高平機特性仿真分析與驗證

2022-01-18 03:02:06李宜丁房世義

機械工程與自動化 2021年6期

趙凡，李宜丁，房世義

(山西北方機械制造有限責任公司，山西太原 030009)

0 引言

車載榴彈炮為了避免后坐時后坐部分與地面或車體碰撞，將后坐部分相對耳軸向前布置，起落部分重心位于耳軸前，于是產生了一個使炮口向下的重力矩。平衡機的作用是提供一個相對于耳軸的平衡力矩來克服火炮起落部分的重力矩，保證高低機操作時打高輕便、打低平穩[1-3]。高平機兼具高低機和平衡機的雙重作用，本文建立全炮動力學模型，得到高平機在不同射角下的受力特性，通過計算和測試結果分析高平機的性能。

1 高平機結構原理

采用液體氣壓式高平機，在MATLAB中建立了以整個射角范圍內的最大不平衡力矩為目標函數的數學模型，利用MATLAB優化工具箱對初始設計方案進行優化，降低了起落部分不平衡力矩，根據優化設計后參數完成液體氣壓式高平機的結構設計[4-7]。

高平機結構見圖1，其中內筒、中筒和下鉸支構成了上行腔，中筒和外筒構成下行腔，上螺母、內筒和外筒構成平衡腔并與蓄能器聯通。

內筒采用中空的形式，一方面減輕了高平機的重量，有利于高平機減重，而又不影響高平機穩定性；另一方面液壓油可以通過內筒進入高低機的上行腔，在結構上不必在下端開設液壓油口，可以有效減小高平機總體結構尺寸。

中筒通過下鉸支與上架鉸接，相對于上架只有旋轉運動。中筒左端的活塞與內、外筒接觸，中筒內壁與內筒外壁留有相對運動間隙，內側有起支撐作用的導向件，以提高高平機穩定性。

外筒左端通過連接螺母與內筒固定連接在一起，即相對內筒沒有運動。上鉸支的位置設定在外筒的中間位置，以焊接方式連接，以滿足結構上的要求。

1-上端蓋；2-上螺母；3-內筒；4-活塞；5-上鉸支；6-外筒；7-密封端蓋；8-下螺母；9-下鉸支；10-中筒

2 動力學模型建立

以全炮為對象，對全炮系統動力學響應進行模擬計算分析[8-12]，以獲得火炮發射時高平機的受力特性。計算工況包括：①火炮方向射角為0°，高低射角為70°；②火炮方向射角為45°，高低射角為0°。全炮三維模型如圖2所示。

圖2 全炮三維模型

2.1 基本假設

實際情況下，火炮系統的發射是一個運動和受力非常復雜的過程[13]，火炮系統所有的零部件都是彈性體或彈塑性體，且火炮各零部件之間都存在著配合間隙。為了研究高平機對火炮發射過程的影響，本模型中不考慮彈丸運動的影響，在火炮系統虛擬樣機模型的建立和仿真分析時，進行以下假設：

(1) 全炮除輪胎外皆視為剛體，對高平機進行了簡化，用彈簧代替。

(2) 后坐部分相對搖架沿炮膛軸線方向做后坐和復進運動。

(3) 搖架相對上架繞耳軸做轉動。

(4) 上架相對車架做轉動。

(5) 車輪相對車架做上下運動。

2.2 全炮拓撲關系

基于以上基本假設建立車載炮發射動力學模型，模型拓撲關系如圖3所示。

圖3 全炮拓撲關系

圖3中，h表示部件與部件之間的連接關系和力作用關系，h1、h2、h3、h4分別為前輪、千斤頂、后輪、大架與地面間的作用力(包括垂直和水平分量)；h5、h7代表懸掛，即車架與輪胎間聯接，包括滑移鉸和等效線性彈簧阻尼器；h6為車架與千斤頂的聯接及作用力；h8為車架與大架間的聯接及作用力；h9為上架與車架間的聯接及作用力；h10為搖架與上架間的聯接及作用力；火炮發射時，后坐部分相對搖架沿炮膛軸線方向做后坐和復進運動，即具有一個平動自由度，h11表示滑移副以及后坐部分與搖架間的反后坐裝置力、摩擦力。