高速滾轉隔離機構傳動軸的設計與分析

厲衛(wèi)，李文彬

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094)

高速滾轉隔離機構傳動軸的設計與分析

厲衛(wèi)，李文彬

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇 南京 210094)

基于二維彈道修正原理，提出高速滾轉隔離機構的設計要求，對其運行基本狀況提出了一定的限制。采取高速滾轉機構傳動軸的1/4作為扇區(qū)并進行了相應的線性靜態(tài)分析，還進行了對應的模態(tài)分析，得出其固有頻率以及對應頻率下特殊部位形變情況，為軸系的安全平穩(wěn)運轉提供了依據。

高速滾轉；隔離；有限元；模態(tài)分析

0 引言

引信機構的運動規(guī)律的準確性影響著引信設計、研發(fā)、分析及評價，而在實際環(huán)境中，引信機構由于其體積小、結構復雜、元件脆弱以及其在發(fā)射過程中受到的極限條件限制，使得難以通過射擊實驗直接獲得引信機構的運動規(guī)律[1]。通過盡可能逼近正常彈道環(huán)境條件的物理仿真，進而得到引信機構的運動規(guī)律，已經成為國內外引信技術研究的主要手段。由于模擬條件實現難度較大，目前還有不少問題有待解決：1) 引信滾轉機構穩(wěn)定性問題，引信在二維彈道環(huán)境下某些階段的轉速較高，導致整個實驗裝置發(fā)生高頻振動或傳動軸變形甚至斷裂的問題；2) 引信機構的體積小、質量輕，較難做到在測量其運動參量的過程中不影響其運動規(guī)律；3) 傳感器測量信號后的存儲及實時傳輸問題。

現階段智能彈藥彈道的二維修正主要使用舵翼及引信部速度分離，由其內部測量元件測出其即時姿態(tài)，計算后再通過執(zhí)行元件給舵翼部分額外扭矩，穩(wěn)定舵翼姿態(tài)以實現彈道修正。介紹了對高速旋轉彈丸運動模擬裝置的原理設計并運用ANSYS對其傳動軸系的受力及固有頻率進行的仿真分析工作情況。

1 高速滾轉裝置結構原理

彈丸的彈道起始階段運動狀態(tài)可以分解為繞其極軸的自轉、相對于速度矢量線的張動及章動平面的進動[2]，在該運動模擬裝置中只考慮其一維中的高速自轉，該方向上的運動可用機械的方法來實現，高速旋轉彈丸運動模擬裝置以軸承支架為支撐，電動機驅動引信，模擬引信在彈道環(huán)境的運動規(guī)律以及其速度分離，從而可以通過舵翼端的測量裝置獲得其轉速并計算其內部固有摩擦扭矩，為下一步實驗提供有效數據。

如圖1所示，高速滾轉模擬裝置由支承系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成。支承系統(tǒng)由底座、軸承座、套杯、支承軸承組成；驅動系統(tǒng)由伺服電動機、傳動桿組成；控制系統(tǒng)由伺服驅動器及編碼器組成；測試系統(tǒng)由轉速測試元件等組成。電動機、聯軸器、傳動桿、引信及舵翼位于同一軸線上。舵翼部分用一類似三爪卡盤原理的機構進行裝夾，主要作用時傳遞扭轉力矩，不提供較大徑向緊固力；為保證同軸度，引信部分夾具為一內有螺紋及階梯的圓筒并與傳動桿做成一體。該實驗裝置主要是為測得在一定軸向夾緊力下引信部與舵翼部的摩擦力矩。

圖1 高速滾轉模擬裝置理論結構圖

2 傳動軸結構設計

軸在機械結構系統(tǒng)中是至關重要的部件之一，它不僅具有支撐零件、傳遞運動和動力的作用，機器整體運作的工作能力與工作質量也與軸有著很重要的關聯，軸的失效必然將導致整個系統(tǒng)的工作癱瘓，因此軸的設計不同于一般的零部件，它包含強度設計與結構設計，不僅考慮其與軸上零件或其他部件的配合，同時也要考慮其承載能力[3]。

高速滾轉隔離機構主要目的是為了實現試件的前后分離：結構分離、速度分離、力矩等要素分離，因此該機構必然分為不同的部分，針對實驗要求，應該有高速滾轉部分及低速滾轉部分，因此軸的結構設計也應相對應進行劃分。

高速滾轉傳動軸設計要求：

1) 與電動機采用聯軸器相連，由于電動機主軸為光軸，考慮到高速轉動中動平衡問題，則傳動軸與聯軸器相連部分也應為光軸。

2) 考慮到傳動軸最終目的是帶動試件進行高速旋轉，傳動軸承完全傳遞轉速及扭矩，則傳動軸與試件相連部分應為夾具或者直接連接(銷釘、螺栓、螺紋或其他方式)，根據試件結構(尾部外螺紋)，確定該軸端為內螺紋結構。

3) 考慮固定底板尺寸及安裝要求(成對高速軸承)，分析傳動軸長度及與軸承相對位置。

4) 考慮高速滾轉部分試驗臺通用性，在風洞條件下考慮整流及防塵，應為其增加整流罩或整流結構。

最終設計高速滾轉傳動軸結構如圖2所示。

圖2 高速滾轉傳動軸結構示意圖

同樣的相對較低轉速部分傳動軸結構要求為：

1) 如高速滾轉部分傳動軸類似，相對低速部分驅動電動機主軸為光軸如圖3所示，選用聯軸器進行與軸之間的傳動，考慮其動平衡問題，則其與聯軸器相連部分為光軸。

2) 在進行試件內部摩擦力預測量時，該部分傳動軸端應使用轉速測量元件進行轉速測量，因此與聯軸器相連部分應為一多用途軸端，能夠安裝轉速測量元件。

3) 右端與試件相連部分應可安裝一個對試件進行水平限定以保持其對中性的類似夾具的部件，因此該端應有相應的特征以進行該部件的安裝。

圖3 相對低速滾轉傳動軸結構示意圖

3 傳動軸結構分析

高速滾轉隔離機構軸系為40鋼，其主要特性：強度較高，可切削性良好，表面淬火后可用于制造承受較大應力件，適于制造曲軸心軸、傳動軸、活塞桿、連桿等。

該材料楊氏模量(彈性模量)：E=270GPa；

密度為：ρ=7.85g/cm3=7850kg/m3；

泊松比為：μ=0.29。

對高速滾轉隔離機構的軸系進行模態(tài)分析，為減少工作量和計算量，在同樣的時間內得到更為精確的結果，本文將軸系視作循環(huán)隔離機構，該機構中對軸承進行加熱后安裝到軸上，冷卻后可以認為無徑向游隙，視為給了軸一個預緊力，因此將該分析視為有預應力的模態(tài)分析[4]。

根據文獻得到過盈力與設計參數之間的關系表達式如下所示[5]：

式中：k0——比例常數，k0=24800；

e——過盈量。

在高速滾轉部分軸的設計中，其與軸承接觸部分過盈量為0.011mm～0.03mm，取其中間值約為0.15mm進行計算，D2=78mm，D3=70mm，最終得到計算結果為：

其中，H=20×10-3mm，接觸面積為：

S=πD3·H=4.4×10-4m2

同理，相對低轉速軸承過盈量約為0.015～0.028mm，取其中間值0.21mm，最終計算得到結果為：

其中，高速滾轉軸與軸承接觸面寬度為20mm，低速轉軸與對應軸承接觸寬度為9mm。

高速滾轉軸在繞于地面水平的軸進行高速旋轉，理想狀態(tài)下無軸向與徑向位移，但是有周向速度和加速度，因此分析該機構的自由度為僅有一個繞z軸(柱坐標系中)的旋轉自由度，因此對該結構進行約束設置為在于軸承內接觸的面進行Frictionless Support(無摩擦約束)的設置，則該結構還剩下軸向位移與繞軸轉動兩個自由度，再對其軸線端點處增加一個點固定約束，限制其軸向位移，雖然該分析為靜態(tài)分析，但是瞬態(tài)也可以看成為靜態(tài)，則給該分析機構一個繞軸為18000r/min的轉速，至此則約束設置完成。如上面所說，對軸系的模態(tài)分析是有預應力的模態(tài)分析，則該分析機構的預應力應為軸承給軸的壓力，設置該力類型為Pressure，大小為42MPa，則最終約束圖如圖4。

圖4 高速滾轉傳動軸約束設置示意圖

進入ANSYS經典界面對其進行網格劃分，選擇單元形式為Solid95，進行網格劃分，得到其節(jié)點數為158130個，單元數為107814個，其網格模型如圖5。

圖5 高速滾轉傳動軸網格劃分模型圖

接下來進入求解階段，對該結構進行求解則最后靜態(tài)分析結果如圖6所示。

圖6 高速滾轉傳動軸線性靜態(tài)分析云圖

其對應的整體結構云圖如圖7所示。

圖7 高速滾轉傳動軸整體云圖

其最大位移處為：4.04×10-3mm，最小位移為2.61×10-6mm，最大應力處應力為94.08MPa，最小處為0.56MPa。

對相對低轉速部分進行線性靜態(tài)結構分析，該結構劃分節(jié)點數為300314個，單元數為203174個。

對其進行同樣的約束，最終得到其分析結果如圖8所示。

圖8 相對低速滾轉軸線性靜態(tài)分析云圖

同樣的其對應的整體結構云圖如圖9所示。

圖9 相對低速滾轉傳動軸整體云圖

靜態(tài)分析為模態(tài)分析過程中的必要步驟，對該結構的主要研究是進行模態(tài)分析，接下來對對應結構進行設置求解。

對于高速滾轉軸按照系統(tǒng)默認對其進行六階模態(tài)分析如圖10和圖11所示，其中一、二階模態(tài)情況下軸系基本無變形；三階模態(tài)情況下，最大變形量達到了19.836mm，其對應的頻率為3469.7Hz，其對應的最大位移處在左端半徑最大處及右端與軸承接觸部分；四節(jié)模態(tài)情況下，其最大變形量達到了23.91mm，對應頻率為5944.1Hz，此時最大變形位移處在左端半徑最大處；五階模態(tài)情況下，最大變形量為22.851mm，對應頻率為8885Hz，此時最大變形位移處位于兩軸承接觸面所夾中間區(qū)域部分；六階模態(tài)情況下左端導流部分結構已經完全變形，其最大變形量達到了39.389mm。

圖10 高速滾轉傳動軸六階模態(tài)分析圖

圖11 高速滾轉傳動軸六階模態(tài)對應固有振頻圖

對相對低轉速軸進行模態(tài)分析，結果如圖12和圖13所示。

圖12 相對低速滾轉傳動軸六階模態(tài)分析圖

圖13 高速滾轉傳動軸六階模態(tài)對應固有振頻圖

4 結論

模態(tài)是機械結構固有的振動特性，上面對高速滾轉隔離機構的軸系進行了模態(tài)分析，得到的對應模態(tài)下機構的固有頻率和在該模態(tài)情況下的變形情況，將對結構進行優(yōu)化起到了很好的作用。

[1] 周建華. 引信機構運動模擬測試技術研究[D].南京：南京理工大學,2007.

[2] 馮彥哲. 外彈道初始段引信力學環(huán)境分析[D].南京：南京理工大學,2008.

[3] 王新剛. 機械零部件時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計若干問題的研究[D].沈陽：東北大學，2009.

[4] 楊發(fā)昌. 螺栓的預應力安裝法[J]. 冶金建筑，1977(06)：44-46.

[5] 蔡凡,李初曄,馬巖，等.過盈配合產生的接觸壓力和拔出力計算[J].機械設計與制造,2010,(10):7-9.

Analysis and Design of Shaft System Structure of Separated High-speed Rolling Structure

LI Wei， LI Wen-bin

(ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

According to the theory of two-dimension trajectory correction methods, this paper puts forward the requirement of separated high-speed rolling structure design and its limitation based on the basic working conditions 1/4 of the whole structure is taken as a sector to make the linear static analysis and further embedded modal analysis.The natural frequency and the deformation of the special position are obtained. It provides the basis for the safe and steady working of the structure.

high-speed rolling; separated; finite element method; modal analysis

厲衛(wèi)(1990-)，男，江蘇準安人，實習研究員，碩士，研究方向為結構設計。

TH133

B

1671-5276(2014)02-0019-05

2013-03-04