某火炮藥協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)與控制一體化建模與分析

楊 寧,尹 強(qiáng),李軍偉,羊 柳

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.中國(guó)人民解放軍陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局 駐南京地區(qū)第四軍事代表室,江蘇 南京 210000)

火炮藥協(xié)調(diào)器作為彈藥自動(dòng)裝填中的一個(gè)重要組成部件,是連接藥倉(cāng)與輸藥機(jī)的紐帶,負(fù)責(zé)將接收到的模塊藥傳輸至炮尾并使藥軸線與炮膛軸線對(duì)齊。其主要由電機(jī)、減速器、協(xié)調(diào)臂、電動(dòng)缸和輸藥機(jī)組成,是典型的機(jī)電系統(tǒng)。

機(jī)械和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析過(guò)程中的獨(dú)立性往往會(huì)加大獲得整體系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的難度,而應(yīng)用機(jī)電一體化聯(lián)合仿真方法不僅可以對(duì)藥協(xié)調(diào)器進(jìn)行整體分析,基于仿真的故障輸入方法也能顯著提升故障分析效率,并得到不同因素對(duì)協(xié)調(diào)到位可靠性的定量影響程度。文獻(xiàn)[2]利用Adams和Matlab搭建了機(jī)器人手臂的聯(lián)合仿真模型并進(jìn)行了聯(lián)合仿真,結(jié)果證明此模型具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和準(zhǔn)確的軌跡跟蹤能力。文獻(xiàn)[3]利用Adams和AMEsim構(gòu)建了某火炮藥協(xié)調(diào)器液壓系統(tǒng)仿真模型,并以Adams為主程序進(jìn)行交互仿真,反映了實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用Adams與Matlab/Simulink 聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)并聯(lián)機(jī)床進(jìn)行控制中的參數(shù)整定,解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中機(jī)械和控制系統(tǒng)不匹配問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]聯(lián)合Adams與Matlab軟件,實(shí)現(xiàn)了藥協(xié)調(diào)器的機(jī)電液一體化仿真,為復(fù)雜機(jī)電液一體化仿真提供了參考。宋華斌等利用Adams建立了協(xié)調(diào)器虛擬樣機(jī)模型,仿真計(jì)算后得出沖擊振動(dòng)環(huán)境會(huì)對(duì)協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)定位精度產(chǎn)生較大不利影響的結(jié)論。管佳偉等利用Adams與Matlab對(duì)藥倉(cāng)推藥鏈實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合仿真,為優(yōu)化實(shí)際工程中的機(jī)械系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。冷華杰等利用Adams與Matlab聯(lián)合仿真系統(tǒng)探究了不同齒輪間隙對(duì)炮控系統(tǒng)性能的影響,為后續(xù)物理樣機(jī)的研究提供了思路。胡鑫等針對(duì)火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的位置控制,提出了一種變系數(shù)誤差平方根和帶前饋的 PID分段控制策略,獲得了較高的定位精度和跟蹤精度。張學(xué)飛等運(yùn)用Adams和AMEsim建立了彈協(xié)調(diào)器的聯(lián)合仿真模型,進(jìn)行故障仿真后得到了不同參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響規(guī)律。

本文對(duì)某火炮全電藥協(xié)調(diào)器的原理與各組成部件的功能進(jìn)行了分析,利用專業(yè)軟件分別建立了機(jī)械和電控子系統(tǒng)模型,并通過(guò)接口技術(shù)建立了電動(dòng)藥協(xié)調(diào)器的機(jī)電一體化仿真模型,基于模型分析了協(xié)調(diào)動(dòng)作與調(diào)姿動(dòng)作動(dòng)態(tài)變化曲線,并利用實(shí)際試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了多方位驗(yàn)證,最終完成了故障仿真研究,分析了不同因素對(duì)藥協(xié)調(diào)器到位精度的影響程度。

1 火炮藥協(xié)調(diào)器原理介紹及工況分析

1.1 火炮藥協(xié)調(diào)器工作原理介紹

藥協(xié)調(diào)器由電機(jī)、減速器、協(xié)調(diào)臂、伺服電動(dòng)缸、輸藥機(jī)構(gòu)成,利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與伺服電動(dòng)缸的伸出與收回,實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)臂與輸藥機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。其中電機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)動(dòng)作,伺服電動(dòng)缸負(fù)責(zé)調(diào)姿動(dòng)作。藥協(xié)調(diào)器的三維模型如圖1所示。協(xié)調(diào)過(guò)程為藥協(xié)調(diào)臂在永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)至接藥位,接著伺服電動(dòng)缸收縮,使輸藥機(jī)繞調(diào)姿軸轉(zhuǎn)動(dòng)至與藥倉(cāng)軸線重合的位置,并從藥倉(cāng)接取模塊藥,之后電機(jī)反轉(zhuǎn)使藥協(xié)調(diào)臂轉(zhuǎn)動(dòng)至輸藥位,并控制調(diào)姿電缸伸出,使輸藥機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至與身管軸線重合的位置,最后輸藥電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸藥鏈條將模塊藥輸送至炮膛。

圖1 藥協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

1.2 火炮藥協(xié)調(diào)器的工況分析

圖2為協(xié)調(diào)臂工作原理圖。圖中,為重心到耳軸的距離。為建立藥協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)模型,做如下假設(shè):

圖2 協(xié)調(diào)臂工作原理圖

①由于調(diào)姿運(yùn)動(dòng)相對(duì)于協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)受力及角度變化較小,此處將輸藥機(jī)與伺服電動(dòng)缸看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)與協(xié)調(diào)臂固連;

②協(xié)調(diào)臂與輸藥機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與耳軸連接,在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞點(diǎn)上下擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)垂直方向的協(xié)調(diào)動(dòng)作。

由達(dá)朗貝爾原理得藥協(xié)調(diào)器的動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

式中:為藥協(xié)調(diào)器的質(zhì)量,為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為電機(jī)經(jīng)減速器輸出力矩,為摩擦力矩,為擾動(dòng)力矩,為協(xié)調(diào)角度。

電機(jī)輸出功率為

(2)

式中:為藥協(xié)調(diào)器實(shí)際轉(zhuǎn)速,為傳輸效率。

該火炮藥協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架可以實(shí)現(xiàn)0°～45°協(xié)調(diào)(順時(shí)針協(xié)調(diào)為正,逆時(shí)針協(xié)調(diào)為負(fù)),藥筒內(nèi)最多可存放6塊模塊藥,下擺至輸藥位時(shí)序要求0.8 s,調(diào)姿時(shí)序?yàn)?.2 s;上擺至接藥位時(shí)序?yàn)?.8 s,現(xiàn)選取2種典型工況進(jìn)行分析。

①典型工況一。藥協(xié)調(diào)器空載上擺至接藥位,空載質(zhì)量為94.4 kg,目標(biāo)轉(zhuǎn)角為45°。

計(jì)算可得電機(jī)經(jīng)減速器輸出力矩為=1 599.4 N·m,電機(jī)輸出功率=3.49 kW。

②典型工況二。藥協(xié)調(diào)器滿載下擺至輸藥位,滿載質(zhì)量為114.4 kg,目標(biāo)轉(zhuǎn)角為45°。

計(jì)算可得電機(jī)經(jīng)減速器輸出力矩=1 692.12 N·m,電機(jī)輸出功率=3.69 kW。

由上述典型工況分析可得,典型工況二對(duì)電機(jī)的負(fù)載能力要求較高,電機(jī)僅在開(kāi)始瞬間進(jìn)行加速,后面都是起減速作用,工況相對(duì)復(fù)雜,在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)協(xié)調(diào)到位不準(zhǔn)確的情況,需要對(duì)工況二進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2 藥協(xié)調(diào)器建模與聯(lián)合仿真

2.1 藥協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)建模

利用Adams建立藥協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)模型。如圖3所示,電機(jī)與減速器輸入盤(pán)之間,減速器輸出盤(pán)與協(xié)調(diào)臂之間,花鍵與減速器之間,耳軸與地面之間,調(diào)姿軸與鏈盒之間,槽鋼與輸藥筒之間,調(diào)姿電機(jī)與伺服電動(dòng)缸之間,添加固定約束;減速器輸入軸與減速器之間,協(xié)調(diào)臂、耳軸之間,協(xié)調(diào)臂末端、調(diào)姿軸之間,電缸軸與電缸伸出軸之間、伺服電動(dòng)缸與電缸底座之間,添加旋轉(zhuǎn)副約束;電缸伸出軸與伺服電動(dòng)缸之間添加移動(dòng)副約束。并將三維建模平臺(tái)中對(duì)各部件進(jìn)行質(zhì)量屬性分析后獲得的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量輸入至動(dòng)力學(xué)分析平臺(tái)中。最后,減速器輸出盤(pán)上添加驅(qū)動(dòng)力矩代替永磁同步電機(jī)經(jīng)減速器后輸出的繞耳軸方向的扭矩;伺服電動(dòng)缸伸出軸上添加驅(qū)動(dòng)力作為伺服電動(dòng)缸沿伸出軸方向的推力,并在其伸出路徑上添加相應(yīng)摩擦;花鍵與耳軸、耳軸與軸承之間添加接觸與相應(yīng)摩擦;設(shè)置重力沿軸負(fù)方向。

圖3 藥協(xié)調(diào)器多剛體虛擬樣機(jī)模型

2.2 藥協(xié)調(diào)器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為建立藥協(xié)調(diào)器控制子系統(tǒng)模型,首先根據(jù)滿載下擺工況,設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)動(dòng)作與調(diào)姿動(dòng)作的期望軌跡,如圖4和圖5所示。

圖4 協(xié)調(diào)動(dòng)作理想軌跡曲線

圖5 調(diào)姿動(dòng)作理想軌跡曲線

滿載工況下,藥協(xié)調(diào)器下擺進(jìn)行協(xié)調(diào),時(shí)序?yàn)?.8 s,目標(biāo)轉(zhuǎn)角為45°;伺服電動(dòng)缸伸出進(jìn)行調(diào)姿,時(shí)序?yàn)?.2 s,目標(biāo)位移為24 mm。

①協(xié)調(diào)動(dòng)作?？紤]到協(xié)調(diào)初末的振動(dòng),分為5個(gè)階段,即初始位置階段0.1 s、勻加速運(yùn)動(dòng)階段0.2 s、勻速運(yùn)動(dòng)階段0.2 s、勻減速運(yùn)動(dòng)階段0.2 s和末端位置階段0.1 s,其中勻加速運(yùn)動(dòng)階段角加速度為10 rad/s,勻速運(yùn)動(dòng)階段角速度為2 rad/s,勻減速運(yùn)動(dòng)階段角加速度為-10 rad/s。

②調(diào)姿動(dòng)作?？紤]到伺服電動(dòng)缸穩(wěn)定性高的特點(diǎn),分為3個(gè)階段,即勻加速運(yùn)動(dòng)階段0.4 s、勻速運(yùn)動(dòng)階段0.4 s、 勻減速運(yùn)動(dòng)階段0.4 s, 其中勻加速運(yùn)動(dòng)階段加速度為75 mm/s,勻速運(yùn)動(dòng)階段速度為30 mm/s,勻減速運(yùn)動(dòng)階段加速度為-75 mm/s。

為使其實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線盡可能貼合理想規(guī)劃曲線,這里采用PID控制算法對(duì)藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)與調(diào)姿動(dòng)作進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為

(3)

()=-

(4)

式中:為理想軌跡給定值,為系統(tǒng)實(shí)際輸出值,()為控制偏差,()為系統(tǒng)控制量函數(shù);,,分別為比例增益系數(shù)、積分增益系數(shù)、微分增益系數(shù)。

2.3 藥協(xié)調(diào)器聯(lián)合仿真系統(tǒng)搭建

Simulink與Adams的聯(lián)合仿真基本原理如圖6所示。圖中,輸入變量一般為控制系統(tǒng)軟件輸入到虛擬樣機(jī)系統(tǒng)里的受控量或外界需要傳送到虛擬系統(tǒng)里讓樣機(jī)感知的變量,如驅(qū)動(dòng)力矩、驅(qū)動(dòng)力等;輸出變量是虛擬系統(tǒng)輸出到控制系統(tǒng)中的反饋?zhàn)兞?如角度、角速度及位移等。

圖6 聯(lián)合仿真系統(tǒng)原理圖

根據(jù)上述原理,搭建藥協(xié)調(diào)器聯(lián)合仿真系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 藥協(xié)調(diào)器聯(lián)合仿真系統(tǒng)圖

Adams環(huán)境輸入變量為協(xié)調(diào)力矩和調(diào)姿力,輸出變量為協(xié)調(diào)角度、協(xié)調(diào)角速度、調(diào)姿位移和調(diào)姿速度。將這些變量與其在模型中對(duì)應(yīng)位置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián),并利用Adams中的Control模塊將虛擬樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成Simulink中的子系統(tǒng)模塊。最終將Adams_sub模塊復(fù)制到新建的Simulink環(huán)境中。

3 仿真結(jié)果分析

上述工作結(jié)束后,進(jìn)行藥協(xié)調(diào)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真,首先,設(shè)置仿真總時(shí)間為2 s,包括協(xié)調(diào)動(dòng)作0.8 s,調(diào)姿動(dòng)作1.2 s;設(shè)置Adams與Simulink之間數(shù)據(jù)通信間隔為0.001 s,并采用變步長(zhǎng)的Ode45求解器進(jìn)行交互式仿真。

3.1 協(xié)調(diào)動(dòng)作仿真分析

藥協(xié)調(diào)器滿載工況下,由接藥位下擺45°至輸藥位,協(xié)調(diào)動(dòng)作輸入信號(hào)為階躍信號(hào),仿真結(jié)果圖8～圖10所示。

圖8 藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)角度仿真曲線與規(guī)劃曲線對(duì)比圖

由圖8可以看出,整個(gè)協(xié)調(diào)過(guò)程具有良好的響應(yīng)特性和軌跡跟蹤特性,藥協(xié)調(diào)器能夠快速響應(yīng)到系統(tǒng)指定的目標(biāo)位置。如圖9所示,協(xié)調(diào)過(guò)程中最大晃動(dòng)誤差為+0.34°,表明運(yùn)動(dòng)過(guò)程較平穩(wěn);最終協(xié)調(diào)角度為45°,符合±0.1°的到位精度要求范圍。如圖10所示,由于花鍵磨損及軸承摩擦阻力的影響,在加速與減速末端誤差曲線會(huì)有輕微震蕩,但在隨后協(xié)調(diào)的過(guò)程中,誤差逐漸消除。綜上所述,采用PID控制系統(tǒng),藥協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)模型協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)符合規(guī)劃預(yù)期。

圖9 藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)角度仿真曲線與規(guī)劃曲線偏差圖

圖10 藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)角速度變化曲線圖

3.2 調(diào)姿動(dòng)作仿真分析

藥協(xié)調(diào)器滿載工況下,伺服電動(dòng)缸伸出24 mm,調(diào)姿動(dòng)作輸入信號(hào)亦為階躍信號(hào),仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 藥協(xié)調(diào)器調(diào)姿位移仿真曲線與規(guī)劃曲線對(duì)比圖

圖12 藥協(xié)調(diào)器調(diào)姿位移仿真曲線與規(guī)劃曲線偏差圖

圖13 藥協(xié)調(diào)器調(diào)姿速度變化曲線圖

由圖11可以看出,1.2 s的仿真時(shí)間內(nèi),電缸伸出軸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),其位移仿真曲線與規(guī)劃曲線基本貼合。如圖12所示,調(diào)姿位移到位誤差為+0.12 mm,符合實(shí)際工程運(yùn)用中到位誤差不超過(guò)±0.5 mm的要求。如圖13所示,由于摩擦阻力及誤差傳遞的影響,在加速與減速末端誤差曲線會(huì)有輕微震蕩,但在隨后的調(diào)姿過(guò)程中,誤差逐漸消除。綜上所述,采用PID控制系統(tǒng),藥協(xié)調(diào)器動(dòng)力學(xué)模型調(diào)姿運(yùn)動(dòng)符合規(guī)劃預(yù)期。

4 實(shí)際協(xié)調(diào)測(cè)試

為驗(yàn)證聯(lián)合仿真模型協(xié)調(diào)過(guò)程的準(zhǔn)確性,搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架,對(duì)某火炮藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)角度進(jìn)行測(cè)試。藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)角度利用CFM58N型絕對(duì)式編碼器測(cè)得,并實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng),采樣頻率為1 kHz,其安裝示意圖如圖14所示。

圖14 編碼器安裝示意圖

該編碼器與底座通過(guò)4個(gè)內(nèi)六角螺栓安裝在藥協(xié)調(diào)器架體上,并與編碼器齒弧彈性嚙合,保證了其較高的準(zhǔn)確度。本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中,為保護(hù)協(xié)調(diào)臂,防止其與下限位發(fā)生撞擊,設(shè)置實(shí)際協(xié)調(diào)角度為44°。

藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)角度信號(hào)多次測(cè)試的數(shù)據(jù)重復(fù)性良好,可作為對(duì)比信號(hào),對(duì)比結(jié)果如圖15所示。

圖15 協(xié)調(diào)角度實(shí)測(cè)曲線、仿真曲線、規(guī)劃曲線對(duì)比圖

實(shí)測(cè)過(guò)程中,由于存在花鍵、耳軸磨損及軸承摩擦阻力,在電機(jī)換向階段不可避免會(huì)產(chǎn)生沖擊與振動(dòng),導(dǎo)致曲線在0.45 s時(shí)出現(xiàn)一定波動(dòng)。而仿真過(guò)程中花鍵、耳軸磨損與軸承摩擦阻力相對(duì)理想化,仿真曲線走勢(shì)更加接近規(guī)劃曲線。綜上所述,協(xié)調(diào)角度規(guī)劃曲線、仿真曲線、實(shí)測(cè)曲線三者的走勢(shì)整體吻合,證明該聯(lián)合仿真模型協(xié)調(diào)過(guò)程具有較高的精度,可作為揭示協(xié)調(diào)不到位現(xiàn)象有力的分析工具。

5 故障仿真分析

藥協(xié)調(diào)器實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,最常出現(xiàn)的故障現(xiàn)象是協(xié)調(diào)不到位,這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)卡滯停射,不能正常工作。本文針對(duì)協(xié)調(diào)不到位的現(xiàn)象,結(jié)合實(shí)際故障統(tǒng)計(jì)以及故障機(jī)理分析,選取了花鍵磨損、軸承局部損傷2種典型故障模式,對(duì)協(xié)調(diào)過(guò)程進(jìn)行故障仿真分析。

5.1 花鍵磨損

藥協(xié)調(diào)器的傳動(dòng)系統(tǒng)是由電機(jī)輸出軸齒輪輸入扭矩給減速器,利用花鍵與耳軸配合抵消減速器內(nèi)圈自由度,最終釋放減速器外圈自由度來(lái)帶動(dòng)藥協(xié)調(diào)器進(jìn)行協(xié)調(diào)動(dòng)作。因?yàn)槎S到藥協(xié)調(diào)器末端的距離達(dá)1 800 mm,所以減速器輸出端花鍵與耳軸配合精度的微小改變將直接影響藥協(xié)調(diào)的到位精度,加上藥協(xié)調(diào)器長(zhǎng)期處于惡劣的工作環(huán)境中,花鍵與耳軸間不可避免會(huì)混入一些雜質(zhì),在交變載荷的作用下,花鍵產(chǎn)生磨損。為方便研究,假設(shè)藥協(xié)調(diào)器在工作過(guò)程中耳軸內(nèi)花鍵套未出現(xiàn)磨損,磨損僅出現(xiàn)在花鍵上,且花鍵的磨損是均勻的。

藥協(xié)調(diào)器滿載下擺工況下,要求協(xié)調(diào)角度到位誤差范圍位于-0.1°～0.1°之間?；ㄦI為8齒矩形花鍵,外徑為56 mm,周長(zhǎng)≈176 mm,單齒側(cè)磨損量為

(5)

由上可知,當(dāng)單齒側(cè)磨損量大于0.05 mm,即導(dǎo)致協(xié)調(diào)不到位。現(xiàn)于聯(lián)合仿真模型中注入不同的花鍵磨損量來(lái)模擬花鍵磨損,如圖16所示。保持控制策略及其他參數(shù)不變的情況下進(jìn)行聯(lián)合仿真,獲得花鍵磨損狀態(tài)下藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)動(dòng)作相關(guān)運(yùn)動(dòng)特性,如圖17所示。

圖16 花鍵磨損示意圖

圖17 花鍵在不同磨損量下協(xié)調(diào)角度仿真對(duì)比圖

由圖17可以看出,花鍵在不同磨損量下,協(xié)調(diào)角度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)大致相同,但隨著磨損量的增加,協(xié)調(diào)過(guò)程角度波動(dòng)愈加明顯,到位角度逐漸變大。磨損量為0.1 mm時(shí),協(xié)調(diào)過(guò)程中角度晃動(dòng)最大值達(dá)到了46.4°,說(shuō)明整個(gè)藥協(xié)調(diào)過(guò)程很不平穩(wěn),實(shí)際工作過(guò)程中,會(huì)與機(jī)械限位產(chǎn)生猛烈撞擊,損壞協(xié)調(diào)臂;藥協(xié)調(diào)器在1.135 s時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作結(jié)束,未在時(shí)序0.8 s內(nèi)協(xié)調(diào)到位,說(shuō)明花鍵磨損導(dǎo)致藥協(xié)調(diào)器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生抖動(dòng),影響了協(xié)調(diào)的到位精度,藥協(xié)調(diào)器無(wú)法停止在45°輸藥位,存在穩(wěn)態(tài)誤差。由于花鍵磨損產(chǎn)生了間隙,在重力的作用下,最終協(xié)調(diào)角度為45.2°,不在-0.1°～0.1°的到位精度要求范圍內(nèi)。磨損量為0.2 mm時(shí),由于存在花鍵磨損,仿真曲線在0.1 s加速段及0.5減速段附近出現(xiàn)較大波動(dòng)及峰值,且藥協(xié)調(diào)器在1.15 s時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作結(jié)束,未在時(shí)序0.8 s內(nèi)協(xié)調(diào)到位,最終協(xié)調(diào)角度增至45.5°,遠(yuǎn)超過(guò)到位精度要求范圍?；ㄦI發(fā)生磨損時(shí)不僅會(huì)影響協(xié)調(diào)到位的時(shí)間、精度,還易損壞機(jī)械及電子元器件。

5.2 軸承局部損傷

軸承作為協(xié)調(diào)臂與耳軸間起支撐作用和減小載荷摩擦系數(shù)的部件,對(duì)藥協(xié)調(diào)器到位精度有著重要的影響。實(shí)際工況中,在重力的作用下,滾動(dòng)軸承承受藥協(xié)調(diào)器產(chǎn)生的2 kN徑向載荷,其內(nèi)圈下表面始終受載,加上長(zhǎng)期惡劣環(huán)境的影響,其內(nèi)外圈滾道易產(chǎn)生磨損、金屬剝落等故障,導(dǎo)致軸承摩擦系數(shù)變大,進(jìn)而產(chǎn)生較大的摩擦力矩,而軸承的振動(dòng)與噪聲主要是由軸承內(nèi)部的摩擦力矩引起。摩擦系數(shù)與摩擦力矩是評(píng)價(jià)軸承摩擦的2種方法,它們是互相關(guān)聯(lián)的,關(guān)系為

=2()

(6)

式中:為摩擦力矩,為摩擦系數(shù),為軸承載荷,為軸承公稱內(nèi)徑。

現(xiàn)保證其他參數(shù)不變,通過(guò)改變軸承的摩擦系數(shù)來(lái)模擬分析軸承摩擦力矩增大導(dǎo)致的藥協(xié)調(diào)不到位的現(xiàn)象。仿真環(huán)境中,給整個(gè)模型施加重力加速度9.8 m/s,選用Impact沖擊碰撞函數(shù)來(lái)模擬軸承接觸,同時(shí)設(shè)置Friction Force函數(shù)。正常工作情況下,圓柱滾子軸承的摩擦系數(shù)在0.000 8～0.001 2之間,為了提高可比性,進(jìn)行多次仿真,選取其中具有代表性的運(yùn)動(dòng)特性曲線進(jìn)行分析,如圖18和圖19所示。

由圖18可知,協(xié)調(diào)角度整體趨勢(shì)變化基本符合理想角度仿真曲線,但隨著動(dòng)摩擦系數(shù)的增大,協(xié)調(diào)角度出現(xiàn)低頻大幅波動(dòng)。動(dòng)摩擦系數(shù)=0.01時(shí),摩擦力矩的增大導(dǎo)致協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)無(wú)法滿足到位精度要求,仿真中藥協(xié)調(diào)器無(wú)法停止在末位,存在穩(wěn)態(tài)誤差,到0.8 s時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)仍然沒(méi)有停止,協(xié)調(diào)角度一直在45°附近波動(dòng);摩擦系數(shù)=0.05時(shí),藥協(xié)調(diào)器在協(xié)調(diào)過(guò)程中發(fā)生周期性大幅晃動(dòng),協(xié)調(diào)到位更加困難,且未按時(shí)序到位,說(shuō)明摩擦力矩的增加對(duì)藥協(xié)調(diào)器受力造成了較大影響。當(dāng)繼續(xù)增大摩擦系數(shù)時(shí),系統(tǒng)將無(wú)法正常工作,導(dǎo)致協(xié)調(diào)失敗。由此可以預(yù)測(cè),當(dāng)重復(fù)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作時(shí),誤差會(huì)不斷累加,最終會(huì)導(dǎo)致藥協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)動(dòng)作出現(xiàn)錯(cuò)誤。從圖19可以得出,兩組協(xié)調(diào)角度誤差曲線均連續(xù)出現(xiàn)了較大的峰值,其中0～0.8 s間協(xié)調(diào)角度波動(dòng)頻率較高,這是由于存在較大的摩擦力矩,使得協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)階段加速度增大導(dǎo)致的;由圖19可以明顯看出,=0.05相對(duì)于=0.01時(shí)的角度誤差范圍變化更大,其中=0.05時(shí)誤差最大值更是達(dá)到了2.2°,最小值也到了-1°,說(shuō)明軸承局部損傷,藥協(xié)調(diào)器工作過(guò)程波動(dòng)明顯,運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn),會(huì)對(duì)藥協(xié)調(diào)器上下限位及協(xié)調(diào)臂的可靠性造成威脅。

圖18 不同摩擦系數(shù)下協(xié)調(diào)角度仿真對(duì)比圖

圖19 不同摩擦系數(shù)下協(xié)調(diào)角度誤差對(duì)比圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了火炮藥協(xié)調(diào)機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型,得出以下結(jié)論:

①協(xié)調(diào)動(dòng)作的角度規(guī)劃曲線、仿真曲線、實(shí)測(cè)曲線三者的走勢(shì)整體吻合,調(diào)姿動(dòng)作的位移規(guī)劃曲線、仿真曲線基本貼合,證明該聯(lián)合仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。

②對(duì)花鍵磨損和軸承局部損傷兩類故障進(jìn)行了仿真研究,研究結(jié)果表明,花鍵磨損量及軸承摩擦系數(shù)越大,協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)角度波動(dòng)越大,協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)越不穩(wěn)定?；诼?lián)合仿真的故障注入方法可以為協(xié)調(diào)到位可靠性的影響因素分析提供參考,分析結(jié)果可為系統(tǒng)故障分析提供依據(jù)。