一類(lèi)擺彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性研究

彭京徽，朱擁勇，孫 強(qiáng)，李宇浩，劉遠(yuǎn)強(qiáng)，王永財(cái)

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

擺彈機(jī)是大口徑艦炮自動(dòng)供彈系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將揚(yáng)彈末端垂直擺放的彈藥快速、準(zhǔn)確地?cái)[送至轉(zhuǎn)彈機(jī)工作位置。擺彈和轉(zhuǎn)彈的交接誤差是進(jìn)行自動(dòng)供彈系統(tǒng)可靠性研究的必要條件，研究擺彈機(jī)運(yùn)動(dòng)特性對(duì)改進(jìn)自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，提高機(jī)構(gòu)可靠性對(duì)提升裝備性能有著重要意義。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)滿足現(xiàn)代化海戰(zhàn)要求的含擺彈機(jī)構(gòu)的艦炮自動(dòng)供彈系統(tǒng)展開(kāi)了研究[1-12]。在常見(jiàn)的擺彈機(jī)構(gòu)研究中，普遍基于有限元法和虛擬樣機(jī)技術(shù)。文獻(xiàn)[6-7]采用笛卡爾坐標(biāo)分量和弧坐標(biāo)分量來(lái)共同描述柔性擺彈臂的彈性變形及運(yùn)動(dòng)關(guān)系；文獻(xiàn)[9]考慮擺彈臂的柔性變形及參數(shù)的隨機(jī)分布，以有限元模型為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用支持向量回歸機(jī)與蒙特卡洛法分析動(dòng)作可靠性；文獻(xiàn)[10]建立了考慮彈藥質(zhì)量、質(zhì)心位置等為隨即變量的擺彈機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型；唐文獻(xiàn)等[13]應(yīng)用Ansys軟件的FE-SAFE疲勞分析模塊，探討了零件表面粗糙度對(duì)中腹擺彈臂的疲勞壽命及安全系數(shù)的影響；李淵明[14]運(yùn)用含間隙機(jī)構(gòu)的分析方法，對(duì)擺彈機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性分析，并以此對(duì)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了靜力分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)剛性擺彈機(jī)構(gòu)建立了擺彈機(jī)擺彈過(guò)程受力模型和運(yùn)動(dòng)方程，利用Matl a b數(shù)值分析，分別對(duì)比研究彈藥質(zhì)量偏差±0.2 kg、彈體不同滑移加速度0.1 mm/s2和0.2 mm/s2、以及不同附加轉(zhuǎn)矩1 N/m×sinθ和2 N/m×sinθ時(shí)擺彈過(guò)程中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性變化情況。

1 擺彈機(jī)工作機(jī)理與受力分析

1.1 擺彈機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

擺彈機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力原件、齒輪齒條組件、擺彈臂3部分組成，如圖1所示。其中齒輪軸受支承轉(zhuǎn)動(dòng)約束，且擺彈臂與齒輪軸固定約束,抱彈裝置與擺彈臂相連。擺彈機(jī)構(gòu)在豎直位置時(shí)抱彈裝置抱住揚(yáng)彈末端的彈藥，動(dòng)力源對(duì)齒條施加拉力，齒條開(kāi)始向后運(yùn)動(dòng)，嚙合齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)擺彈臂擺動(dòng)，使得擺彈臂上的彈藥運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)彈機(jī)交接位置。

圖1 擺彈機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The structure diagram of shell swinging service mechanism

1.2 擺彈機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型

擺彈機(jī)擺動(dòng)過(guò)程的受力模型如圖2所示。圖中O，Ob，Od分別是齒輪轉(zhuǎn)軸軸心，擺臂與抱彈裝置的質(zhì)心，彈體質(zhì)心；Gb，Gd為質(zhì)心Ob，Od處的重力；Lb，Ld是質(zhì)心Ob，Od到齒輪軸心O的垂直距離；θ表示擺彈臂的轉(zhuǎn)角；rp是齒輪的分度圓半徑，F(xiàn)是驅(qū)動(dòng)力且與轉(zhuǎn)角θ關(guān)聯(lián)。

圖2 擺彈機(jī)受力圖Fig. 2 The force diagram of the shell swinging service mechanism

彈體在擺彈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力如圖3所示。圖中FN是重力作用下的抱彈裝置給的支撐力，F(xiàn)j是抱彈裝置給彈體的緊箍力。

圖3 彈體的受力圖Fig. 3 The force diagram of the projectile body

2 擺彈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程

2.1 理想狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程與仿真對(duì)比

2.1.1 理想狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程

由圖2可知，齒條給齒輪軸心逆時(shí)針?lè)较虻尿?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq，擺彈臂和彈體等給齒輪軸心順時(shí)針?lè)较虻呢?fù)載轉(zhuǎn)矩Mz；mt，ml，mb，md分別表示齒條的質(zhì)量、齒輪與齒輪軸組的質(zhì)量、擺臂與抱彈裝置的質(zhì)量、彈體的質(zhì)量；分別表示齒輪與齒輪軸組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、擺臂與抱彈裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，彈體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和擺彈機(jī)被動(dòng)組件總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別表示轉(zhuǎn)角的角速度和角加速度；T1是彈體的動(dòng)能。

隨著dt和Δt值越小，精度越高，下文求解時(shí)dt和 Δt均取 0.000 01。

2.2 考慮彈體滑移時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程

實(shí)際擺彈過(guò)程存在彈體滑移現(xiàn)象，由上式可知，當(dāng)不考慮碰撞現(xiàn)象，彈體滑移可看成是距離Ld變化對(duì)擺彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生的影響，同時(shí)文獻(xiàn)[11]考慮的彈藥質(zhì)量參數(shù)變化也可以看成是質(zhì)心位置發(fā)生了變化。在擺動(dòng)過(guò)程中將彈體作為對(duì)象進(jìn)行受力分析，由圖3可知，彈體受垂直向下的重力Gd，一部分被彈體和抱彈裝置間產(chǎn)生的摩擦力Ff抵消，剩余合成力導(dǎo)致彈體滑移。

式中：μ為摩擦系數(shù)，分別為彈體滑動(dòng)的加速度、速度和位移；為滑移后的實(shí)際距離；T2為彈體滑移下彈體的動(dòng)能。

2.3 考慮附加轉(zhuǎn)矩時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程

參考三維間隙接觸模式[15]，彈體在含間隙的抱彈裝置中滑移時(shí)會(huì)產(chǎn)生XOY平面的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得擺彈機(jī)構(gòu)附加轉(zhuǎn)矩。將附加轉(zhuǎn)矩代入，可得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

式中，T3為附加轉(zhuǎn)矩下彈體的動(dòng)能。

3 擺彈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性算例分析

為得到3種狀態(tài)下的彈體運(yùn)動(dòng)特性，分別取F=3 288.6×θ+cosθ，mt=10 kg，ml=5 kg，mb=35 kg，md=40 kg，rp=0.1 m，Lb=0.5 m，Ld=0.85 m，Jl=0.025 N/m，Jb=1.45 N/m，Jd=5 N/m，g=10 m/s2。

3.1 不同彈體質(zhì)量偏差時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性

在理想運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，取彈體質(zhì)量變化Δm1=-0.2 kg，Δm2=0 kg，Δm3=0.2 kg，可得到運(yùn)動(dòng)特性變化情況如圖4所示。圖中實(shí)線、點(diǎn)畫(huà)線和虛線分別表示彈體質(zhì)量變化Δm1=-0.2 kg，Δm2=0 kg，Δm3=0.2 kg時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性曲線。由圖4可知，彈體質(zhì)量偏差對(duì)擺彈運(yùn)動(dòng)有較大影響，且彈體質(zhì)量增加過(guò)大，可能導(dǎo)致擺彈動(dòng)作不到位，造成供彈失敗。

圖4 不同質(zhì)量偏差下的運(yùn)動(dòng)曲線Fig. 4 The motion curves under different mass deviations

3.2 考慮彈體滑移時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性

為得到彈體滑移時(shí)擺彈的運(yùn)動(dòng)特性，考慮到彈體滑移受轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力等多因素的影響，研究在給定彈體滑移加速度為0 mm/s2，0.1 mm/s2和0.2 mm/s2時(shí)，得到擺彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線如圖5所示。圖中點(diǎn)畫(huà)線、實(shí)線和虛線分別表示加速度為0 mm/s2，0.1 mm/s2和0.2 mm/s2時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性曲線。

由圖5可知，彈體滑移會(huì)導(dǎo)致擺彈時(shí)間變長(zhǎng)，隨滑移加速度增大而增大。

圖5 不同滑移加速度下的運(yùn)動(dòng)曲線Fig. 5 The motion curves under different slip accelerations

3.3 考慮附加轉(zhuǎn)矩時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性

圖6 不同附加轉(zhuǎn)矩下的運(yùn)動(dòng)曲線Fig. 6 The motion curves under different additional torque

由圖6可知，小附加轉(zhuǎn)矩對(duì)擺彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性影響較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)施加上述驅(qū)動(dòng)力對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)受力分析、方程推導(dǎo)和數(shù)值對(duì)比，計(jì)算得到擺彈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。結(jié)果表明：

1）彈體質(zhì)量偏差對(duì)擺彈運(yùn)動(dòng)有較大影響，且彈體質(zhì)量增加過(guò)大，可能導(dǎo)致擺彈不到位，造成供彈失敗。

2）彈體滑移會(huì)導(dǎo)致擺彈時(shí)間變長(zhǎng)，隨滑移加速度增大而增大。

3）當(dāng)彈體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有小附加轉(zhuǎn)矩時(shí)，對(duì)擺彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性影響較小。

4）在研究各運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化對(duì)擺彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性影響時(shí)，可利用本文公式進(jìn)行計(jì)算分析。但是該公式計(jì)算其他形式擺彈機(jī)構(gòu)時(shí)的精度有待于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。