彈道修正引信隔轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

李鑫鵬，郝波濤，趙曉旗，王建軍

(中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200)

1 引言

彈道修正引信應(yīng)用于傳統(tǒng)炮彈，通過(guò)彈道修正引信的彈道修正功能提高傳統(tǒng)炮彈的打擊精度[1-6]。對(duì)于用線(xiàn)膛炮發(fā)射的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定炮彈而言，由于其轉(zhuǎn)速極高，彈道修正引信中的修正舵機(jī)難以在如此高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行彈道修正，因此需要將引信上的修正舵機(jī)與彈體隔離，使修正舵機(jī)能夠以不同于彈體的轉(zhuǎn)速而轉(zhuǎn)動(dòng)，彈道修正引信上用于實(shí)現(xiàn)上述功能的相關(guān)組成稱(chēng)為隔轉(zhuǎn)平臺(tái)[7-9]。隔轉(zhuǎn)平臺(tái)同時(shí)支撐著彈道修正引信中的修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)，并且預(yù)留有安裝彈道修正引信用發(fā)電機(jī)和導(dǎo)電系統(tǒng)等功能模塊的內(nèi)部空間，這對(duì)隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的尺寸和支撐剛度提出了嚴(yán)格的要求[10-11]。在此基礎(chǔ)上，隔轉(zhuǎn)平臺(tái)還應(yīng)具有一定的抗過(guò)載能力，使其在線(xiàn)膛炮發(fā)射的高過(guò)載環(huán)境下能夠保證自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性[12-13]。

基于上述背景，本文從滿(mǎn)足功能要求和強(qiáng)度要求出發(fā)，提出了隔轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)所遵循的原則，對(duì)隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)所需軸承進(jìn)行了選型匹配和空間布局，設(shè)計(jì)了緩沖結(jié)構(gòu)，提出了隔轉(zhuǎn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)組合實(shí)驗(yàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性進(jìn)行了檢驗(yàn)。

2 設(shè)計(jì)原則與思路

2.1 設(shè)計(jì)原則

功能性原則：隔轉(zhuǎn)平臺(tái)提供彈道修正引信所需的旋轉(zhuǎn)隔離功能，滿(mǎn)足引信發(fā)電和彈道修正時(shí)所需的轉(zhuǎn)速要求，其轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性直接影響著彈道修正的精準(zhǔn)性。因此要選擇滾轉(zhuǎn)阻尼較小、極限轉(zhuǎn)速高的轉(zhuǎn)動(dòng)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)隔離功能。同時(shí)，隔轉(zhuǎn)平臺(tái)一端支撐著彈道修正引信中的導(dǎo)航系統(tǒng)、修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及電控系統(tǒng)等，另一端連接著傳統(tǒng)炮彈的彈體，并且內(nèi)部要預(yù)留有發(fā)電機(jī)、導(dǎo)電系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的安裝空間，因此隔轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合選擇各零件尺寸并對(duì)各功能模塊進(jìn)行合理布局，保證各模塊功能的有效實(shí)現(xiàn)。

可靠性原則：在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隔轉(zhuǎn)平臺(tái)上的最大軸向沖擊過(guò)載高達(dá)18 000g，最大徑向沖擊過(guò)載高達(dá)15 000g，因此隔轉(zhuǎn)平臺(tái)各組件在此沖擊過(guò)載下的力學(xué)性能要能夠滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，保證隔轉(zhuǎn)平臺(tái)工作的可靠性[14-17]。

輕量化原則：為了適應(yīng)傳統(tǒng)炮彈的外形尺寸和結(jié)構(gòu)尺寸要求，需要嚴(yán)格控制隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)尺寸(包括外形尺寸和旋入彈體的深度等)，而在有限的空間內(nèi)，隔轉(zhuǎn)平臺(tái)零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與自身體積和質(zhì)量相互矛盾，因此根據(jù)輕型化設(shè)計(jì)原則，在保證零件自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量減小零件的體積和質(zhì)量，使得在增大隔轉(zhuǎn)平臺(tái)內(nèi)部可用空間的同時(shí)又能減輕隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的整體質(zhì)量，以保證彈道修正功能的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。

2.2 設(shè)計(jì)思路

按照設(shè)計(jì)原則，提出隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 隔轉(zhuǎn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the rotation platform

根據(jù)功能性原則，選擇阻尼較小的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)部件支撐彈體連接件與修正舵機(jī)連接件，實(shí)現(xiàn)彈體與修正舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)隔離，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)動(dòng)部件的類(lèi)型、數(shù)量和空間布置等因素，將影響隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)阻力、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等。因此需要綜合權(quán)衡各因素影響的重要性，合理設(shè)計(jì)隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)可靠性原則，需要保證隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)承受沖擊載荷后工作的可靠性，因此可以在隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加緩沖結(jié)構(gòu)，利用緩沖結(jié)構(gòu)的變形吸能作用，降低作用到轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的載荷峰值。

根據(jù)輕量化原則，在保證彈體連接件和舵機(jī)連接件強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量減小連接件的徑向厚度，增大2個(gè)連接件之間的空間，利用此空間安裝彈道修正引信中的控制系統(tǒng)、導(dǎo)電系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)，提高了彈道修正引信整體的集成化水平，并降低了整體的重量。因此設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇各部件的尺寸參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則和思路，隔轉(zhuǎn)平臺(tái)中需要隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)隔離功能，并通過(guò)緩沖結(jié)構(gòu)提高其抗過(guò)載能力。隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過(guò)軸承支撐彈體連接件和修正舵機(jī)連接件，實(shí)現(xiàn)彈體與修正舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)隔離，緩沖結(jié)構(gòu)布置在軸承一側(cè)，用于降低軸承的作用載荷。

3.1 隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過(guò)滾動(dòng)軸承支撐實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)隔離功能。軸承類(lèi)型影響著隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)阻尼和承載特點(diǎn)，軸承的空間布局影響著隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛度。因此軸承的選型匹配以及空間布局是隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.1.1軸承選型匹配分析

基于隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的功能特點(diǎn)、承載環(huán)境以及尺寸設(shè)計(jì)條件，對(duì)應(yīng)用于其中的軸承提出了嚴(yán)苛的要求。一是要具有徑向支撐能力，通過(guò)支撐實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)組件之間的旋轉(zhuǎn)隔離；二是要具有低滾轉(zhuǎn)阻尼、高極限轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，以滿(mǎn)足彈道修正時(shí)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性要求；三是要同時(shí)具有軸向和徑向承載能力，以滿(mǎn)足隔轉(zhuǎn)平臺(tái)在發(fā)射環(huán)境下的過(guò)載要求；四是滿(mǎn)足隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的尺寸設(shè)計(jì)要求。

具有徑向支撐作用并且能夠同時(shí)承受較大軸向和徑向載荷的單一軸承類(lèi)型包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承[18-20]。其中，角接觸球軸承一般成對(duì)選用，以承受雙向的軸向載荷，其軸向占用空間較大，不能滿(mǎn)足隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)尺寸要求；同時(shí)，圓錐滾子軸承的滾轉(zhuǎn)阻尼較大，極限轉(zhuǎn)速低，不能滿(mǎn)足隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的高轉(zhuǎn)速要求。除此之外，深溝球軸承等其他類(lèi)型的軸承雖然能夠滿(mǎn)足低滾轉(zhuǎn)阻尼、高轉(zhuǎn)速的要求，但是均不能滿(mǎn)足同時(shí)承受較大軸向和徑向載荷的要求。

由此可知，單一軸承類(lèi)型不能同時(shí)滿(mǎn)足隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的功能和承載要求，需要將不同的軸承類(lèi)型組合在一起，通過(guò)發(fā)揮不同軸承類(lèi)型的功能優(yōu)勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)隔離功能的同時(shí)，兼具有一定的軸向和徑向承載能力。通常情況下，當(dāng)軸向和徑向載荷均較大時(shí)，選擇向心軸承和推力軸承進(jìn)行組合，使其分別承擔(dān)徑向載荷和軸向載荷[21]。在向心軸承中，深溝球軸承相比于其他軸承而言，滾轉(zhuǎn)阻尼小、極限轉(zhuǎn)速高，能夠承受較大的徑向載荷和一定的軸向載荷，并具有一定的徑向支撐能力；在推力軸承中，推力滾針軸承相比于其他軸承而言，其承載能力高、占用空間??；因此基于以上分析，最終選擇深溝球軸承和推力滾針軸承進(jìn)行搭配組合。

3.1.2軸承空間布局分析

根據(jù)所選軸承的功能作用，可知深溝球軸承將用于支撐隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中與彈體和引信修正舵機(jī)連接的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件。由于深溝球軸承存在游隙，使得引信修正舵機(jī)與彈體以非剛性方式連接，因此彈體旋轉(zhuǎn)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，引信修正舵機(jī)不可避免地會(huì)有相對(duì)彈體的擺動(dòng)，從而影響修正舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和旋轉(zhuǎn)精度，進(jìn)而影響彈道修正功能的實(shí)現(xiàn)。因此針對(duì)修正舵機(jī)的擺動(dòng)現(xiàn)象，隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要合理選擇深溝球軸承數(shù)量并進(jìn)行空間布局。

針對(duì)修正舵機(jī)相對(duì)彈體的擺動(dòng)問(wèn)題，可將修正舵機(jī)、隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和彈體簡(jiǎn)化為由軸承支撐的懸臂梁結(jié)構(gòu)，修正舵機(jī)簡(jiǎn)化為到軸承中心距離為l、質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，彈體簡(jiǎn)化為軸承固定支座，修正舵機(jī)的擺動(dòng)載荷由擺動(dòng)慣性力表示，并作用于質(zhì)點(diǎn)處。本文以單深溝球軸承支撐和雙深溝球軸承支撐為例對(duì)比分析軸承支點(diǎn)數(shù)量對(duì)支撐穩(wěn)定性的影響，并基于雙深溝球軸承支撐分析軸承支點(diǎn)間距對(duì)支撐穩(wěn)定性的影響。單深溝球軸承支撐和雙深溝球軸承支撐時(shí)的簡(jiǎn)化模型分別如圖2、圖3所示。

圖2 單深溝球軸承支撐的簡(jiǎn)化模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of a simplified model for single deep groove ball bearing support

圖3 雙深溝球軸承支撐的簡(jiǎn)化模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of a simplified model for double deep groove ball bearing support

圖3中，F(xiàn)為修正舵機(jī)的擺動(dòng)慣性力，l為修正舵機(jī)質(zhì)心到左軸承中心的距離，l1為2個(gè)軸承中心之間的距離，O0為修正舵機(jī)擺動(dòng)中心，a為最大擺動(dòng)角，是衡量隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中軸承支撐穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，a越大，支撐穩(wěn)定性越低，a越小，支撐穩(wěn)定性越高，r為軸承隨修正舵機(jī)一起擺動(dòng)時(shí)內(nèi)滾道一側(cè)邊緣的擺動(dòng)半徑，b為內(nèi)滾道邊緣在最大擺角時(shí)的擺動(dòng)弧長(zhǎng)。

根據(jù)弧長(zhǎng)公式可得：

(1)

整理式(1)，得到最大擺動(dòng)角計(jì)算公式為：

(2)

根據(jù)式(2)可知，a隨b的增大而增大，隨r的增大而減小。對(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，隨著r的增加，b也會(huì)相應(yīng)的增加，根據(jù)式(2)不能直觀地看出a的變化。因此，為了更加直觀地分析單軸承支點(diǎn)和雙軸承支點(diǎn)以及雙軸承支點(diǎn)間的距離對(duì)最大擺角的影響，采用圖解法建立了雙軸承不同跨距支撐的簡(jiǎn)化模型，如圖4所示。

圖4 雙軸承不同跨距支撐的圖解模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of a graphic model with different span support for double bearings

圖4中，軸承參數(shù)相同，通過(guò)具體數(shù)值分析獲得最大擺角的變化規(guī)律。其中，O1為單軸承支撐時(shí)修正舵機(jī)的擺動(dòng)中心，對(duì)應(yīng)的最大擺角為4度，O2為雙軸承支撐l1跨距時(shí)修正舵機(jī)的擺動(dòng)中心，對(duì)應(yīng)的最大擺角為2度，O3為雙軸承支撐l2跨距時(shí)修正舵機(jī)的擺動(dòng)中心，對(duì)應(yīng)的最大擺角為1°。

根據(jù)圖解模型可知，雙軸承支撐時(shí)修正舵機(jī)的最大擺角小于單軸承支撐，并且雙軸承支撐時(shí)跨距越大、最大擺角越小。因此，根據(jù)隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的尺寸要求，隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中采用雙深溝球軸承跨距布置的分布方式，并在滿(mǎn)足尺寸要求的前提下，最大限度提高2個(gè)深溝球軸承之間的跨距，以此提高隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中軸承支撐的穩(wěn)定性。

推力滾針軸承的軸向承載能力強(qiáng)，因此其要先于深溝球軸承承受軸向載荷。根據(jù)炮彈發(fā)射時(shí)修正舵機(jī)慣性力的作用方向，可得推力滾針軸承與2個(gè)深溝球軸承的位置關(guān)系，如圖5所示。

圖5 軸承位置關(guān)系示意圖Fig.5 Bearing position relationship diagram

3.2 緩沖結(jié)構(gòu)

緩沖結(jié)構(gòu)由布置在深溝球軸承一側(cè)的緩沖墊組成，利用緩沖墊的變形吸能原理減小作用到軸承上的載荷峰值。緩沖墊與深溝球軸承的位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 緩沖結(jié)構(gòu)位置關(guān)系示意圖Fig.6 Schematic diagram of the position of the buffer structure

根據(jù)隔轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的尺寸要求，其內(nèi)部空間有限，緩沖墊只能控制在很小的體積范圍內(nèi)，因此在較小的空間內(nèi)吸收較大的能量是初選緩沖墊材料的主要依據(jù)。

根據(jù)緩沖吸能原理[22]。單位體積緩沖材料吸收的沖擊能量計(jì)算公式為：

(3)

式(3)中：σ為作用在緩沖材料上的應(yīng)力；τ為作用在緩沖材料上的應(yīng)變。

緩沖墊的形變能公式為：

Q=Ahe

(4)

式(4)中：Q為緩沖墊的變形能；A為緩沖墊的截面積；h為緩沖墊的軸向厚度。

由式(4)可知,在確定了緩沖墊外形尺寸之后，在相同載荷作用下，緩沖墊的應(yīng)力-應(yīng)變分布圖面積可以衡量其緩沖能力的強(qiáng)弱。同時(shí)緩沖墊要在彈性變形范圍內(nèi)，保證載荷消失后其可以順利恢復(fù)到原有尺寸，防止軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)在緩沖墊之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)借鑒已有經(jīng)驗(yàn)，初步選擇緩沖墊的材料為黃銅[23]。

3.3 整體結(jié)構(gòu)建模分析

根據(jù)隔轉(zhuǎn)平臺(tái)中隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、緩沖結(jié)構(gòu)、反向預(yù)緊結(jié)構(gòu)和剛性固連結(jié)構(gòu)的功能特點(diǎn)，并結(jié)合各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體要求，利用三維建模軟件UG對(duì)各結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用軟件裝配功能將各零件裝配組成隔轉(zhuǎn)平臺(tái)。裝配時(shí)，在各零件滿(mǎn)足功能和設(shè)計(jì)要求的前提下，通過(guò)對(duì)各零件尺寸以及零件之間的位置尺寸進(jìn)行不斷優(yōu)化，最終獲得裝配好的隔轉(zhuǎn)平臺(tái)整體模型，如圖7所示。

圖7 隔轉(zhuǎn)平臺(tái)整體模型圖Fig.7 Overall model of the platform

為了描述各零件之間的裝配關(guān)系，將隔轉(zhuǎn)平臺(tái)整體模型沿對(duì)稱(chēng)面剖切，獲得對(duì)應(yīng)的剖視圖如圖8所示。

圖8 隔轉(zhuǎn)平臺(tái)剖視圖Fig.8 Cross section of the platform

圖8中，1為舵機(jī)座、2為外圈擋圈、3為左深溝球軸承、4為大徑緩沖墊、5為引信座、6為右深溝球軸承、7為中徑緩沖墊、8為緊定環(huán)、9為固連銷(xiāo)、10為預(yù)緊底螺、11為推力軸承、12為小徑緩沖墊、13為內(nèi)圈擋圈，其中舵機(jī)座為修正舵機(jī)連接件，引信座為彈體連接件。

隔轉(zhuǎn)平臺(tái)中采用3個(gè)軸承選型匹配組合跨距分布支撐，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)座相對(duì)于引信座的旋轉(zhuǎn)隔離，并基于彈性變形的緩沖結(jié)構(gòu)降低了沖擊過(guò)載對(duì)軸承的影響，同時(shí)通過(guò)預(yù)緊底螺保證了隔轉(zhuǎn)平臺(tái)緩沖結(jié)構(gòu)功能的可靠實(shí)現(xiàn)，提高了隔轉(zhuǎn)平臺(tái)零件的裝配精度，并采用固連銷(xiāo)保證預(yù)緊底螺的連接強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)粘連強(qiáng)度，防止預(yù)緊螺紋出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，提高了隔轉(zhuǎn)平臺(tái)整體工作的穩(wěn)定性。

除此以外，隔轉(zhuǎn)平臺(tái)中引信座右端連接常規(guī)引信組件并與彈體連接；舵機(jī)座內(nèi)部空間用于安裝電控系統(tǒng)并與修正舵機(jī)連接；引信座與舵機(jī)座之間的空間用于安裝發(fā)電機(jī)，利用舵機(jī)座與引信座之間的轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，為引信中的電控系統(tǒng)提供電能。此空間布局設(shè)計(jì)，在保證隔轉(zhuǎn)平臺(tái)自身功能要求的前提下，充分考慮了彈道修正引信的集成化設(shè)計(jì)原則，為彈道修正引信整體小型化設(shè)計(jì)目標(biāo)分擔(dān)了一定的壓力。

4 實(shí)驗(yàn)分析

隔轉(zhuǎn)平臺(tái)是彈道修正引信實(shí)現(xiàn)彈道修正功能的基礎(chǔ)，是彈道修正引信上的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的好壞直接影響著引信上舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，影響著彈道修正的精度，因此對(duì)隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核必不可少。

本文對(duì)采用上述設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的徑向沖擊實(shí)驗(yàn)、軸向沖擊實(shí)驗(yàn)以及滾轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)沖擊前后隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性感知以及滾轉(zhuǎn)阻尼分析，判斷隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的沖擊失效情況。并對(duì)失效隔轉(zhuǎn)平臺(tái)中的軸承零件進(jìn)行檢測(cè)分析，通過(guò)分析研究隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的沖擊破壞危險(xiǎn)部位，為其整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

4.1 沖擊實(shí)驗(yàn)

目前火工品常用的模擬彈藥動(dòng)態(tài)考核驗(yàn)收方法是馬歇特錘擊法，所用模擬產(chǎn)生加速度的設(shè)備是馬歇特錘擊臺(tái)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖9所示，圖9中，1是保護(hù)罩、2是錘柄、3是工裝、4是擊錘、5是鐵砧、6是鐵砧座、7是半圓輪、8是重錘連接帶、9是支撐架、10是棘齒、11是棘輪。

圖9 馬歇特錘擊臺(tái)Fig.9 Marshall hammering station

馬歇特錘擊臺(tái)的工作原理是：將裝有待沖擊件的工裝安裝在擊錘上，擊錘安裝于固定在半圓輪的錘柄上，半圓輪和棘輪在同一軸上，并通過(guò)重錘連接帶掛著重37 kg的重錘；實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)所需要的沖擊加速度，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)棘輪到相應(yīng)的齒數(shù)，并通過(guò)棘齒固定，旋轉(zhuǎn)棘輪時(shí)半圓輪會(huì)帶著錘柄和擊錘旋轉(zhuǎn)相同的角度；棘齒放開(kāi)后，在重錘重力的作用下，會(huì)帶動(dòng)擊錘快速回旋，擊打在鐵砧上，利用擊錘與鐵砧的碰擊產(chǎn)生沖擊加速度。

沖擊加速度的大小與棘輪的旋轉(zhuǎn)齒數(shù)有關(guān)，齒數(shù)與加速度對(duì)應(yīng)值如表1所示。

表1 錘擊臺(tái)齒數(shù)對(duì)應(yīng)加速度(g)Table 1 Hammering table numbers corresponding to acceleration

針對(duì)中低過(guò)載線(xiàn)膛炮和高過(guò)載線(xiàn)膛炮發(fā)射時(shí)的徑向和軸向最大沖擊過(guò)載設(shè)計(jì)了4組實(shí)驗(yàn)。即選擇4組試件，分別以徑向加速度8 000g、徑向加速度15 000g、軸向加速度10 000g和軸向加速度18 000g進(jìn)行沖擊，對(duì)應(yīng)馬歇特錘擊臺(tái)上產(chǎn)生接近于上述加速度時(shí)的棘輪齒數(shù)分別為10齒、15齒、12齒和17齒。沖擊實(shí)驗(yàn)方案具體見(jiàn)表2。

表2 沖擊實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Impact experiment scheme

實(shí)驗(yàn)時(shí)用高速攝影儀記錄下試件通過(guò)安全窗口與鐵砧撞擊的過(guò)程，用于檢驗(yàn)試件部件有無(wú)沖碎亂飛現(xiàn)象。高速攝影儀拍攝速率為100幀/s。

通過(guò)對(duì)各試件的沖擊過(guò)程視頻進(jìn)行回放發(fā)現(xiàn)，各試件均沒(méi)有產(chǎn)生部件沖碎亂飛現(xiàn)象。取最大沖擊過(guò)載下的試件(4#)沖擊時(shí)高速攝影儀每幀記錄下的圖片如圖10所示。

圖10 試件4#錘擊過(guò)程Fig.10 Specimen 4# hammering process

4.2 滾轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)試件旋轉(zhuǎn)的靈活性，設(shè)計(jì)了滾轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比試件沖擊前后的滾轉(zhuǎn)力矩,判斷試件是否滿(mǎn)足轉(zhuǎn)動(dòng)要求，進(jìn)而判斷試件沖擊后是否失效。

滾轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)實(shí)驗(yàn)主要用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括綜合測(cè)試臺(tái)和扭矩功率儀。綜合測(cè)試臺(tái)用于模擬彈道修正時(shí)隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，使隔轉(zhuǎn)平臺(tái)以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖11所示。扭矩功率儀的作用是通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量試件轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的滾轉(zhuǎn)力矩，如圖12所示。

圖11 綜合測(cè)試臺(tái)圖Fig.11 Comprehensive test chart

圖12 扭矩功率儀Fig.12 Torque power meter

每個(gè)試件受沖擊前后都要進(jìn)行滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)試。測(cè)試之前,先將試件通過(guò)舵機(jī)座與已有的舵機(jī)連接，測(cè)試時(shí)將連有舵機(jī)的試件安裝在綜合測(cè)試臺(tái)上，并用卡具將舵翼卡住。然后啟動(dòng)綜合測(cè)試臺(tái)上的電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)引信座轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)引信座相對(duì)舵機(jī)座的旋轉(zhuǎn)，根據(jù)彈道修正時(shí)的相對(duì)轉(zhuǎn)速要求,將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為150 r/s，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后持續(xù)10 s。同時(shí)利用扭矩功率儀對(duì)旋轉(zhuǎn)試件的滾轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)比沖擊前后試件的滾轉(zhuǎn)力矩差來(lái)判斷隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的失效情況。

沖擊前后各試件的滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，1#、2#、3#試件沖擊前后滾轉(zhuǎn)力矩變化率控制在3%以?xún)?nèi)，即沖擊前后試件的滾轉(zhuǎn)阻尼幾乎不變，說(shuō)明這3個(gè)試件沖擊后轉(zhuǎn)動(dòng)正常，可以滿(mǎn)足彈道修正時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性的要求。而4#試件沖擊前后滾轉(zhuǎn)力矩變化率高達(dá)30.4%，即沖擊后試件的滾轉(zhuǎn)阻尼嚴(yán)重變大，從而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)困難，使其不能滿(mǎn)足彈道修正時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性的要求。

表3 滾轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)結(jié)果Table 3 Rolling torque detection results

4.3 失效隔轉(zhuǎn)平臺(tái)零件檢測(cè)分析

根據(jù)沖擊實(shí)驗(yàn)和滾轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，判斷4#試件沖擊過(guò)后轉(zhuǎn)動(dòng)異常，為了進(jìn)一步分析其異常原因，將4#試件中的各零件拆卸并做進(jìn)一步的檢測(cè)分析，通過(guò)分析確定失效零件以及零件失效原因，并提出改進(jìn)措施，為隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

沖擊后引信座、外圈擋圈、大徑緩沖墊、舵機(jī)座、內(nèi)圈擋圈、小徑緩沖墊、預(yù)緊底螺、緊定環(huán)、中徑緩沖墊等零件(除軸承外的所有零件)外觀如圖13所示。對(duì)各零件軸向尺寸進(jìn)行3次測(cè)量,取平均值并與沖擊前對(duì)比,如表4所示。

圖13 沖擊后零件外觀Fig.13 Parts after impact

表4 沖擊前后零件軸向尺寸對(duì)比Table 4 Comparison of axial dimensions of parts before and after impact

由圖13可以看出，沖擊過(guò)后以上零件未見(jiàn)有明顯的斷裂或變形現(xiàn)象，并且根據(jù)表4可知，沖擊前后各零件尺寸均在合理的變化范圍內(nèi)，因此判斷以上零件沖擊后工作正常，不是引起隔轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)異常的失效零件。

軸承支撐著隔轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，是隔轉(zhuǎn)平臺(tái)中的主要承載件，因此對(duì)軸承進(jìn)行了檢測(cè)分析。

根據(jù)推力滾針軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)外觀分析即可了解其支撐轉(zhuǎn)動(dòng)的墊片、滾針和保持架的失效情況。因此，對(duì)沖擊過(guò)后的推力滾針軸承進(jìn)行外觀分析得出，此推力滾針軸承各部件均未見(jiàn)異常，判定其可以正常工作。相應(yīng)的保持架組件和墊片外觀如圖14所示。

圖14 推力軸承外觀Fig.14 Thrust bearing appearance

為了判斷2個(gè)深溝球軸承的失效情況，分別對(duì)2個(gè)深溝球軸承進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)精度檢查，檢查結(jié)果如表5所示。

從表5檢測(cè)結(jié)果可知，左深溝球軸承外圈外徑偏差和變動(dòng)量較大并且一側(cè)旋轉(zhuǎn)靈活性差，說(shuō)明其外圈變形嚴(yán)重，這將會(huì)使軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性差，旋轉(zhuǎn)精度降低；右深溝球軸承旋轉(zhuǎn)靈活、檢測(cè)無(wú)異常。

表5 軸承旋轉(zhuǎn)精度檢測(cè)結(jié)果Table 5 Bearing rotation accuracy test results

為了進(jìn)一步檢測(cè)2個(gè)深溝球軸承的失效情況，將2個(gè)深溝球軸承進(jìn)行了拆分，分別對(duì)外觀情況及內(nèi)外圈滾道圓度進(jìn)行了檢測(cè)。

右深溝球軸承套圈滾道呈金屬亮色，滾道表面無(wú)異常，其余無(wú)異常。軸承整體外觀和零件外觀如圖15所示。

圖15 右深溝球軸承外觀Fig.15 Right deep groove ball bearing appearance

左深溝球軸承內(nèi)、外圈滾道靠近一側(cè)擋邊處,分別有沿圓周均勻分布的塑性變形，塑性變形從滾道與擋邊表面接觸處起始，向滾道中部逐漸變淺約長(zhǎng)1 mm，其余無(wú)異常。軸承整體和零件外觀如圖16所示。

圖16 左深溝球軸承外觀Fig.16 Left deep groove ball bearing appearance

采用圓度儀對(duì)2個(gè)深溝球軸承的內(nèi)外圈滾道圓度進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表6所示，對(duì)應(yīng)的典型滾道圓度檢測(cè)圖如圖17—圖20所示。

圖17 左深溝球軸承外圈滾道一側(cè)圓度Fig.17 Roundness of one side of the outer ring raceway of left deep groove ball bearing

圖18 左深溝球軸承內(nèi)圈溝底圓度Fig.18 Roundness of the inner ring groove bottom of the left deep groove ball bearing

圖19 右深溝球軸承外圈溝底圓度Fig.19 Roundness of groove bottom of the outer ring of right deep groove ball bearing

圖20 右深溝球軸承內(nèi)圈溝底圓度Fig.20 Roundness of groove bottom of the inner ring of right deep groove ball bearing

表6 2套軸承滾道圓度Table 6 Two sets of bearing raceway roundness

對(duì)滾道圓度檢測(cè)時(shí)，可以直接從圓度儀上讀取獲得，左深溝球軸承外圈滾道塑性變形深度約為30/μm，內(nèi)圈滾道塑性變形深度約為40/μm，右深溝球軸承內(nèi)外圈滾道無(wú)異常。

檢測(cè)結(jié)果分析：對(duì)推力滾針軸承外觀檢查分析判斷其無(wú)異常。對(duì)2套深溝球軸承外觀檢查以及旋轉(zhuǎn)精度和滾道圓度檢測(cè)分析，得出右深溝球軸承無(wú)異常，左深溝球軸承內(nèi)外圈滾道均有不同程度的塑性變形。因此，判定左深溝球軸承是導(dǎo)致隔轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)異常的失效零件。

分析左深溝球軸承的失效原因是：左深溝球軸承的軸向游隙小于右深溝球軸承，所以緩沖墊壓縮變形后，左深溝球軸承要先于右深溝球軸承承受軸向沖擊過(guò)載，使得左深溝球軸承上的作用載荷大于右深溝球軸承，并超出其承載范圍，從而導(dǎo)致滾道發(fā)生塑性變形。滾道塑性變形的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致軸承旋轉(zhuǎn)阻尼增大、轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定，所以4#試件沖擊后出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)困難、轉(zhuǎn)動(dòng)有雜聲和振動(dòng)的現(xiàn)象。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

受中低過(guò)載線(xiàn)膛炮發(fā)射時(shí)的最大徑向和軸向沖擊過(guò)載以及受高過(guò)載線(xiàn)膛炮發(fā)射時(shí)的最大徑向沖擊過(guò)載作用后，隔轉(zhuǎn)平臺(tái)仍然可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，滾轉(zhuǎn)力矩控制在0.090～0.093，可以滿(mǎn)足彈道修正和發(fā)電時(shí)的旋轉(zhuǎn)靈活性要求；而受高過(guò)載線(xiàn)膛炮發(fā)射時(shí)的最大軸向沖擊過(guò)載作用后，隔轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)較困難，滾轉(zhuǎn)力矩達(dá)到0.120 ，遠(yuǎn)大于沖擊載荷作用前的滾轉(zhuǎn)力矩，不能滿(mǎn)足彈道修正和發(fā)電時(shí)的旋轉(zhuǎn)靈活性要求。

通過(guò)對(duì)失效隔轉(zhuǎn)平臺(tái)中的軸承進(jìn)一步檢測(cè)分析得出，左深溝球軸承的滾道產(chǎn)生了塑性變形。此變形是使隔轉(zhuǎn)平臺(tái)不能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)動(dòng)要求的直接原因。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了彈道修正引信隔轉(zhuǎn)平臺(tái)，建立了隔轉(zhuǎn)平臺(tái)三維模型，完成了隔轉(zhuǎn)平臺(tái)試件加工及沖擊實(shí)驗(yàn)和滾轉(zhuǎn)力矩檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，此隔轉(zhuǎn)平臺(tái)方案適用于中低過(guò)載線(xiàn)膛炮發(fā)射環(huán)境，而不適用于高過(guò)載線(xiàn)膛炮發(fā)射環(huán)境。

通過(guò)對(duì)失效隔轉(zhuǎn)平臺(tái)零部件檢測(cè)分析判斷，在高過(guò)載線(xiàn)膛炮發(fā)射時(shí)的最大軸向沖擊過(guò)載作用下，左深溝球軸承內(nèi)外滾道發(fā)生了塑性變形，致使隔轉(zhuǎn)平臺(tái)不能滿(mǎn)足轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性要求。為了使隔轉(zhuǎn)平臺(tái)能夠適應(yīng)高過(guò)載線(xiàn)膛炮的發(fā)射過(guò)載，下一步需要從緩沖結(jié)構(gòu)及隔轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部參數(shù)2個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。