基于虛擬樣機的炮閂故障仿真研究

楊艷峰， 狄長春， 杜中華， 張亮， 陳國樂

（1.95856部隊，安徽 滁州 239071；2.軍械工程學(xué)院，石家莊 050003；3.65154部隊，遼寧 凌源 122153）

0 引言

炮閂是火炮中故障率較高的部件，占全炮故障數(shù)的30%～40%［1］。炮閂結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其發(fā)生故障模式的多樣性，主要有磨損、彈性減弱、斷裂、折斷、松動、銹蝕等。這些故障模式直接影響炮閂中機構(gòu)性能的正常發(fā)揮和設(shè)計動作任務(wù)的完成，甚至導(dǎo)致故障的發(fā)生。因此，對炮閂故障進(jìn)行研究分析，以確定故障發(fā)生的時機，并據(jù)此盡量做到在故障發(fā)生之前采取有效措施，避免故障的發(fā)生和所造成的危害性后果。

隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，采用計算機仿真替代或減少對實物樣機的依賴在機械系統(tǒng)故障研究領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并且體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。例如，將虛擬樣機技術(shù)用于廠礦的大型設(shè)備—風(fēng)機不平衡故障的研究［2］，齒輪偏心、軸偏心、輪齒磨損等缺陷對嚙合力的影響［3］等。若在物理樣機上進(jìn)行這些故障模擬，不僅故障設(shè)置操作過程耗時耗力，而且還需要對引發(fā)的故障進(jìn)行處理，由此而帶來一系列需要考慮和解決的問題。因此，本文基于虛擬樣機對炮閂系統(tǒng)典型故障進(jìn)行仿真研究，彌補傳統(tǒng)故障研究方法和手段的不足，提高故障設(shè)置的可操作性，以及故障狀態(tài)下系統(tǒng)特征信息提取的便捷性，避免實際故障試驗帶來的危險，降低故障研究的資源消耗和費用，為零部件壽命預(yù)測提供依據(jù)。

1 故障機理分析

在炮閂中，磨損失效是造成系統(tǒng)故障發(fā)生的主要失效模式之一，下面首先對炮閂抽筒的動作原理和故障發(fā)生機理進(jìn)行分析研究。

圖1 擋彈機構(gòu)

1.1 機構(gòu)工作原理

在抽筒過程中，擋彈機構(gòu)作為協(xié)同機構(gòu)配合抽筒機構(gòu)完成動作，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。擋彈板套在擋彈板軸上，并通過擋彈板軸安裝于閂體上，撥動軸杠桿套在撥動軸上，兩者一并通過扭簧裝在炮尾上。平時，在頂簧和壓筒作用下，擋彈板呈抬起狀態(tài)。由于扭簧的作用，撥動軸杠桿壓在其突出部平面下方的銷子上，撥動軸保持在圖示位置。

在開閂時，閂體相對炮尾向下運動，擋彈板、擋彈板軸、壓筒和頂簧隨之下降。當(dāng)擋彈板軸支臂與撥動軸支臂發(fā)生碰撞后，受擋彈板撥動軸支臂不動的限制，擋彈板軸轉(zhuǎn)動，并帶動擋彈板轉(zhuǎn)入閂體上方的擋彈板室內(nèi)，此時頂簧壓縮。之后，閂體會繼續(xù)下降，兩支臂脫離接觸，擋彈板在頂簧和壓筒作用下重新抬起。在擋彈板壓下后到抬起的過程中，藥筒在抽筒裝置的作用下被抽出。

1.2 故障機理

在擋彈機構(gòu)動作過程中，擋彈板軸支臂與撥動軸支臂發(fā)生碰撞接觸和相對滑動，并產(chǎn)生摩擦。兩者多次作用后會因接觸外廓面的磨損而作用不確實，導(dǎo)致?lián)鯊棸逶趬合聲r沒有完全進(jìn)入擋彈板室或抬起提前，藥筒在抽筒機構(gòu)作用下抽出時被擋彈板阻擋而無法抽出。因此，抽筒機構(gòu)故障機理為擋彈板軸支臂與撥動軸支臂外廓磨損導(dǎo)致藥筒無法抽出。故障導(dǎo)致的結(jié)果為藥筒撞擊擋彈板后反彈，帶動抽筒子向前運動，造成自動關(guān)閂，影響下一發(fā)炮彈的裝填；而且擋彈板易發(fā)生折斷，使擋彈機構(gòu)功能失效。

擋彈機構(gòu)的零件磨損是一個隨時間變化發(fā)展的過程。零件一次動作后，磨損所引起的幾何尺寸變化不會導(dǎo)致機構(gòu)故障的發(fā)生。只要零件磨損程度在一定的極限范圍內(nèi)，就能保證機構(gòu)的正常動作；超過極限，就會引起抽筒故障。因此，故障仿真分析的內(nèi)容為故障發(fā)生之前的整個時間歷程中，故障模式處于不同狀態(tài)下的系統(tǒng)響應(yīng)。

2 炮閂虛擬樣機和故障模型的建立

為了后續(xù)故障仿真的實施，基于三維實體建模軟件Pro/E和多體動力學(xué)軟件MSC.ADAMS［4］建立了炮閂虛擬樣機如圖2所示，以炮閂與藥筒間配合開閂抽筒運動，進(jìn)行擋彈機構(gòu)動作仿真分析。

圖2 炮閂與藥筒虛擬樣機

故障注入方法的選擇是故障仿真分析的重要一步，如何將物理故障或故障模式體現(xiàn)到虛擬樣機上，即建立起物理故障與虛擬樣機映射關(guān)系，這是實現(xiàn)故障注入的關(guān)鍵?，F(xiàn)實中故障模式多種多樣，不僅與系統(tǒng)的復(fù)雜程度密切相關(guān)，而且受系統(tǒng)工作環(huán)境影響。因此，不同的故障模式其故障注入方法也會有差別。故障注入方法主要有改變工況設(shè)置、改變邊界條件設(shè)置、改變特征參數(shù)等［5］。

依據(jù)故障機理分析，炮閂抽筒故障模型的建立采用改變零部件幾何及物理屬性的故障注入方法，即：故障注入采用改變擋彈板軸支臂與撥動軸支臂的外廓幾何屬性的方式進(jìn)行。擋彈板軸支臂與撥動軸支臂不同磨損程度下模型的建立需要借助Pro/E的參數(shù)化建模功能，通過修改支臂輪廓曲線參數(shù)重新生成磨損后的擋彈板軸與撥動軸模型，質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等信息也會自動更新，模型如圖3所示。之后將修改后的零件導(dǎo)入ADAMS，替換原有模型，將原有模型相關(guān)的約束等關(guān)聯(lián)到新導(dǎo)入的模型上；也可以通過編輯ADAMS模型的*.cmd文件實現(xiàn)與原來構(gòu)件的相互替換，完成故障的注入。

圖3 擋彈機構(gòu)零件磨損前后的模型

故障模型建立后，在對模型進(jìn)行驗證時，由于僅是替換了原有模型的故障件，只要模型中零件能夠按照約束關(guān)系動作即可說明模型的正確性。經(jīng)過驗證，故障注入后的模型各零件運動形式?jīng)]有發(fā)生改變。因此，故障模型正確，符合實際，能夠進(jìn)行仿真分析。

3 故障仿真分析

依據(jù)機構(gòu)動作機理不難得到：藥筒在抽出過程中，必然先經(jīng)過擋彈板前沿，此時擋彈板前沿的高度與藥筒底部下邊緣間的相對位置決定了藥筒能否瞬間通過擋彈板。當(dāng)筒體已在擋彈板之上時，擋彈板被藥筒下端面壓下而無法抬起，也就無需考慮擋彈板軸與撥動軸間作用與否。因此，只要擋彈板軸支臂與撥動軸支臂間的作用能夠保證藥筒底部下邊緣面通過擋彈板前沿，就可以完成抽筒。

通過故障模型仿真得到：當(dāng)擋彈板軸支臂與撥動軸支臂外廓共磨損2 mm時，藥筒在抽出過程中仍可以通過擋彈板前沿，而將擋彈板壓于筒體之下完成抽筒，如圖4（a）所示。當(dāng)兩支臂外廓共磨損4 mm時，在抽筒過程中由于擋彈板前沿高于藥筒下邊緣，導(dǎo)致藥筒被阻擋而無法抽出，藥筒抵在了擋彈板前端，如圖4（b）所示。

經(jīng)過多次仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)擋彈板軸支臂與撥動軸支臂外廓共磨損3.45 mm時，藥筒就出現(xiàn)了卡滯故障，同時也標(biāo)志著擋彈板軸與撥動軸的失效。圖5為開關(guān)閂過程中，兩支臂分別在無磨損、磨損2 mm和磨損3.45 mm工況下，擋彈板旋轉(zhuǎn)角度變化曲線。

圖4 抽筒故障發(fā)生前后

圖5 （a）中，曲線標(biāo)注了7個節(jié)點，前后兩節(jié)點間的曲線代表不同階段擋彈板轉(zhuǎn)動規(guī)律。a～b：仿真初期，擋彈板軸與撥動軸間無相互作用，擋彈板壓下角度為0；b～c：在開閂過程中，閂體下降，擋彈板軸與撥動軸相互作用，擋彈板轉(zhuǎn)動進(jìn)入擋彈板室，之后擋彈板軸與撥動軸脫離，擋彈板抬起。在這期間，藥筒在抽筒機構(gòu)作用下向后運動，有兩種情況：1）藥筒通過擋彈板前沿。c～d：由于兩者間的碰撞致使擋彈板回彈；d～e：擋彈板與藥筒下端面相接觸；e～f：在曲柄脫離開閂板后，閂體會向上運動一小段而被抽筒機構(gòu)凸臺卡住，擋彈板因此被筒體壓下一定角度；f～g：藥筒完全通過，擋彈板抬起。2）當(dāng)達(dá)到磨損極限時，藥筒抵在了擋彈板前端。擋彈板在抬起后，因與藥筒撞擊出現(xiàn)正向旋轉(zhuǎn)角度，并有一定的振蕩。

圖5（b）對曲線b～c段進(jìn)行了放大，由于擋彈機構(gòu)零件磨損，兩支臂接觸碰撞時機推遲，造成擋彈板壓下延遲，且壓下角度減小，抬起提前。當(dāng)磨損不嚴(yán)重時，藥筒仍能夠通過擋彈板前沿，完成抽筒；否則，無法抽出藥筒。

圖5 擋彈板旋轉(zhuǎn)角度

4 結(jié)論

本文通過炮閂虛擬樣機故障仿真確定了抽筒故障發(fā)生的時機，得到了表征故障的動態(tài)響應(yīng)，從而為有效的故障預(yù)防、進(jìn)行系統(tǒng)故障的快速尋因定位和實時的故障診斷提供了故障信息。雖然故障仿真對故障的研究變得更加高效便捷，但不能完全代替現(xiàn)實故障試驗，只是一種研究故障的有效手段?？梢员苊庹鎸嵐收涎芯康牟豢煽啃院筒话踩浴４送猓收戏抡婕夹g(shù)還有很多需要研究和完善的地方。例如：本文故障模式注入后僅能分析當(dāng)前所處狀態(tài)下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，而不能將多個故障層面一次注入來依次分析系統(tǒng)動態(tài)特性，只能通過多次注入的方式實現(xiàn)，這極大地降低了樣機使用效率。

［1］ 曹立軍，秦俊奇，王興貴.炮閂系統(tǒng)故障仿真預(yù)測系統(tǒng)研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2002（2）：50-53.

［2］ 劉榮娥，尹忠俊，陳兵.基于虛擬樣機的風(fēng)機不平衡故障仿真研究［J］.煤礦機械，2007，28（11）：178-180.

［3］ 李三群，賈長治，武彩崗，等.基于虛擬樣機技術(shù)的齒輪嚙合動力學(xué)仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（4）：901-904.

［4］ 陳德民，槐創(chuàng)鋒，張克濤，等.精通ADAMS 2005/2007虛擬樣機技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［5］ 李偉，馬吉勝，吳大林.機械系統(tǒng)虛擬樣機故障仿真技術(shù)研究［J］.計算機工程與設(shè)計，2011，32（5）：1759-1762.