某型履帶車輛行駛動力學仿真與部件動態(tài)響應分析

王國輝，范鵬飛

(裝甲兵工程學院 兵器工程系，北京　100072)

某型履帶步兵戰(zhàn)車不僅具備更為強大的火力，而且擁有一定的反坦克作戰(zhàn)能力[1]。但在操作使用中發(fā)現(xiàn)：對武器系統(tǒng)效能發(fā)揮起到關鍵作用的自動裝彈機，其故障率相對較高，在整個上裝系統(tǒng)的故障中占比較高、影響較大[2]。

長期以來，對于履帶裝甲車輛的行進間多體動力學研究主要集中于火炮射擊線穩(wěn)定性與觀瞄儀器響應特性等，對于武器系統(tǒng)中諸如自動裝彈機等其他主要部件的動態(tài)響應研究較少涉及。文獻[3]中將柔性身管模型和滾珠座圈大規(guī)模接觸碰撞模型運用于自行火炮行駛間發(fā)射動力學研究，其結果為進一步掌握炮口擾動規(guī)律提供了參考；文獻[4]應用剛柔耦合手段建立輪式自行突擊火炮行進間虛擬樣機，仿真計算得到了炮口與觀瞄位置動態(tài)響應特性；文獻[5]基于隨機振動理論提出了路面隨機激勵下履帶裝甲車輛隨機響應的計算方法。

以某型履帶步兵戰(zhàn)車為研究對象，建立全車虛擬樣機模型與自動裝彈機簡化模型，重構不同等級路面，通過對全車行進間動力學仿真，從而得出在不同行駛狀態(tài)下自動裝彈機的關鍵部件動態(tài)響應特性，為未來新型自動裝彈機的故障機理分析研究搭建合理有效的工具和平臺，為部隊維修保障提供參考借鑒。

1　結構分析與模型建立

1.1　全車拓撲結構

某型履帶步兵戰(zhàn)車動力學模型主要包括車體、行動部分、路面以及武器系統(tǒng)簡化模型等。武器系統(tǒng)簡化模型主要包含炮塔、座圈和自動裝彈機的簡化模型，其中自動裝彈機是部件動態(tài)響應特性研究的重點對象。全車模型的拓撲結構如圖1所示。

全車共有1 094個剛體，其中，L1、L2、L3、L4、L6、L9為旋轉(zhuǎn)鉸，L5、L7為固定鉸，L8為圓柱鉸，LC表示接觸，用以描述組件之間的關系，包括相對位置、接觸碰撞和力等。

1.2　車體和行動部分模型

ADAMS/ATV工具箱為分析軍用履帶車輛動力學的理想平臺，在ATV工具箱中集成有共享數(shù)據(jù)庫，包含履帶、主動輪、誘導輪、負重輪以及托帶輪等參數(shù)化模型，可以通過更改其中的參數(shù)從而構建定制履帶車輛的動力學模型。

車體的三維模型在Solidworks軟件中完成，各項尺寸參數(shù)均依照實車進行設置，對部分結構進行了必要和適當?shù)暮喕?，并導入ADAMS中修改質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置，保證與實車一致。

行動部分主要包含履帶推進裝置和懸掛裝置，車輛為獨立扭桿式懸掛裝置，在ADAMS/ATV軟件中包含有5種懸掛布置形式，此處擬采用擺動平衡肘、旋轉(zhuǎn)彈簧和旋轉(zhuǎn)阻尼器懸掛系統(tǒng)形式來替代，其他部分的參數(shù)根據(jù)相關技術手冊進行更改和設置。車體與行動部分仿真模型如圖2所示。

1.3　武器系統(tǒng)簡化模型

車輛在行駛過程中，路面不平度所帶來的振動效應通過履帶、懸掛裝置、車體逐漸傳遞至炮塔、座圈，最終通過固連于炮塔的拉力桿傳遞到布置有自動裝彈機的吊籃底座上，從而對自動裝彈機和其他武器系統(tǒng)部件的工作狀態(tài)產(chǎn)生一定程度的影響。武器系統(tǒng)模型的簡化原則主要有如下3點：

1)不考慮武器系統(tǒng)其他組件諸如彈箱、座椅等對研究對象的影響，僅賦予配重考慮。

2)對炮塔座圈和炮塔吊籃底座中的軸承滾珠均加以適當簡化，減少滾珠數(shù)量、簡化滾道結構。

3)傳動裝置賦予機構的驅(qū)動力均運用step函數(shù)進行表述。

1.3.1炮塔與拉桿

與車體仿真模型的建立過程類似，在三維設計軟件Solidworks中對炮塔和拉力桿進行特征建模，而后導入并設置參數(shù)。為減小計算規(guī)模、便于后期分析，將滾珠與下座圈固連在一起，設置滾珠與上座圈之間為碰撞約束，并適當增大碰撞力參數(shù)[6]。采用基于Impact函數(shù)的碰撞力模型，即：

(1)

式中:k為懲罰因子，代表接觸剛度系數(shù);g為兩接觸體間的實時滲透量;e代表非線性系數(shù);c為阻尼系數(shù)，且c=step(g,0,0,Dmax,Cmax)，可以手動設定最大滲透量Dmax。

1.3.2自動裝彈機

某型履帶步兵戰(zhàn)車配備有新型自動裝彈機，它由旋轉(zhuǎn)輸彈機、供彈機、炮射導彈供彈機構和傳動裝置等組成。作為高度機電一體化設備，該型自動裝彈機在提升武器系統(tǒng)效能的同時，其故障產(chǎn)生的原因也更加復雜。不同于以往履帶裝甲裝備的自動裝填系統(tǒng)，在該型自動裝彈機中，使用了新型非接觸式接近開關來替代舊式接觸式開關，并將供彈和推彈功能集成于同一機構。

以旋轉(zhuǎn)輸彈機為例：輸彈機是自動裝填系統(tǒng)的重要組件之一，用于放置和傳輸各種彈藥，可在炮長控制臺的操作下，將彈藥準確運送至裝填位置。它由數(shù)根拉桿吊裝于炮塔座圈上，主要部件有炮彈杯形筒、導彈杯形筒、環(huán)形架、底座、制動器、傳動裝置(含電動和手動)和接近開關等。其主要部件的拓撲關系圖如圖3所示。

炮彈杯形筒是輸彈機中的重要部件之一，它直接影響到炮彈的運動可靠性，它由杯形筒體、卡鎖、芯軸、彈簧和杠桿等構成，上下兩個卡鎖主要用于對炮彈定位，以加強其輸彈穩(wěn)定性。由于實裝中彈簧的特殊性，不便于直接利用拉壓彈簧阻尼器，因此在模型中以扭轉(zhuǎn)彈簧來控制卡鎖的旋轉(zhuǎn)，如圖4所示。對主要部件進行適當簡化并建立模型后，最終得到武器系統(tǒng)模型，如圖5所示。

1.4　車體和行動部分模型

路面不平度是引起車輛關鍵部位振動的主要因素之一，研究人員一般采用路面功率譜密度來表示路面的不平度，建造模擬路面模型，從而研究履帶車輛與路面之間的相互作用。路面不平度提供的隨機激勵是引起車輛振動和零構件疲勞磨損的主要因素，并且嚴重影響車輛行駛的平順性，使乘員疲勞，降低武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能[7]。ISO于1984年對“路面不平度表示方法草案”進行修訂，將路面不平度的功率譜表示如下[8]：

(2)

式中：Ω為空間頻率；Ω0為參考空間頻率；Gd(Ω0)為基于Ω0的路面功率譜值。

與間接法和AR法相比，逆傅里葉法構建的路面具有更好的相似度，能夠更加真實地反映實車所行駛的路面情況，擬采用逆傅里葉法來構建隨機路面不平度模型，模擬路面及全車模型示意如圖6所示。

2　模型分析

由路面特性可知：一般情況下，履帶式裝甲車輛兩側履帶行進車轍的區(qū)別較小，當發(fā)生側向擺動時，可以通過履帶與負重輪之間的摩擦，來減小由此造成的車輛左右擺動。因此，履帶式裝甲車輛在等速直線行駛的條件下，車體的振動主要集中在車體質(zhì)心垂直線方向的振動和車體的俯仰振動[9]。

對全車模型進行驗證，首先需要考慮模型的靜平衡狀態(tài)。尋找模型的靜平衡狀態(tài)，可以有效考察懸掛系統(tǒng)的有效性、武器系統(tǒng)部件之間的接觸參數(shù)是否設置正確。將主動輪驅(qū)動設置為0，進行全車仿真后，得到達到靜平衡后扭力軸轉(zhuǎn)矩值，如表1所示。車體質(zhì)心垂直方向位移y1和底座質(zhì)心垂直方向位移y2變化，如圖7所示。

表1　懸掛系統(tǒng)靜平衡扭力軸等效轉(zhuǎn)矩

由于車輛重心與彈性中心并不重合，且位于其后一定距離處，這使得車體會向后傾斜，負重輪受力不同[10]。經(jīng)計算，等效轉(zhuǎn)矩值與其均值的偏差都在10%的范圍內(nèi)，說明模型基本能夠滿足要求。從圖7中可以看到，當車輛達到靜平衡狀態(tài)后，車體和吊籃底座質(zhì)心均穩(wěn)定在某一固定高度上，即懸掛系統(tǒng)能夠正常工作，武器系統(tǒng)相關部件亦能夠達到靜平衡狀態(tài)，符合真實情況。

3　關鍵部件響應分析

以接近開關和炮彈杯形筒所引發(fā)的輸彈故障為研究起點，分別進行不同級別路面下的全車仿真，主要針對輸彈到位開關檢測距離、彈筒空間位置及關鍵點碰撞力的動態(tài)響應進行分析，進而探究造成故障產(chǎn)生的可能原因。

3.1　接近開關動態(tài)變化分析

裝填機構控制裝置中，采用了新型非接觸式接近開關，它使得裝填控制流程更為精準化、程序化。接近開關主要包括輸彈到位開關、供彈位置開關、裝填角開關和輸彈制動開關等，它們布置于自動裝彈機的機械動作檢測部位，其中輸彈到位開關與輸彈制動開關用于控制彈藥到位后的輸彈機制動，并為供彈機動作的進行提供相應信號。

為了更加清晰地觀察輸彈到位時關鍵點的動態(tài)特性，在輸彈機環(huán)形圈的徑向軸線上布置兩枚炮彈，而后對驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速進行設置，以滿足車速為20 km/h，在不同級路面上進行仿真并得到結果。輸彈到位開關某標記點的動態(tài)特性變化如圖8所示。

從圖8中可以看到：在t≈0.8 s和t≈5.0 s時，標記點的垂直向位移變化達到峰值，且隨著路面不平度的增加，峰值亦隨之增大，即輸彈到位開關中的感應磁罐由于車體振動產(chǎn)生較為劇烈的垂直向運動，進而影響接近開關接通的時效性與準確性。

圖9所示為接近開關檢測距離變化示意圖。同樣地，當彈丸底部壓縮彈簧使得船型金屬體與感應磁罐發(fā)生碰撞時，檢測距離急劇下降并在達到某一固定值時接通開關，允許下一步供彈操作。在自動裝彈機模型中，采用扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器來代替限制感應磁罐運動的原有彈簧，因此在短暫接觸后，檢測距離呈現(xiàn)拋物線式的縮減趨勢，直到下一次碰撞發(fā)生。

不同接近開關在自動裝彈機中的布置點和檢測形式等均有所不同：對于輸彈制動開關，其感應主體固定于炮塔吊籃底盤的制動器腔內(nèi)，當彈丸固定不牢，由于車體振動發(fā)生一定程度的晃動時，受彈簧作用的制動桿其外表面與感應面之間的檢測距離也會發(fā)生變化。而接通信號的時效性，會影響相關機械構件的可靠運動，當制動桿與內(nèi)壁摩擦過大時可能使得執(zhí)行電機損壞或制動桿本體形變斷裂，即自動裝彈機發(fā)生故障，無法正常輸彈。

3.2　彈筒碰撞分析

輸彈機炮彈杯形筒的可靠性高低直接影響到火炮作戰(zhàn)性能，而炮彈杯形筒失效是造成輸彈與供彈發(fā)生故障的原因之一，其常見故障如表2中所示。

表2　炮彈杯形筒常見故障

從表2中可以看到，變形、斷裂、運動不可靠等是造成炮彈杯形筒發(fā)生故障的主要原因，可選取炮彈杯形筒質(zhì)心運動情況和筒體與環(huán)形圈之間的碰撞作為研究對象。添加Request并進行全車仿真，得到結果如圖10、11所示。

由圖11可知：當車輛啟動時，由于到達穩(wěn)定狀態(tài)需要一定時間，且初始狀態(tài)時炮彈杯形筒與環(huán)形圈上表面存在間隙，因此在t≈0.2 s前其豎直方向質(zhì)心加速度幅值變化較大，與此同時，彈筒接觸所產(chǎn)生的碰撞力達到一定峰值；隨著旋轉(zhuǎn)輸彈過程的進行和所處路面不良狀況的增強，碰撞力成幾何倍數(shù)增長。而大量碰撞的產(chǎn)生使得炮彈杯形筒容易發(fā)生因剛度、強度不足造成的變形、斷裂等故障表現(xiàn)形式，進而影響輸彈過程。

4　結束語

通過建立某型履帶步兵戰(zhàn)車行進間動力學模型和自動裝彈機簡化模型，重構不同等級路面，進行全車仿真分析，并以行進間關鍵部件動態(tài)特性為研究依據(jù)，對故障產(chǎn)生的可能原因進行分析，為研究新型自動裝彈機接近開關和容彈裝置失效原因提供了新的思路和方法，為未來新型自動裝彈機的故障機理分析研究搭建了合理有效地工具和平臺，為部隊維修保障提供參考借鑒。下一步，應當結合彈筒碰撞受力情況對筒體進行動力學分析，從而更加深入地分析部件失效的具體原因。

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