電動(dòng)沖量發(fā)生器設(shè)計(jì)與數(shù)值分析

郭保全，李鑫波，欒成龍，黃 通，潘玉田

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2 中北大學(xué)火炮技術(shù)研究中心，太原 030051；3 火箭軍工程大學(xué)兵器發(fā)射理論與技術(shù)軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引言

沖量發(fā)生器作為一種加載試驗(yàn)裝置，通常采用火藥、氣動(dòng)或液動(dòng)原理[1-3]，通過(guò)點(diǎn)燃火藥或壓縮氣液體作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)活塞以獲得期望的速度。沖量發(fā)生器對(duì)于沖擊載荷加載試驗(yàn)，具有顯著縮短研制周期，減少試驗(yàn)成本，節(jié)約經(jīng)費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)；因此，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)沖擊載荷加載試驗(yàn)裝置主要分為以火藥為驅(qū)動(dòng)方式的密閉爆發(fā)器和以高壓氣體為驅(qū)動(dòng)力的氣體炮兩種加載方式。南京理工大學(xué)的楊春霞等針對(duì)密閉爆發(fā)器產(chǎn)生沖擊,用于驅(qū)動(dòng)火炮模擬后坐的方案進(jìn)行了深入的研究[4]；中北大學(xué)的李坤、王立君等研究了氣體炮用于高沖擊載荷試驗(yàn)[3,5]。以密閉爆發(fā)器和氣體炮為代表的高沖擊載荷加載裝置技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但造價(jià)相對(duì)較高，安裝維護(hù)較為復(fù)雜，不適用于一些小型沖擊試驗(yàn)，如鋼絲的沖擊振動(dòng)試驗(yàn)[6]、材料的脆性試驗(yàn)[7]等。因此，相關(guān)學(xué)者又提出了落錘沖擊加載試驗(yàn)裝置[8]，落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)具有簡(jiǎn)單、可靠、可重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)尺寸通常較大，對(duì)被測(cè)件的整體強(qiáng)度要求較大。

文中以某沖擊載荷加載試驗(yàn)為依托，基于碰撞能量轉(zhuǎn)移原理，提出將電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力源的電動(dòng)沖量發(fā)生器設(shè)計(jì)方案。建立了該型電動(dòng)沖量發(fā)生器的數(shù)學(xué)模型，分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)產(chǎn)生沖量的影響，提出了滿足不同沖量要求的模擬試驗(yàn)調(diào)整方案。電動(dòng)沖量發(fā)生器能夠有效的解決小型沖擊載荷加載試驗(yàn)面臨的困境，為小型沖擊試驗(yàn)提供了新的思路。

1 基本原理

新型電動(dòng)沖量發(fā)生器采用電機(jī)作為沖擊動(dòng)力源，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)與齒條固連的碰塊加速，進(jìn)行沖量堆積，以達(dá)到試驗(yàn)所需沖量，并通過(guò)碰塊與被試驗(yàn)件碰撞，將能量快速轉(zhuǎn)移到被試驗(yàn)件，模擬沖擊載荷。該型沖量發(fā)生器主要是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、齒輪、齒條和碰塊組成，其在某沖擊載荷加載試驗(yàn)中的安裝方式如圖1所示。

圖1 某沖擊載荷加載試驗(yàn)裝置

如圖1所示，電機(jī)和減速器固定在臺(tái)架的最低層左側(cè)，齒輪與減速器的輸出軸相連接，布置在臺(tái)架對(duì)稱軸線方向；齒條與齒輪相互配合，滑動(dòng)安裝在臺(tái)架的上層，碰塊安裝在齒條運(yùn)行方向的前端；牽連件負(fù)責(zé)推動(dòng)被試驗(yàn)裝置的運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，與碰塊對(duì)齊布置在臺(tái)架上層，牽連件的碰撞面安裝有緩沖墊，用來(lái)減小沖擊振動(dòng)；被試驗(yàn)裝置的運(yùn)動(dòng)部分與牽連件相連接，安裝在臺(tái)架上層的后端。

當(dāng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)通電運(yùn)行，帶動(dòng)齒輪齒條進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，齒條與碰塊開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到模擬所需沖量時(shí)，齒條和碰塊與牽連件的碰撞面進(jìn)行碰撞，齒輪齒條的傳動(dòng)解脫，齒條運(yùn)行減速，牽連件拉動(dòng)被試驗(yàn)裝置的運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)碰塊質(zhì)量進(jìn)而控制沖量的變化。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 機(jī)械傳動(dòng)模型

電動(dòng)沖量發(fā)生器的動(dòng)力源為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，而沖擊載荷的加載方式通常為直線加載，為了將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，采用齒輪齒條的傳動(dòng)方式。假設(shè)作用在齒輪上的轉(zhuǎn)矩為M，則有：

(1)

式中：mc為齒條質(zhì)量;mp為碰塊質(zhì)量;v為齒條運(yùn)行速度;r為齒輪分度圓半徑;f為齒條摩擦力。

為了在較短的加速行程內(nèi)達(dá)到所需沖量，減小發(fā)生器結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)當(dāng)盡量增大轉(zhuǎn)矩。

設(shè)減速器的減速比為i，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為T,則作用在齒輪上的轉(zhuǎn)矩為：

M=ηiT

(2)

式中η為減速器效率。

2.2 碰撞傳力模型

為了產(chǎn)生合適的沖擊特性，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)碰塊加速，堆積沖量?；谂鲎矀髁υ?，將堆積沖量瞬間轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生沖擊，加載在被測(cè)件上。為建立電動(dòng)沖量發(fā)生器碰撞傳力模型，做出以下假設(shè)：1)碰塊與牽連件碰撞面的公法線與兩物體的質(zhì)心連線重合，碰撞類型為對(duì)心正碰撞；2)碰塊與牽連件組成的碰撞系統(tǒng)無(wú)外碰撞沖量。

根據(jù)動(dòng)量守恒定律有：

(mc+mp)v1+mqv2=(mc+mp)u1+mqu2

(3)

式中：v1為碰撞前碰塊速度;v2為碰撞前牽連件速度;mq為牽連件與被試件運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量和；u1為碰撞后碰塊速度；u2為碰撞后牽連件速度。

碰撞后的恢復(fù)系數(shù)k為：

(4)

碰撞后產(chǎn)生的沖量p為：

(5)

碰撞過(guò)程中的能量損失為：

(6)

式(6)中，β為碰撞質(zhì)量與被碰撞質(zhì)量比值(mc+mp)/mq。

為了提高能量轉(zhuǎn)移效率，碰撞后碰塊的速度應(yīng)當(dāng)盡可能的小，這樣碰撞前的沖量大多轉(zhuǎn)移到牽連件和被試部件上，即需要提高碰撞后的速度差，當(dāng)碰撞前被試部件靜止v2=0時(shí)，由式(4)可知，碰撞后的速度差與恢復(fù)系數(shù)和碰撞前碰塊速度呈正比，可以通過(guò)提高恢復(fù)系數(shù)和碰撞碰塊速度來(lái)提高能量轉(zhuǎn)移效率。由式(6)可知，當(dāng)碰撞前碰塊速度增大時(shí)，碰撞過(guò)程中的能量損失增大；當(dāng)碰撞質(zhì)量與被碰撞質(zhì)量比值β減小時(shí)，能量損失減小。因此，可以通過(guò)減小碰撞質(zhì)量來(lái)減小能量損失。

3 參數(shù)分析

3.1 質(zhì)量比β

碰撞質(zhì)量mc+mp是電動(dòng)沖量發(fā)生器的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。由式(1)可知，碰撞質(zhì)量影響碰撞速度v1，由式(6)可知，碰撞質(zhì)量還與能量轉(zhuǎn)移效率相關(guān)。輸出參數(shù)如表1所示，計(jì)算得齒輪輸出轉(zhuǎn)矩M=102.5 N·m。

表1 電動(dòng)沖量發(fā)生器性能參數(shù)

計(jì)算得碰撞速度隨碰撞質(zhì)量的變化規(guī)律如圖2所示，碰撞速度隨著碰撞質(zhì)量的增加而減小，而碰撞沖量隨碰撞質(zhì)量的增加而增加，這是因?yàn)殡S著質(zhì)量的增加，慣性增大。碰塊速度和被試件的速度隨碰撞質(zhì)量的變化規(guī)律如圖3所示，當(dāng)質(zhì)量比β接近1，即碰撞質(zhì)量與被試件質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，碰撞后的被試件速度到達(dá)最大；當(dāng)質(zhì)量比β小于1時(shí)，由于碰撞質(zhì)量較小，碰撞前的沖量較小，則碰撞后被試件所獲得的沖量也較小；當(dāng)質(zhì)量比β大于1時(shí)，盡管碰撞前的沖量增加，碰撞后的碰塊速度增大使得能量損失也增加，碰撞后被試件所獲得的沖量同樣較小。

圖2 碰撞速度隨碰撞質(zhì)量的變化規(guī)律

圖3 碰塊和被試件的速度隨碰撞質(zhì)量的變化規(guī)律

3.2 恢復(fù)系數(shù)k

恢復(fù)系數(shù)是用來(lái)描述碰撞時(shí)物體變形恢復(fù)能力的參數(shù)，只與碰撞物體的材料有關(guān)。為了提高能量轉(zhuǎn)移效率，選擇常見(jiàn)的幾種材料作為碰撞材料，計(jì)算碰撞后被試件的速度隨碰撞質(zhì)量變化規(guī)律如圖4所示。隨著材料恢復(fù)系數(shù)k的增大，碰撞后被試件的速度也不斷增大，因此，可以通過(guò)在碰撞面設(shè)置恢復(fù)系數(shù)較高的材料而獲得較大的沖量。

圖4 不同材料下被試件的速度隨碰撞質(zhì)量的變化規(guī)律

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

為給某沖擊載荷加載試驗(yàn)提供沖擊動(dòng)力，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種碰撞材料為鋼-鋼的新型電動(dòng)沖量發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 電動(dòng)沖量發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

利用Adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立該型電動(dòng)沖量發(fā)生器動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 碰撞速度變化規(guī)律

圖6 碰撞后速度變化規(guī)律

由表3可知，理論計(jì)算和仿真結(jié)果誤差相對(duì)較小，碰撞完成后，被試件獲得256.25 N·s的沖量，能量轉(zhuǎn)移效率達(dá)到82.3%，滿足試驗(yàn)要求。由圖5可知，理論計(jì)算的主要誤差來(lái)源于電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，在理論計(jì)算中，忽略了電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程，將電機(jī)的輸出過(guò)程簡(jiǎn)化為輸出力矩，而在仿真環(huán)境中，存在著電機(jī)的啟動(dòng)。因此與理論計(jì)算相比，仿真結(jié)果的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，碰撞速度相對(duì)較低，由于碰撞速度的降低，碰撞后碰塊速度和被試件的速度均減小。

表3 計(jì)算結(jié)果 單位：m/s

由圖6可知，碰撞持續(xù)時(shí)間為1.4 ms，碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的平均沖擊力為183.04 kN，該沖擊載荷較大，對(duì)齒輪齒條強(qiáng)度要求過(guò)高，因此如表2所示，對(duì)齒條的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2.5 m，而齒部長(zhǎng)為2 m，即加速長(zhǎng)度為2 m，剩下的0.5 m為光齒部，則齒輪齒條加速2 m后，齒輪和齒條不再存在嚙合，這樣能夠保護(hù)齒輪和齒條受到?jīng)_擊載荷的作用而發(fā)生失效。

5 結(jié)論

提出了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力源的沖量發(fā)生器，建立了該型電動(dòng)沖量發(fā)生器的數(shù)學(xué)模型，分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響，提出了滿足不同沖量要求的模擬試驗(yàn)調(diào)整方案，得出以下結(jié)論：

1)電動(dòng)沖量發(fā)生器由于電動(dòng)機(jī)固有屬性影響，主要適用于小型沖擊載荷的加載試驗(yàn)，且在小型沖擊載荷加載試驗(yàn)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

2)碰撞質(zhì)量和被碰撞質(zhì)量的比值對(duì)電動(dòng)沖量發(fā)生器影響較大，可以通過(guò)調(diào)整碰撞部分的碰塊質(zhì)量來(lái)改變碰撞質(zhì)量，進(jìn)而調(diào)節(jié)沖量大小，一般當(dāng)質(zhì)量比值接近于1時(shí)，碰撞后被試件的運(yùn)行速度較大。

3)碰撞材料的恢復(fù)系數(shù)對(duì)沖量也會(huì)產(chǎn)生影響，可以通過(guò)在碰撞面設(shè)置恢復(fù)系數(shù)較高的材料而獲得較大的沖量。

4)通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)新型電動(dòng)沖量發(fā)生器可以較好地模擬試驗(yàn)所需的沖量，為進(jìn)一步搭建沖擊試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。