調(diào)平誤差對(duì)裝填力的影響分析及仿真

徐如強(qiáng), 楊垂錦, 趙國建, 丁 宇

(1.北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京 100854； 2.貴州航天烏江機(jī)電設(shè)備有限公司，貴州 遵義 563003)

0 引 言

導(dǎo)彈裝填裝置是技術(shù)陣地內(nèi)的重要支援設(shè)備之一，是用于將導(dǎo)彈裝入或退出貯運(yùn)箱(筒)的重要設(shè)備。在導(dǎo)彈的裝填過程中需要保證貯運(yùn)箱內(nèi)導(dǎo)軌與裝填裝置導(dǎo)軌平齊及水平，然后導(dǎo)彈在推彈裝置作用下沿導(dǎo)軌滑動(dòng)直至裝填到位。在調(diào)整裝填裝置導(dǎo)軌與貯運(yùn)箱導(dǎo)軌平齊及水平的過程中通常使用水平儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行調(diào)平。在此過程中，除設(shè)備生產(chǎn)裝配產(chǎn)生的誤差外還有測量儀器誤差、觀測誤差、外界條件影響產(chǎn)生的各種誤差[1]，調(diào)平誤差的存在必然導(dǎo)致裝填設(shè)備導(dǎo)軌與貯運(yùn)箱導(dǎo)軌難以對(duì)齊及水平，特別是在長度方向通常難以調(diào)整水平，將對(duì)裝填力產(chǎn)生影響甚至造成裝填過程中導(dǎo)彈的損壞，而過高的調(diào)平精度將對(duì)設(shè)計(jì)和使用造成不利的影響。因此有必要對(duì)調(diào)平誤差與裝填力的影響關(guān)系進(jìn)行分析研究，有助于為設(shè)計(jì)和使用過程提供合理的調(diào)平誤差限值。

筆者通過對(duì)導(dǎo)彈裝填設(shè)備裝填過程的逐步分析，推導(dǎo)出了裝填過程中裝填力與調(diào)平誤差間的關(guān)系方程。同時(shí)采用MSC/Adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)裝填過程進(jìn)行仿真分析，得出某裝填裝置在調(diào)平誤差下的裝填力變化曲線，可較簡便的分析出裝填力的變化是否滿足設(shè)計(jì)和使用要求，同時(shí)達(dá)到驗(yàn)證該調(diào)平誤差是否滿足設(shè)計(jì)和使用要求的目的。

1 裝填過程

理想調(diào)平狀態(tài)下，裝填裝置與貯運(yùn)筒的導(dǎo)軌完全齊平，導(dǎo)彈沿導(dǎo)軌直接滑入貯運(yùn)筒，裝填過程示意簡圖見圖1所示。

圖1 裝填過程示意簡圖

因調(diào)平誤差的存在，無論裝填裝置或貯運(yùn)箱均可能與水平方向存在傾角，如此則共有多種調(diào)平工況，考慮工況分析復(fù)雜程度，本文僅對(duì)其中一種調(diào)平工況即裝填裝置下傾、貯運(yùn)箱上傾工況進(jìn)行全裝填過程裝填力的分析，見圖2～4。

圖2 導(dǎo)彈在裝填裝置上滑動(dòng)示意圖

圖3 導(dǎo)彈同時(shí)在裝填裝置及貯運(yùn)箱上滑動(dòng)示意圖

圖4 導(dǎo)彈在貯運(yùn)箱內(nèi)滑動(dòng)示意圖

2 裝填力分析

裝填裝置采用鏈傳動(dòng)形式驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈滑動(dòng)，在分析過程中不考慮鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)及各種附加載荷對(duì)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)速度變化的影響，將推彈裝置及其與導(dǎo)彈的作用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)看作勻速運(yùn)動(dòng)。則上述裝填工況的分析如下文所述。

2.1 在裝填裝置導(dǎo)軌上滑動(dòng)

導(dǎo)彈完全在裝填裝置導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)，其力學(xué)分析見圖5。

圖5 在裝填裝置上滑動(dòng)時(shí)的 圖6 在貯運(yùn)箱滑動(dòng)時(shí)的 力學(xué)分析 力學(xué)分析

依據(jù)受力平衡關(guān)系可得：

F+G×sinα=μ×Fn

(1)

G×cosα=Fn

(2)

由式(1)、(2)可得導(dǎo)彈完全在裝填裝置導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)的裝填力為：

F=μ×G×cosα-G×sinα

(3)

式中：F為裝填裝置對(duì)導(dǎo)彈的裝填力；G為導(dǎo)彈自重；Fn為導(dǎo)軌對(duì)導(dǎo)彈的支撐力；Fμn為導(dǎo)軌對(duì)導(dǎo)彈的摩擦力；μ為導(dǎo)軌與導(dǎo)彈間的摩擦系數(shù)；α為裝填裝置傾角或調(diào)平誤差。

2.2 在貯運(yùn)箱導(dǎo)軌上滑動(dòng)

導(dǎo)彈完全在貯運(yùn)箱導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)，其力學(xué)分析見圖6。

依據(jù)受力平衡可得

F=G×sinβ+μ×Fn

(4)

G×cosβ=Fn

(5)

由式(4)、(5)可得導(dǎo)彈完全在貯運(yùn)箱導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)的裝填力為：

F=μ×G×cosβ+G×sinβ

(6)

式中：F為裝填裝置對(duì)導(dǎo)彈的裝填力；G為導(dǎo)彈自重；Fn為導(dǎo)軌對(duì)導(dǎo)彈的支撐力；Fμn為導(dǎo)軌對(duì)導(dǎo)彈的摩擦力；μ為導(dǎo)軌與導(dǎo)彈間的摩擦系數(shù)；β為貯運(yùn)箱傾角或調(diào)平誤差。

2.3 在不同導(dǎo)軌上滑動(dòng)

當(dāng)導(dǎo)彈前后支腳分別在裝填裝置及貯運(yùn)箱導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)(見圖3)，導(dǎo)彈作平面運(yùn)動(dòng)，其受力分析見圖7，其中A點(diǎn)表示導(dǎo)彈后支腳，B點(diǎn)表示導(dǎo)彈前支腳，C點(diǎn)表示導(dǎo)彈質(zhì)心點(diǎn)，O點(diǎn)表示裝填裝置導(dǎo)軌與貯運(yùn)箱導(dǎo)軌對(duì)接點(diǎn)，D點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)瞬心。

圖7 在不同導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)的力學(xué)分析

依據(jù)理論力學(xué)[2]中運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及幾何關(guān)系可得：

(7)

(8)

(9)

(10)

La=va×t

(11)

Lb=vb×t

(12)

(13)

(14)

θ+γ=α+β

(15)

(16)

(17)

F×cosα+Fa×sinα-Fμa×cosα-Fb×

sinβ-Fμb×cosβ=m×acx

(18)

-F×sinα+Fa×cosα+Fμa×sinα+Fb×

cosβ-Fμb×sinβ-G=m×acy

(19)

Fμa=μ×Fa

(20)

Fμb=μ×Fb

(21)

(22)

(23)

[(F-Fμa)×sinδ-Fa×cosδ]×L1+[Fb×

(24)

α+β=φ+δ

(25)

式(7)～(25)共有19個(gè)方程，29個(gè)參數(shù)，其中可作為已知量的參數(shù)有va、m、G、L、L1、μ、Jc共7個(gè)，則在理論上可求解出裝填力F關(guān)于α、β、t的表達(dá)式：

F=F(α、β、t)

(26)

由上述式(3)、(6)及式(26)即可確定在導(dǎo)彈裝填過程中裝填力與調(diào)平誤差的關(guān)系，但因式(26)在實(shí)際求解過程中較為困難，可采用數(shù)值計(jì)算的方式進(jìn)行，在此不再進(jìn)行求解。

3 裝填過程仿真

MSC/Adams軟件以計(jì)算多體動(dòng)學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系，結(jié)合高性能計(jì)算機(jī)來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)而得到各種性能數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)問題并解決問題[3]。本文通過creo2.0軟件建立了某型裝填裝置裝填過程的簡化仿真模型，通過MSC/ADAMS軟件進(jìn)行裝填過程的動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到裝填過程中裝填力的變化曲線。

某型號(hào)導(dǎo)彈裝填過程的簡化仿真模型如圖8所示，導(dǎo)彈質(zhì)量按1 000 kg計(jì)，支腳間距縮比為1 000 mm，與導(dǎo)軌動(dòng)摩擦系數(shù)按0.1，當(dāng)調(diào)平誤差α=0.5°，β=1°時(shí)的仿真結(jié)果見圖9。圖中粉線表示裝填過程中的推彈架對(duì)導(dǎo)彈的作用力即推彈力的變化曲線，藍(lán)線表示貯運(yùn)筒與導(dǎo)彈間的摩擦力分量變化曲線，紅線表示裝填架與導(dǎo)彈間的摩擦力分量變化曲線。

圖8 仿真簡化模型

從圖9中可以看出：0～5 s間，導(dǎo)彈在裝填架上移動(dòng)；5～55 s間，導(dǎo)彈前支腳作用在貯運(yùn)筒導(dǎo)軌上，后支腳作用在裝填架導(dǎo)軌上；55～60 s，導(dǎo)彈完全滑上貯運(yùn)筒導(dǎo)軌。在5～55 s的裝填過程中，裝填力曲線總體上較為平整，相較理論分析而言更直觀簡潔，同時(shí)可以得出理論分析的過程較為復(fù)雜，可以進(jìn)一步進(jìn)行簡化。通過仿真曲線可直觀的看出該調(diào)平誤差設(shè)定下的裝填力變化情況，進(jìn)而為裝填裝置調(diào)平誤差的限值確定提供依據(jù)。

圖9 裝填力仿真曲線

4 結(jié) 語

通過理論分析研究，推導(dǎo)出了一種工況下裝填力與調(diào)平誤差間的全裝填過程的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過MSC/Adams軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得出某調(diào)平誤差工況下全裝填過程的裝填力曲線。通過曲線變化情況得出需要對(duì)導(dǎo)彈在不同導(dǎo)軌上滑動(dòng)時(shí)的理論分析過程進(jìn)行進(jìn)一步的簡化，以便更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)和使用工作。理論分析及動(dòng)力學(xué)仿真均可為裝填裝置設(shè)計(jì)及使用過程中調(diào)平誤差的限值確定提供一定的理論依據(jù)。