基于RecurDyn的鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)彈倉多邊形效應(yīng)分析

解鳳娟,何宗穎,駱小平,孫大鵬

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712009)

鏈條傳動的多邊形效應(yīng)是指當(dāng)鏈條的主動鏈輪以定角速度轉(zhuǎn)動時，從動鏈輪的轉(zhuǎn)速以及鏈條的速度均是不恒定，而是呈現(xiàn)出周期性變化，這主要是由于節(jié)圓和節(jié)線的多邊形不重合導(dǎo)致的，如圖1[1]所示，當(dāng)主動鏈輪以速度vA轉(zhuǎn)動時，鏈條水平速度v發(fā)生周期性變化，當(dāng)鏈輪轉(zhuǎn)過一個鏈節(jié)時，速度的變化為一個周期[2]，其計算公式為：

v=vA cosβ

式中，v為鏈條速度;vA為主動鏈輪的線速度;T為鏈條速度變化周期;N為主動鏈輪轉(zhuǎn)速(r/min);n為鏈輪齒數(shù)。

大口徑火炮由于彈丸質(zhì)量較大，尺寸較長，人員不易操作，因而多采用自動供彈裝置[3]。鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)彈倉具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高等優(yōu)點，在大口徑火炮供彈裝置中應(yīng)用較多。某彈倉采用鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)原理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，采用了3齒鏈輪，其回轉(zhuǎn)運(yùn)動的多邊形效應(yīng)比較明顯[4]。

RecurDyn軟件是專業(yè)的多體動力學(xué)仿真軟件，非常適合于求解大規(guī)模及復(fù)雜接觸的多體動力學(xué)問題[5]。

通過對比分析RecurDyn軟件,計算出彈倉的不同數(shù)據(jù)和圖形，選擇合適的方案，減小多邊形效應(yīng)在彈倉運(yùn)動中的影響。

1 彈倉建模

1.1 彈倉模型建立

由于RecurDyn軟件建立復(fù)雜裝配模型不如UG方便快捷，本文將通過UG分別建立彈倉各組成部件的三維模型，如圖2所示，彈倉主要由彈筒、套箍、彈架導(dǎo)軌、主動和從動鏈輪等組成，之后按照相應(yīng)的裝配關(guān)系完成彈倉的裝配模型，將該模型轉(zhuǎn)成*.x_t格式導(dǎo)入到RecurDyn軟件中。

彈倉回轉(zhuǎn)雖然采用的是鏈?zhǔn)絺鲃釉?，但由于彈筒和套箍的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與標(biāo)準(zhǔn)的鏈節(jié)和鉸接軸區(qū)別較大，因此無法直接調(diào)用RecurDyn軟件中的chain(鏈條)模塊，必須直接單獨給各個組件定義約束和接觸，具體定義如下：彈架定義為固定副、主、從動鏈輪與彈架為鉸接、彈筒與套箍為鉸接、滾輪與套箍為鉸接、滾輪與彈架軌道為面接觸、滾輪3齒面與相應(yīng)的彈筒面為面接觸，各接觸面均設(shè)定為相同材質(zhì)的材料(鋼)，各組件受重力情況與實際情況相同。根據(jù)實踐經(jīng)驗，碰撞接觸參數(shù)選取如表1所示。

表1 彈倉模型動力學(xué)模型參數(shù)設(shè)置[5]

1.2 基于RecurDyn軟件的接觸力理論

在RecurDyn軟件中，物體之間的接觸力公式[5]為：

這些參數(shù)的取值取決于材料的類型和尺寸。

1.3 仿真分析

添加彈倉各組件的約束后，定義鏈輪轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動，之后進(jìn)行運(yùn)算求解，運(yùn)算成功后，可直接查看彈倉的實時運(yùn)動情況，應(yīng)用Recurdyn軟件的后處理，可輸出所需要的曲線和數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析。

2 不同相位時的速度和扭矩變化

針對如圖2所示的彈倉模型，分別按照相同相位和最大不同相位進(jìn)行布置，相同相位即兩鏈輪在回轉(zhuǎn)時其3個齒的位置完全相同(即圖2所示)，最大不同相位是指兩鏈輪在回轉(zhuǎn)時其3個齒處于180°的位置(如圖3所示)。

分別建立兩種情況的三維模型，為了提高計算速度，簡化模型，用盡量少的鏈節(jié)，因而裝配時同相位只用9個筒子裝配，不同相位時只用10個筒子裝配，之后將模型輸入到RecurDyn軟件中，設(shè)置相同的約束和接觸條件，均定義主動輪以10 r/min分的速度勻速轉(zhuǎn)動，為減小仿真運(yùn)算時間，只計算鏈輪轉(zhuǎn)動2個彈距的時間，即鏈輪轉(zhuǎn)動240°，由轉(zhuǎn)速可以計算出這個時間為4 s。

經(jīng)過運(yùn)算，兩個裝配體的運(yùn)動按照預(yù)想的運(yùn)動軌跡運(yùn)行，對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行后處理，可以分別得到鏈條水平速度曲線和主動鏈輪的輸入扭矩曲線。鏈條水平速度曲線反應(yīng)了水平軌道上彈筒的水平運(yùn)動速度隨時間變化的情況，輸入扭矩曲線反應(yīng)了主動軸運(yùn)動時所需扭矩的變化情況，這兩條曲線直接反應(yīng)了運(yùn)動的穩(wěn)定性，也即多邊形效應(yīng)對彈倉運(yùn)動的影響。

圖4、圖5分別為同相位和最大不同相位時的鏈條水平速度曲線。從圖4可以看出，主、從動鏈輪同相位布置時彈倉運(yùn)動的速度曲線變化較緩，數(shù)值波動小，周期T在2 s左右，與理論計算值相符，速度在80～180 mm/s之間呈余弦式周期變化。從圖5可以看出，主、從動鏈輪最大不同相位布置時彈倉的運(yùn)動速度波動比較大，變化的周期不易讀出，速度在40～240 mm/s之間變化。

圖6、圖7分別為同相位和最大不同相位時的主動鏈輪輸入扭矩曲線。從圖6可以看出，同相位布置時彈倉的輸入扭矩在開始時出現(xiàn)了1次震蕩，之后逐步趨于穩(wěn)定，大致在20 N·m以內(nèi)波動。而從圖7可以看出，最大不同相位布置時主動鏈輪的輸入扭矩數(shù)值較大，在170 N·m以內(nèi)，并且波動一直比較大。

以上分析可以得出，大節(jié)距、齒數(shù)少的鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)彈倉按照主、從動鏈輪相同相位的方式布置時，可減小多邊形效應(yīng)引起的速度波動和彈倉輸入扭矩波動。

相位是否相同的選擇規(guī)律是：若(n-Z)是偶數(shù)，則兩鏈輪為同相位布置，若(n-Z)是奇數(shù)則兩鏈輪為最大不同相位布置， 其中n是鏈節(jié)數(shù)即是彈筒數(shù)，Z是鏈輪齒數(shù)。

3 不同驅(qū)動時的速度和扭矩變化

采用上述相同相位3齒鏈輪傳動的彈倉模型，并且定義相同的約束和初始環(huán)境，不同的是本次計算設(shè)定主、從動鏈輪均是以10 r/min的速度勻速轉(zhuǎn)動，采用兩鏈輪同時驅(qū)動彈倉回轉(zhuǎn)。經(jīng)過運(yùn)算后，由于主、從動兩鏈輪扭矩曲線和速度曲線完全相同，所以本文只列出了1個軸的扭矩和速度曲線，分別如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，雙軸驅(qū)動時，彈倉轉(zhuǎn)動周期T數(shù)值在2 s左右，與計算值相符，鏈條水平速度在60～140 mm/s之間余弦式周期變化，彈倉轉(zhuǎn)動時單個鏈輪所需的扭矩在0～140 N·m之間變化，彈倉所需要的總扭矩是雙鏈輪扭矩之和，即是0～280 N·m之間變化。

與同相位單軸驅(qū)動彈倉的運(yùn)算曲線(圖4和圖6)相比，兩者有如下區(qū)別：

1)對比圖4和圖8速度曲線可知，兩者速度幅值大致相同，但是雙軸驅(qū)動的速度跳動較大，運(yùn)動的平穩(wěn)性不如單軸驅(qū)動彈倉的平穩(wěn)性好；

2)對比圖6和圖9扭矩曲線圖可知，雙軸驅(qū)動彈倉回轉(zhuǎn)所需要的總扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單軸驅(qū)動所需要的扭矩值，其原因可能是因為雙軸驅(qū)動會導(dǎo)致鏈條過緊，需要更大的輸入扭矩。

通過比較可以看出，鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)彈倉選用雙軸驅(qū)動的方式并不能減小多邊形效應(yīng)的影響，并且會導(dǎo)致輸入扭矩大大增加，因此在設(shè)計時，在滿足動力要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用主動鏈輪單軸驅(qū)動的方式。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用RecurDyn軟件對鏈?zhǔn)綇梻}的運(yùn)動進(jìn)行仿真分析，可直觀地認(rèn)識鏈條傳動的多邊形效應(yīng)，并且明確了主從鏈輪具有相同相位布置，以及采

用單軸驅(qū)動時對減小彈倉回轉(zhuǎn)運(yùn)動的多邊形效應(yīng)具有較好的效果，此結(jié)論對鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)彈倉的設(shè)計起到了一定的指導(dǎo)性作用。目前僅對上述兩方面進(jìn)行了分析，對鏈輪齒數(shù)、鏈輪節(jié)距、彈筒總節(jié)數(shù)等方面對彈倉多邊形效應(yīng)的影響規(guī)律還未進(jìn)行仿真分析，有待更進(jìn)一步的研究。

[1] 梁志民，安宗文，李朝暉，等.鏈速補(bǔ)償機(jī)構(gòu)設(shè)計[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2003(2)：47-49.

LIANG Zhi-min AN Zong-wen LI Chao-hui et al .Design of compensating mechanism of chain velocity[J].Journal of Gansu University of Technology，2003(2)：47-49. (in Chinese)

[2] 《機(jī)械設(shè)計手冊》編委會. 機(jī)械設(shè)計手冊：第2卷[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005：14-81.

Editorial committee of mechanical design handbook.Mechanical design handbook:second volume[M].3rd ed.Beijing:China Machine Press，2004:14-81. (in Chinese)

[3] 梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動裝填系統(tǒng)現(xiàn)狀和趨勢[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2010(3)：103-107.

LIANG Hui,MA Chun-mao，PAN Jiang-feng，et al.Current situation and development trend of autoloader in large caliber howitzer[J]. Journal of Gun Launch & Control,2010(3)：103-107.(in Chinese)

[4] 張玲玲，陸天煒， 吳鹿鳴，等. 鏈傳動多邊形效應(yīng)的實驗研究[J].機(jī)械工程與自動化，2010(8)：97-99.

ZHANG Ling-ling， LU Tian-wei， WU Lu-ming，et al. Experimental study on the polygon-effect of chain-transmission[J].Mechanical Engineering & Automation,2010(8)：97-99. (in Chinese)

[5] 鄭建興，張相炎.基于RecurDyn的同步帶彈箱動態(tài)特性仿真研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2010(4)：75-78.

ZHENG Jian-xing，ZHANG Xiang-yan.Dynamic characteristic research of timing belt ammunition box based on RecurDyn[J].Journal of Gun Launch & Control，2010(4)：75-78.(in Chinese)