某火炮取彈裝置故障仿真分析

李志剛,羊 柳,尹 強,趙 飛,王 健

(1.南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094;2.中國人民解放軍63850部隊,吉林 白城 137001)

隨著科學技術的飛速發(fā)展,軍事戰(zhàn)場日趨現(xiàn)代化,對中大口徑火炮系統(tǒng)的發(fā)射速度也有了更高的要求。自動裝填技術不同于以往的人工裝填,可以在很大程度上實現(xiàn)火炮自動化,是提高火炮射速的關鍵技術之一。供彈系統(tǒng)是自動裝填系統(tǒng)的一部分,在自動裝填系統(tǒng)中發(fā)揮至關重要的作用。供彈系統(tǒng)在裝填過程中,取彈裝置會受到碰撞沖擊,還會存在驅(qū)動齒輪故障等狀況。提高彈丸取送過程的速度和穩(wěn)定性對于火炮提升射速至關重要。因此,分析取彈裝置取彈送彈過程的動態(tài)特性具有重要的實際意義。

本文采用動力學仿真軟件和控制仿真軟件建立取彈裝置聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型,并對該模型進行動態(tài)分析。選取驅(qū)動齒輪的磨損故障和滾動軸承的疲勞脫落故障,分析驅(qū)動齒輪的不同磨損狀態(tài)和滾動軸承的疲勞脫落狀態(tài)對取彈裝置伸縮過程速度和到位精度的影響。該方法可為供彈系統(tǒng)磨損機理和故障診斷方面的研究提供一定的參考。

1 取彈裝置的工作原理

取彈裝置的結(jié)構主要包括:主體、抱爪、滑板、齒條、限位塊、底板、座圈和伸縮電機等,如圖1所示。

圖1 取彈裝置結(jié)構圖

取彈裝置的工作原理:伸縮電機輸出端連接減速器,減速器與驅(qū)動齒輪同軸連接。當取彈裝置開始送彈取彈工作時,系統(tǒng)對伸縮電機發(fā)出指令,伸縮電機為驅(qū)動齒輪提供驅(qū)動力矩,驅(qū)動齒輪與齒條嚙合,齒條與滑板固定,故驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動會帶動整個取彈裝置工作,驅(qū)動齒輪與編碼器同軸相連接,滑板的實時位移會被編碼器檢測到并反饋給控制系統(tǒng),從而確保取彈裝置伸縮動作的位置精度。

2 聯(lián)合仿真模型建立

2.1 動力學模型的建立

根據(jù)取彈裝置各部分結(jié)構的相對位置以及裝配關系,在建模軟件中建立其三維模型,然后將三維模型保存為x_t文件格式,并導入到動力學仿真軟件中,達到模型的精準建立。本文主要針對取彈裝置的伸縮運動進行研究,故在建模過程中,將不存在相對運動的結(jié)構進行布爾加計算或添加固定副。對存在相對運動的結(jié)構,依據(jù)其運動關系添加旋轉(zhuǎn)副、滑動副并設置接觸,將相關參數(shù)修改為實際值。最終模型如圖2所示。在三維建模軟件中分析取彈裝置各結(jié)構的質(zhì)量屬性,并在動力學仿真軟件中輸入其質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置,從而確保得到精確的取彈裝置仿真模型。模型各部件拓撲關系為主體和滑板之間通過固定副連接,座圈與大地為固定副連接,驅(qū)動齒輪輪與大地為轉(zhuǎn)動副連接。

圖2 動力學模型

2.2 聯(lián)合仿真系統(tǒng)搭建

選用控制仿真軟件建立取彈裝置模型,聯(lián)合仿真系統(tǒng)由兩部分搭建,一部分是從控制仿真軟件中導出的機械子系統(tǒng)模塊,另一部分是軟件中的控制模塊。采用如圖3所示的PID控制算法對驅(qū)動齒輪進行控制。以取彈裝置理想位移曲線與仿真得到的實際位移曲線的誤差作為控制量,實時調(diào)整驅(qū)動齒輪端的輸入力矩。

圖3 聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型

3 仿真與試驗驗證

為保證取彈裝置模型的正確性和精度,本文采用實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比校核的方法來驗證仿真模型。在某自動裝填系統(tǒng)實驗臺架上采得取彈裝置滑板伸縮位移、伸縮速度等數(shù)據(jù)。

由于取彈裝置伸縮過程會根據(jù)負載的不同設置不同的時序要求,所以試驗測試分為兩種工況。第一種是帶彈伸縮,即在控制系統(tǒng)中發(fā)送1 s的時序指令;第二種是空載伸縮,即在控制系統(tǒng)發(fā)送0.6 s的時序指令。

仿真實驗中設置與實驗相同的指令,采集聯(lián)合仿真模型輸出的兩種工況下的伸縮位移和伸縮速度。模型輸出曲線與實測曲線分工況進行對比,結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 帶彈位移曲線圖

圖5 帶彈速度曲線圖

圖6 空載位移曲線圖

圖7 空載速度曲線圖

表1為實測與仿真的對比結(jié)果。從最大誤差、平均誤差及標準差的值可看出仿真結(jié)果與實測結(jié)果是十分接近,模型具有較高的可信度。

表1 實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比

4 故障仿真分析

自動裝填系統(tǒng)作為一個復雜的機電集成系統(tǒng),工作過程中會出現(xiàn)各類故障類型,并且由于各種因素的耦合,還會形成各類故障現(xiàn)象。通過分析常見的故障機理以及故障統(tǒng)計,本文選取驅(qū)動齒輪磨損和軸承疲勞脫落這兩個典型故障,對取彈裝置伸縮過程進行故障分析。

4.1 齒輪磨損計算模型

齒輪嚙合位置的變化會導致嚙合剛度發(fā)生變化。當輪齒齒條嚙合時,嚙合點處的嚙合剛度可表示為

(1)

式中:1為齒輪;2為齒條;b為剪切與壓縮變形后的剛度;h為Hertz接觸變形后的剛度。其中齒輪剛度b具體表示為

(2)

將輪齒劃分為個面積單位,每個面積單位都有矩形截面的短梁。式(2)中:為截面剛度系數(shù);為齒輪泊松比;為面積單位短梁厚度;為橫截面積;為微元面積到截面軸線距離乘積;為面積單位與嚙合處的距離;為嚙合處對應的壓力角;為嚙合處距輪齒中性層的距離。剛度h是一個常數(shù),其表達式為

(3)

式中:為實際接觸齒寬;,為兩齒輪彈性模量;,為兩齒輪泊松比。

齒輪均勻磨損導致面積單位的與發(fā)生改變,從而導致嚙合剛度降低。假定為面積單位的磨損深度,當齒輪發(fā)生均勻磨損,′與′分別變?yōu)?/p>

′=-

(4)

′=-(-)

(5)

式中:為微元處齒面距輪齒中性層的距離。

4.2 齒輪磨損故障仿真

取彈裝置的伸縮動力來源于電機驅(qū)動齒輪運轉(zhuǎn),從而帶動和滑板固定的齒條移動,其裝配關系如圖8所示。在取彈裝置進行伸縮動作的時候,驅(qū)動齒輪和固定在滑板上的齒條會反復嚙合,嚙合過程會產(chǎn)生不可避免的沖撞,造成嚙合面磨損。當磨損量達到某種程度,就會間接影響傳動效率和取彈裝置的到位精度。而一旦因為磨損故障導致取彈裝置的伸縮動作受到影響,就可能會產(chǎn)生取彈卡滯、送彈不到位等狀況,從而影響供彈系統(tǒng)性能。

圖8 齒輪齒條系統(tǒng)裝配圖

磨損是零部件失效的一種基本類型,通常是指零部件的幾何尺寸(體積)變小。磨損會對機械性能造成影響,從而造成機械故障,使其無法達到正常工作狀態(tài)。由于磨損是一個復雜的隨機過程,并且齒輪齒條嚙合時,齒條的每一個齒與驅(qū)動齒輪的齒只嚙合一次,而驅(qū)動齒輪的每個齒輪嚙合了很多次,所以磨損較快。故針對齒輪磨損故障研究時,假設驅(qū)動齒輪上出現(xiàn)均勻磨損情況,且齒條沒有發(fā)生磨損。當驅(qū)動齒輪出現(xiàn)磨損時,其幾何尺寸發(fā)生改變。

由于在實體齒輪上不便進行人為破壞,并且無法精準掌握磨損的程度。故以式(4)和式(5)為依據(jù)選擇故障注入的方法在三維模型上以齒頂長度為標準對驅(qū)動齒輪的齒形進行均勻磨損處理,然后與齒條進行裝配,以此模擬磨損故障。通過對比不同尺寸的故障注入,選取其中具有代表性的三組磨損狀態(tài),分別是磨損1/12、1/6和1/4。磨損齒輪齒條裝配模型如圖9所示。

圖9 磨損齒輪齒條裝配簡化模型

在驅(qū)動齒輪的三維仿真模型中注入不同磨損量,模擬其磨損故障。采用同樣的控制策略進行聯(lián)合仿真,并保持其他參數(shù)不變,獲得在驅(qū)動齒輪不同磨損程度故障下取彈裝置相關的運動特性,結(jié)果如圖10和圖11所示。

由圖10可以看出,驅(qū)動齒輪磨損1/12時,取彈裝置的位移曲線相較無磨損狀態(tài)的位移曲線基本保持一致。驅(qū)動齒輪磨損1/6時,取彈裝置的位移曲線相較無磨損狀態(tài)的位移曲線從0.7 s時開始出現(xiàn)分離,直至到達194.2 mm最終位移,與規(guī)劃位移相差6 mm。驅(qū)動齒輪磨損1/4時,取彈裝置的位移曲線相較無磨損狀態(tài)的位移曲線同樣是從0.7 s時出現(xiàn)分離,直至達到162.4 mm最終位移,與規(guī)劃位移相差37.6 mm。由此可以得出,驅(qū)動齒輪磨損的越嚴重,行駛位移相較規(guī)劃位移相差得越大。

圖10 驅(qū)動齒輪磨損后位移曲線對比圖

圖11 驅(qū)動齒輪磨損后速度曲線對比圖

由圖11可以看出,驅(qū)動齒輪磨損1/12時,取彈裝置的速度曲線相較無磨損狀態(tài)的速度曲線基本保持一致,但是在0.7 s時速度會出現(xiàn)一些輕微的波動,在隨后的運動中又按照規(guī)劃速度曲線運動。驅(qū)動齒輪磨損1/6時,速度曲線相較無磨損狀態(tài)的速度曲線出現(xiàn)了明顯的變化,速度曲線從0.7 s時開始出現(xiàn)明顯波動,并在0.885 s時,出現(xiàn)72.08 mm/s的最大速度差。驅(qū)動齒輪磨損1/4時,速度曲線相較無磨損狀態(tài)的速度曲線變化最大,速度曲線從0.7 s時開始出現(xiàn)劇烈波動,并且在0.8 s時,出現(xiàn)219.8 mm/s的最大速度差。

綜合圖10和圖11可以得出,取彈裝置伸縮過程會在0.7 s出現(xiàn)波動。這是因為0.7 s時取彈裝置伸出150 mm,此時取彈裝置主體和彈丸重量過大導致伸出部分產(chǎn)生向下的傾斜,增大了齒條與驅(qū)動齒輪嚙合處的壓力。而當驅(qū)動齒輪無磨損的時候,由于嚙合精度較高取彈裝置可以按照預計狀態(tài)行進;但當驅(qū)動齒輪磨損到一定程度后,伸出部分傾斜對嚙合處產(chǎn)生的力導致驅(qū)動齒輪所需力矩增大,降低了取彈裝置的伸出速度,進而脫離規(guī)劃曲線。根據(jù)供彈系統(tǒng)結(jié)構交接5 mm的余量設計,即當取彈裝置伸出距離小于195 mm時無法完成彈丸交接,故當驅(qū)動齒輪磨損1/6時,取彈裝置被認定成故障狀態(tài)。

4.3 軸承疲勞脫落故障仿真

滾動軸承是高精密度的機械元件,具有旋轉(zhuǎn)精度高,承載能力強維護便捷的優(yōu)點,被廣泛應用于機械以及相關領域。滾動軸承減少摩擦副之間的摩擦磨損原理,是將運轉(zhuǎn)工作軸和固定軸座二者之間的滑動摩擦變成滾動摩擦。通常情況下,在取彈裝置結(jié)構中滾動軸承會被用于降低電機輸出軸與驅(qū)動齒輪之間的摩擦,其裝配關系如圖12所示。在滾動軸承的旋轉(zhuǎn)運動中,由于內(nèi)圈接觸面與滾動體之間會無法避免地產(chǎn)生彈性滑動,導致滾動體與軸承內(nèi)圈二者的轉(zhuǎn)速不統(tǒng)一,軸承的狀態(tài)變?yōu)闈L滑運動狀態(tài)。當軸承的滾動體與內(nèi)圈接觸做滾滑運動時,受軸承潤滑效果變差以及密封性不佳等諸多因素的影響,接觸面產(chǎn)生軸承打滑,導致接觸面間的摩擦因數(shù)在一定程度上增大。軸承打滑會加劇軸承內(nèi)部構件間存在的摩擦磨損,導致運轉(zhuǎn)軸承出現(xiàn)磨損,增加其產(chǎn)生剝落或疲勞點蝕等諸多類型疲勞磨損故障的可能性,致使機械無法正常使用。

圖12 軸承系統(tǒng)裝配圖

滾動軸承作為機械的重要零件,同時也是傳動系統(tǒng)易損件之一,據(jù)不完全統(tǒng)計,旋轉(zhuǎn)機械故障約30%是因滾動軸承引起的。其中點蝕故障最為常見,即軸承上面出現(xiàn)小的坑洞,對于外徑不超過60 mm的軸承來說,面積一般不大于2 mm×2 mm。點蝕是軸承不可避免的故障,也是軸承最常見的失效形式。

當點蝕面積擴大,滾道表面材料會出現(xiàn)成片的剝落,形成面積非常大的坑洞。此時,軸承故障處于后期,容易出現(xiàn)振動、卡死等現(xiàn)象,即軸承的疲勞脫落故障。疲勞剝落是滾動軸承中較為常見的故障類型,這種故障通常發(fā)生在滾動體表面和套圈滾道,具體現(xiàn)象為滾道的表面會出現(xiàn)不平整的鱗形狀以及疲勞擴展的海灘狀紋路,并且存在一定的深度和面積。當發(fā)生疲勞脫落故障時,滾動軸承會發(fā)生強烈的沖擊振動,具體是以沖擊點為原點,以球面的形式由內(nèi)向外不斷擴散,并且通過相應機構傳入箱體以及機架。對軸承故障進行仿真,積累故障樣本并研究其故障機理,可以盡早地識別其疲勞脫落故障,進而防止整個系統(tǒng)失效。

同樣選擇故障注入的方法在三維模型上對軸承滾動體表面進行尺寸修改,人為制造出疲勞剝落故障。仿真對象為FAG6004型軸承,其主要參數(shù)為:外圈直徑42 mm,內(nèi)圈直徑20 mm,厚度12 mm。修改后的軸承三維圖如圖13所示。選取軸承滾動體表面剝落面積為3.5 mm×5 mm作為代表性故障進行運動特性分析,結(jié)果如圖14和圖15所示。

圖13 軸承疲勞脫落三維圖

圖14 軸承疲勞脫落位移曲線對比圖

圖15 軸承疲勞脫落速度曲線對比圖

由圖14可以看出,當滾動軸承出現(xiàn)疲勞剝落時,取彈裝置的位移曲線相較規(guī)劃位移曲線基本一致,最終位移可以達到200 mm的預計位移。但是在0.1 s時,取彈裝置的位移曲線開始偏離預定位移曲線,并且從0.2 s起曲線偏離的較為明顯,0.8 s開始曲線逐漸回歸預定位移曲線,經(jīng)過0.9～1 s這段時間,疲勞剝落曲線相較預定位移曲線基本一致。最大位移差為5.3 mm,出現(xiàn)在0.6 s的時候。由此可以看出,軸承疲勞剝落故障對運動位移影響不明顯。

由圖15可以看出,當滾動軸承出現(xiàn)疲勞剝落的時候,取彈裝置的速度曲線相較規(guī)劃速度曲線出現(xiàn)了振蕩波動。在0～0.1 s這段時間,取彈裝置開始加速,疲勞剝落速度曲線在規(guī)劃速度曲線周圍出現(xiàn)輕微振動,最大速度差為20.3 mm/s,出現(xiàn)在0.08 s的時候;在0.1～0.2 s這段時間,取彈裝置繼續(xù)加速,疲勞剝落速度曲線振蕩加劇,最大速度差為23.5 mm/s,出現(xiàn)在0.19 s的時候;在0.2～0.8 s這段時間,取彈裝置速度達到最大,同時疲勞剝落速度曲線振動在這段時間也最為劇烈,最大速度差為25.6 mm/s,出現(xiàn)在0.65 s的時候;在0.8～0.9 s這段時間,取彈裝置開始減速,疲勞剝落速度曲線振動相較勻速段有明顯的降低,最大速度差為19.8 m/s;在0.9～1 s這段時間,取彈裝置繼續(xù)減速,疲勞剝落速度曲線振動降到最低狀態(tài),最大速度差為25.22 m/s。由此可以看出,滾動軸承發(fā)生疲勞剝落故障會導致速度出現(xiàn)波動,波動的頻率隨著速度的升高而升高。

5 結(jié)論

通過一體化仿真的方法,對取彈裝置驅(qū)動齒輪磨損故障和滾動軸承疲勞剝落故障兩種典型故障模式進行仿真研究。通過聯(lián)合仿真,獲得了兩種故障模式分別發(fā)生的情況下取彈裝置的動力學和運動學特性。根據(jù)仿真結(jié)果,驗證兩種故障模式都會導致取彈裝置伸縮運動不平穩(wěn)。具體結(jié)論為:

①驅(qū)動齒輪磨損后,受力發(fā)生明顯的不均勻,從而導致整個取彈裝置的運動狀態(tài)變差、工作性能降低。從仿真過程和結(jié)果來看,驅(qū)動齒輪磨損時,取彈裝置送彈動作會出現(xiàn)抖動情況,到位精度相較無磨損狀態(tài)明顯降低。隨著磨損量加大,故障特性表現(xiàn)得更加明顯。

②軸承發(fā)生疲勞剝落后,取彈裝置整體到位精度未發(fā)現(xiàn)明顯變化,但是運動過程發(fā)生劇烈的抖動,從而導致取彈裝置運動過程速度狀態(tài)無法保持穩(wěn)定,并且隨著運動時速度的加快抖動愈發(fā)劇烈。

綜上,采用一體化仿真的方法,模擬仿真供彈系統(tǒng)中取彈裝置所存在的故障,可以獲得驅(qū)動齒輪磨損和滾動軸承疲勞剝落狀態(tài)下的系統(tǒng)工作特性,對仿真結(jié)果進行分析研究,為以后取彈裝置故障的預測和診斷提供可靠的理論依據(jù),對取彈裝置的日常維護工作有一定的參考價值。