有效載荷快速更換模式及其振動(dòng)特性研究

張?jiān)?孟博洋+蔣小寒

摘 要：針對(duì)現(xiàn)役有效載荷急需縮短更換維護(hù)時(shí)間的技術(shù)要求，研究了一種新型有效載荷快速更換模式。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，推導(dǎo)出新模式下有效載荷的更換時(shí)間，詳細(xì)描述了其更換過程。并結(jié)合有限元分析，對(duì)其連接處穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行研究，指出了結(jié)構(gòu)承載力與工作環(huán)境振動(dòng)頻率之間的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果表明，新型快速更換模式能夠?qū)⒂行лd荷更換維護(hù)時(shí)間縮短至原來的10%，并且能夠滿足常規(guī)核彈發(fā)射裝置的振動(dòng)環(huán)境要求。

關(guān)鍵詞：

有效載荷；快速更換模式；振動(dòng)；諧響應(yīng)

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.003

中圖分類號(hào)： TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2017）06-0015-05

Abstract：The existing payload has an urgent needs to shorten the maintenance time in technical requirements. This paper offered a new type of payload fast replacement mode. According to the kinematic simulation， replacement time of the new mode was deduced and details of its process was explicit introduced. Study of the influence factors which affect connection stability is analyzed by the finite element method and pointed out the relationship between structural loads and vibration frequency in working environment. The result shows that the new mode was able to shorten the maintenance time to 10% and met the requirements of the vibration environment of conventional nuclear missile launching device.

Keywords：payload；fast replacement mode；vibration；harmonic

0 引 言

導(dǎo)彈等武器裝備的有效載荷（爆破物）多數(shù)為火工制品，在非戰(zhàn)斗狀態(tài)時(shí)需要經(jīng)常從整流罩內(nèi)拆解下來進(jìn)行日常維護(hù)保養(yǎng)工作。其拆卸維護(hù)時(shí)的有效載荷更換作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，是導(dǎo)彈武器裝備維修性考量的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]。

目前有效載荷的更換模式一般都是將有效載荷與整體支撐結(jié)構(gòu)（如支座等）預(yù)先固定連接在一起，之后再將整體支撐結(jié)構(gòu)與導(dǎo)彈平臺(tái)連接?，F(xiàn)有的有效載荷支撐結(jié)構(gòu)多數(shù)使用螺栓與導(dǎo)彈平臺(tái)進(jìn)行固定連接，而由于火工品載荷質(zhì)量大，導(dǎo)彈內(nèi)部空間較小及發(fā)射環(huán)境復(fù)雜等因素的影響，往往導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)與平臺(tái)連接處螺栓數(shù)目增多，并且在狹小空間內(nèi)裝卸比較困難，影響有效載荷整體維護(hù)作業(yè)時(shí)間[2]。

由于目前武器裝備的發(fā)射條件復(fù)雜、飛行環(huán)境的隨機(jī)性等。對(duì)有效載荷的連接節(jié)點(diǎn)處，不僅要求具有快速性、簡(jiǎn)性能等，更是要求具有自鎖功能，并且要保證連接節(jié)點(diǎn)在發(fā)射振動(dòng)環(huán)境中的高度可靠性，防止在發(fā)射及飛行振動(dòng)環(huán)境中發(fā)生共振等問題。

隨著現(xiàn)代化武器裝備技術(shù)的提升和多彈頭等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[3]，更新有效載荷更換模式，降低維護(hù)時(shí)間、維護(hù)難度以及如何保障快速更換模式可靠性等問題愈發(fā)突出影響導(dǎo)彈武器裝備的作戰(zhàn)實(shí)用性，并受到廣泛的關(guān)注[4]。目前國(guó)內(nèi)正在加緊研究縮短導(dǎo)彈設(shè)備維護(hù)時(shí)間等方面的措施，并取得了一定的成果[5-6]。本文就是基于上述技術(shù)難點(diǎn)針對(duì)有效載荷更換模式及連接處振動(dòng)可靠性而開展的一項(xiàng)研究工作。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 主要功能要求

①支座的裝卸速度要比螺栓連接方式的支座在速度上有較大提高；②用于固定導(dǎo)彈有效載荷，承載爆破物，符合中小型導(dǎo)彈的一般發(fā)射載荷，并且支座應(yīng)預(yù)留有起爆點(diǎn)火裝置的空間；③可以方便、準(zhǔn)確地將起爆物安裝在導(dǎo)彈的艙段上，兼顧導(dǎo)彈的垂直、水平、多角度安裝條件；④在滿足載荷條件的情況下盡量減輕質(zhì)量負(fù)擔(dān)。

1.2 基本組成要求

有效載荷支座由固定部分、連接部分及對(duì)接鎖緊部分組成。

1.3 安全要求

①要求支座在質(zhì)量一定的前提下，具有較高的安全系數(shù)；②支座具有較好的抗振性及連接穩(wěn)定性；③底面受力應(yīng)均勻，避免局部受力出現(xiàn)峰值的情況；④拆卸占用空間應(yīng)較小，整體結(jié)構(gòu)緊湊，避免空間浪費(fèi)。

1.4 易用性要求

支座支撐和固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重量要輕，兼顧承載能力。鎖緊和解鎖的動(dòng)作要簡(jiǎn)潔，兼顧導(dǎo)彈內(nèi)部的空間，拆卸動(dòng)作邊界要小。整體結(jié)構(gòu)緊湊、耐用，鎖緊時(shí)抗振性要好。定位簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，受到載荷時(shí)的變形量低。預(yù)留點(diǎn)火裝置的空間，及其他附屬裝置的改動(dòng)潛在位置空間等。

1.5 構(gòu)型設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)方案

目前導(dǎo)彈上常用的連接方式多為螺栓連接方式，而且因?yàn)樯涑碳俺叽鐔栴}，有效載荷支座的設(shè)計(jì)環(huán)境往往為小空間、重載的使用環(huán)境。而在這種環(huán)境下使用傳統(tǒng)的螺栓連接方式會(huì)導(dǎo)致螺栓數(shù)量增多，裝卸可操作性差、時(shí)間長(zhǎng)等問題。

新型連接方案采用滑槽設(shè)計(jì)，將固定支座分為上、下兩個(gè)部分，上部分帶有凸出的滑塊，下部分是與之配合的滑軌。滑軌之間開有插口，使上部分的支座可以豎直落下插到滑軌槽內(nèi)，并可以沿著滑軌移動(dòng)。在落入滑軌槽內(nèi)后大約移動(dòng)30mm左右，此時(shí)兩側(cè)滑槽到達(dá)配合點(diǎn)，擰緊支座尾部的螺栓，在螺栓的推動(dòng)下滑塊緩緩前進(jìn)，直至前端滑塊到達(dá)定位點(diǎn)。此時(shí)也將兩側(cè)滑塊的其余5個(gè)自由度鎖緊，并且在螺栓的推力作用下支座的最后一個(gè)自由度也被鎖緊，以此達(dá)到固定支座的目的。在支座拆卸時(shí)先擰動(dòng)支座尾部的螺栓，在螺栓的帶動(dòng)下支座緩緩?fù)顺觯顺龅揭欢ň嚯x后支座預(yù)緊力消失，這時(shí)可以直接用手或吊裝設(shè)備移出有效載荷和支座，如圖1所示。endprint

2 快速性分析

新型快速鎖緊支座，在使用時(shí)底部預(yù)先通過螺栓與連接面固定，頂部與有效載荷固定連接。上下兩部分在安裝操作時(shí)與螺栓連接方式相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①從復(fù)雜性角度上講，新型支座的安裝孔位對(duì)準(zhǔn)范圍較大，裝配方便；②從可操作性角度上講，采用滑槽導(dǎo)向推動(dòng)，并且擁有斜面角度，在最后的鎖緊距離由尾部螺栓推動(dòng)，代替了以往人工推動(dòng)的過程，位置精確，可操作性能高；③從時(shí)間上考慮，新型支座在鎖緊時(shí)，只操作一個(gè)螺栓，并且不需要對(duì)準(zhǔn)螺栓孔等費(fèi)時(shí)的操作過程。經(jīng)運(yùn)動(dòng)仿真分析，與原更換模式相比，預(yù)計(jì)可以將時(shí)間縮短到原更換模式用時(shí)的10%以內(nèi)，如表1所示。因此新型有效載荷快速鎖緊支座可以滿足設(shè)計(jì)要求，大幅縮短有效載荷維護(hù)時(shí)間。

3 振動(dòng)特性分析

有效載荷的振動(dòng)是影響新型支座連接效果好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，火箭等航天設(shè)備在運(yùn)行過程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作的振動(dòng)和氣流波動(dòng)引起隨機(jī)的振動(dòng)，會(huì)使連接底座受到激勵(lì)作用，這種激勵(lì)有可能引起支座整體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。支座的振動(dòng)直接影響有效載荷的穩(wěn)定性與可靠性，并且對(duì)連接處的機(jī)械結(jié)構(gòu)與使用壽命產(chǎn)生影響，因此，針對(duì)有效載荷支座復(fù)雜的非線性振動(dòng)特點(diǎn)，采用ANSYS有限元技術(shù)分析支座的振動(dòng)特性，通過對(duì)載荷整體的模態(tài)分析，為支座的振動(dòng)分析和減振控制提供一種可行的理論分析方法。

3.1 振動(dòng)分析理論

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是解析結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的基礎(chǔ)[8-9]，本文對(duì)有效載荷支座進(jìn)行了前6階的模態(tài)分析，找出其結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而避免結(jié)構(gòu)共振，其中前6階陣型如圖4所示。

對(duì)圖4分析后可以看出，前6階模態(tài)分析中固有頻率隨著階數(shù)增加而增加，其中前三階的固有頻率相差較大，后四階的固有頻率差值較小。因此有效載荷支座在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免工作在950～1050Hz的范圍內(nèi)，以排除發(fā)生共振的可能性。支座的前6階固有頻率如表3所示。

3.4 諧響應(yīng)分析

根據(jù)支座動(dòng)態(tài)分析的實(shí)際情況，在支座頂部6個(gè)螺栓上施加X、Y、Z方向簡(jiǎn)諧力，幅值為1000N，并根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，選擇其頻率范圍為0～700Hz，能覆蓋載荷和支座主要模態(tài)的特征頻率，步長(zhǎng)為 10Hz。在所施加頻段簡(jiǎn)諧力的激勵(lì)下，支座底部連接處的X向位移-頻率變化關(guān)系曲線、Y向位移-頻率變化關(guān)系曲線和 Z位移-頻率變化關(guān)系曲線，如圖5～7所示。這是衡量新型支座連接振動(dòng)考察的重要指標(biāo)[10-11]。

由以上對(duì)支座X、Y、Z軸各方向的諧響應(yīng)分析可知：

1）新型連接形式的有效載荷支座其后四階的固有頻率差值較小，因此有效載荷支座在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免工作在后四階頻率（950～1050Hz）的范圍內(nèi)；

2）有效載荷支座在280～320Hz的頻率范圍下受到的應(yīng)變位移量出現(xiàn)極值。在此頻率范圍下，有效載荷底部的應(yīng)力和振動(dòng)變化幅度非常大，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此應(yīng)避免使有效載荷在此頻率附近重載工作；

3）新型連接形式有效載荷支座的應(yīng)力和振動(dòng)位移隨著頻率的提高而增大，其中在270Hz之前增幅速度緩慢，在320Hz之后增幅速度變快；

4）另外，在200Hz范圍內(nèi)的應(yīng)力或位移響應(yīng)較為穩(wěn)定，處于常規(guī)運(yùn)輸狀態(tài)下的振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，符合運(yùn)輸條件下的振動(dòng)穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

針對(duì)有效載荷快速維護(hù)性的需求，本文研究了一種新型的快速鎖緊支座，可以將有效載荷維護(hù)時(shí)間縮短至原來的10%。通過應(yīng)用有限元方法對(duì)模型的振動(dòng)影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明：新型支座在負(fù)載情況下低頻易發(fā)生共振的區(qū)域?yàn)?80～320Hz，高頻易發(fā)生共振的區(qū)域?yàn)?50～1050Hz，滿足一般航天設(shè)備的振頻工作環(huán)境，為有效載荷快速鎖緊支座進(jìn)一步樣機(jī)試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 李艷霞，秦吉良，張維，等. 對(duì)導(dǎo)彈武器裝備維修性工作的幾點(diǎn)思考[J]. 航天工業(yè)管理，2015（1）：16-18.

[2] 趙汝巖，翁璐，崔海斌. 導(dǎo)彈武器裝備健康管理體系及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2013（3）：28-31+58.

[3] 張新偉. 空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2011（3）：38-41.

[4] 王潔，王朕，鄧力，等. 國(guó)外潛射彈道導(dǎo)彈的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 飛航導(dǎo)彈， 2015（10）：6-10.

[5] 張琳，孫安全，王天一，等. 某型導(dǎo)彈裝備的故障智能診斷[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（S1）：216-220.

[6] 周越文，吳昊，翟穎燁，等. 導(dǎo)彈不開箱維護(hù)的可行性研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013（6）：1550-1551+1555.

[7] 張春宜，路成，費(fèi)成巍，等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的極值響應(yīng)面法可靠性分析[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，20（2）：1-6.

[8] 周德繁，高炳微，智政. 重型龍門鏜銑床橫梁有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，18（2）：72-76.

[9] 丁德勇，張鈞，賀雙元. 推力軸承基座帶預(yù)應(yīng)力諧響應(yīng)分析[J]. 中國(guó)艦船研究，2010（3）：52-55.

[10]武金寰. 導(dǎo)彈艙體安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化與功率流隔振設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[11]張程. 導(dǎo)彈儀器艙安裝支架優(yōu)化及減振性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

（編輯：溫澤宇）endprint