn)，相比于電氣裝置，液壓裝置能量傳動(dòng)與能量密度更高，傳動(dòng)更為靈活，可獲得高速且高功率密度，容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

在液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，改進(jìn)后的協(xié)調(diào)器采用帶手動(dòng)功能的電動(dòng)操縱閥控制的方式，其中手動(dòng)功能作為緊急狀態(tài)下備份[13]。目前的控制閥的作業(yè)形式有兩種，一種是閥控式系統(tǒng)，一種是容積式控制系統(tǒng)。雖然液壓控制閥的形式不同、優(yōu)點(diǎn)各異，但閥控式更加符合協(xié)調(diào)器的使用特點(diǎn)，因而在協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上選擇使用閥控式液壓控制方式。

在協(xié)調(diào)臂運(yùn)行閉環(huán)過程中，首先控制器實(shí)時(shí)根據(jù)射角傳感器與協(xié)調(diào)器傳感器的差值，通過輸出電信號(hào)控制比例閥開度得以控制協(xié)調(diào)速度[14]。協(xié)調(diào)的過程可被劃分為高速運(yùn)行和低速運(yùn)行兩個(gè)階段。當(dāng)傳感器差值大時(shí)閥開度大，協(xié)調(diào)器進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)；在即將到達(dá)預(yù)設(shè)位置前，傳感器差值降低至閾值，控制閥開度隨之降低，運(yùn)行速度降為低速，協(xié)調(diào)器以較低速度進(jìn)入預(yù)設(shè)位置，到達(dá)預(yù)定位置后，關(guān)斷比例閥，協(xié)調(diào)器停止運(yùn)動(dòng)，液壓系統(tǒng)進(jìn)行保壓維持；返回時(shí)采用相同控制方式，只是不再采集射角傳感器的值，以一個(gè)確定值作為基準(zhǔn)與協(xié)調(diào)編碼器進(jìn)行比較。

協(xié)調(diào)臂驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)框圖如圖4所示，改進(jìn)后的協(xié)調(diào)臂液壓驅(qū)動(dòng)控制，采用速度環(huán)和位置環(huán)控制的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器的數(shù)字化控制，提高停位精度。將協(xié)調(diào)行程分為高速和低速兩個(gè)階段，既提高了運(yùn)行可靠性，同時(shí)也降低了不良振動(dòng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響。改進(jìn)后的協(xié)調(diào)臂液壓驅(qū)動(dòng)控制解決了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪組運(yùn)行故障帶來的可靠性降低的問題[15]，為進(jìn)一步提高裝備運(yùn)行效率提供先決條件。

2.2 改進(jìn)后協(xié)調(diào)器有限元仿真驗(yàn)證

協(xié)調(diào)器在彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)中，主要功能是接收彈丸并進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得彈丸軸線與待發(fā)射狀態(tài)下的炮管軸線平行，并提供平穩(wěn)的彈丸輸送平臺(tái)。因此針對(duì)改進(jìn)后的協(xié)調(diào)器在25°、65°射角裝填條件下的工況進(jìn)行有限元仿真分析。

在仿真時(shí)為避免系統(tǒng)過于復(fù)雜，將協(xié)調(diào)臂、托彈盤支架分別簡(jiǎn)化為連續(xù)體，前后支臂分別繞各自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，油缸繞安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞桿沿推動(dòng)軸平動(dòng)，施加彈丸質(zhì)量為50 kg，托盤、油缸組件也將以質(zhì)點(diǎn)形式分別施加于對(duì)應(yīng)位置。仿真初值狀態(tài)為當(dāng)協(xié)調(diào)器到達(dá)推彈機(jī)鏈頭推彈接口位置，利用動(dòng)態(tài)有限元仿真計(jì)算當(dāng)彈協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)至25°、65°射角時(shí)的等效應(yīng)力及托彈盤協(xié)調(diào)到位后協(xié)調(diào)器的彈性位移。

經(jīng)有限元仿真，協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)至25°和65°時(shí)，協(xié)調(diào)器等效應(yīng)力如圖5、6所示，托彈盤協(xié)調(diào)到位后協(xié)調(diào)器彈性位移曲線如圖7所示。

相同條件下，經(jīng)有限元仿真協(xié)調(diào)臂在水平位置托彈盤帶彈翻轉(zhuǎn)時(shí)的最大靜力變形情況如圖8所示。

仿真計(jì)算表明，射角25°和65°裝填時(shí)，最大等效應(yīng)力分別為104.8、87.6 MPa，協(xié)調(diào)到位后協(xié)調(diào)器彈性位移分別為2.81、2.80 mm.同時(shí)，協(xié)調(diào)器在水平位置時(shí)托彈盤帶彈打開時(shí)最大靜力變形為0.54 mm.從改進(jìn)后協(xié)調(diào)器有限元仿真結(jié)果看到，當(dāng)協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí)，協(xié)調(diào)器最大工作應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。雖然在協(xié)調(diào)到位后協(xié)調(diào)器進(jìn)行了小幅度振動(dòng)，但是改進(jìn)后協(xié)調(diào)器彈性位移滿足精度要求，橫向最大變形量降低0.76 mm，說明協(xié)調(diào)器改進(jìn)后相較之前剛度特性得到提升，同時(shí)具有良好的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

2.3 改進(jìn)后協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證

改進(jìn)后協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)如圖9所示，協(xié)調(diào)器在液壓油缸的驅(qū)動(dòng)下繞中心軸點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)協(xié)調(diào)器本體質(zhì)量為mx，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，油壓油缸驅(qū)動(dòng)力為F，其中∠OBA=θ,∠O1OB=α,∠O1OA=β，協(xié)調(diào)臂OC為l1，油缸兩個(gè)鉸接點(diǎn)AB為L(zhǎng)，油缸支點(diǎn)A與中心軸O距離為l4，且兩點(diǎn)相對(duì)位置為l3.

當(dāng)g為重力加速度，τ=μdv/dl為油缸活塞黏性力，F(xiàn)μ為非線性摩擦力矩、外部攪動(dòng)力矩及其他干擾項(xiàng)的總和。由牛頓第二定律可知：

(5)

由原理圖結(jié)構(gòu)可得位置函數(shù)：

Lsinθ=l4sin (α-β),

(6)

(7)

當(dāng)協(xié)調(diào)器空載動(dòng)作時(shí)，液壓油缸驅(qū)動(dòng)力FK為

(8)

當(dāng)協(xié)調(diào)器帶彈動(dòng)作時(shí)，彈丸質(zhì)量為mD，液壓油缸驅(qū)動(dòng)力FD為

(9)

運(yùn)用單自由度剛體動(dòng)力學(xué)等效法進(jìn)行仿真[1],得出協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)方程，使用Simulation X搭建協(xié)調(diào)臂液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)則根據(jù)現(xiàn)有物理學(xué)參數(shù)推算出系統(tǒng)靜態(tài)壓力與平均流量參數(shù)[16]。其中等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je,則協(xié)調(diào)器系統(tǒng)總動(dòng)能為

(10)

式中：質(zhì)心u的速度為vu；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ju；角速度為ωu.

則改進(jìn)前協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

(11)

式中:I1、I2、I3為各齒輪間轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；I4為協(xié)調(diào)器臂及彈丸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；i1、i2、i3為各齒輪間傳動(dòng)比；η1、η2、η3為各齒輪間傳動(dòng)效率。

作用在協(xié)調(diào)臂的等效回轉(zhuǎn)力矩為

Q=2Tdi1η1η2η3-TR+MG,

(12)

協(xié)調(diào)器帶彈情況下對(duì)回轉(zhuǎn)中心的重力矩MG：

MG=l2mgcos(α+σ)+lmDgcos(α+φ),

(13)

式中：σ、φ分別為協(xié)調(diào)器質(zhì)心與托彈盤中彈丸質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心連線與水平線之間的夾角;l為托彈盤中彈丸質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心連接距離。

求解時(shí)，小平衡機(jī)容積具體取值為2.1 L；初始?jí)毫?.2 MPa；電動(dòng)機(jī)各參數(shù)取值為R=0.3 Ω，KT=0.035 N·m/A，額定電壓為26 V;i1、i2、i3分別取值503、172、60；η1、η2、η3均取值0.95；I1、I2、I3、I4根據(jù)情況分別取值8.1、287.1、1 061.0、111.0 kg·mm2.

根據(jù)以上數(shù)據(jù)方程模擬獲得協(xié)調(diào)器隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖10所示。

由圖10(a)可知當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置時(shí)，由于增加了協(xié)調(diào)臂的剛度，協(xié)調(diào)器穩(wěn)定后其后部由于彈性形變所產(chǎn)生的上跳效應(yīng)有所緩解，由圖10(b)可知由于速度曲線在協(xié)調(diào)臂運(yùn)行至預(yù)設(shè)位置前運(yùn)行曲線更為平滑，平滑且穩(wěn)定的動(dòng)力輸出曲線可以有效緩解協(xié)調(diào)器發(fā)生受迫振動(dòng)等不良振動(dòng)。由圖10(c)可以看到改進(jìn)后具有更高的初始加速度，整體運(yùn)行緩和，周期后程的勻減速運(yùn)動(dòng)區(qū)間也相應(yīng)變長(zhǎng)。

當(dāng)協(xié)調(diào)器帶彈質(zhì)量合計(jì)為100 kg時(shí)，以最大仰角區(qū)間范圍作業(yè)，設(shè)定改進(jìn)前后運(yùn)行周期時(shí)間相同，整體運(yùn)行相較于改進(jìn)前，運(yùn)行趨勢(shì)變化不大，但運(yùn)行過程更為平穩(wěn)，協(xié)調(diào)器在運(yùn)行加速區(qū)間內(nèi)，改進(jìn)后的協(xié)調(diào)器初始加速度提高了約23.8%，因此在相同時(shí)間運(yùn)行時(shí)，改進(jìn)后協(xié)調(diào)器的減速區(qū)間時(shí)間更為充裕，區(qū)間時(shí)間提高約16.7%，因此在減速周期內(nèi)運(yùn)行曲線相較于改進(jìn)前曲線表現(xiàn)更為平緩，使得控制運(yùn)行精度相應(yīng)提高。同時(shí)油缸具有一定的吸能作用，綜合效用下協(xié)調(diào)器振動(dòng)會(huì)進(jìn)一步降低，運(yùn)行誤差和不良振動(dòng)引起的部件磨損也會(huì)相應(yīng)減少。

3 結(jié)束語

通過對(duì)某自行加榴炮協(xié)調(diào)器在長(zhǎng)期運(yùn)行中存在的故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析得出是由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出力矩不穩(wěn)定和傳動(dòng)齒輪的誤差共同作用造成的，使得協(xié)調(diào)器產(chǎn)生受迫振動(dòng)，造成協(xié)調(diào)器故障率上升。在分析中還發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)臂剛度不足，也是導(dǎo)致運(yùn)行產(chǎn)生的受迫振動(dòng)及運(yùn)行精度降低的誘因之一。

針對(duì)以上情況，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案和動(dòng)力控制方案，方案單獨(dú)使用了油缸對(duì)協(xié)調(diào)臂進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)加強(qiáng)了協(xié)調(diào)臂的剛度。與原方案相比，改進(jìn)后的協(xié)調(diào)器單獨(dú)使用了油缸為協(xié)調(diào)器提供驅(qū)動(dòng)力。

通過仿真，協(xié)調(diào)動(dòng)作平穩(wěn)，改進(jìn)后效果明顯，協(xié)調(diào)器托彈盤打開時(shí)靜力變形降低58%，運(yùn)行速度曲線更為平緩，協(xié)調(diào)器改進(jìn)前后在相同時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，改進(jìn)后減速段增加約16.7%.改進(jìn)后協(xié)調(diào)器擁有了更優(yōu)的綜合性能，為工程研制提供了重要參考。