某型車載速射迫擊炮自動機(jī)典型故障仿真

胡 濤，王瑞林，張軍挪，盧海鵬，宋 明

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.解放軍63850 部隊(duì)，吉林 白城 137000）

0 引言

某型車載速射迫擊炮列裝定型時間較短，在實(shí)彈射擊中發(fā)現(xiàn)隨著射彈數(shù)量的增加，迫擊炮的自動機(jī)會出現(xiàn)射速降低甚至無法繼續(xù)射擊的現(xiàn)象，由于該自動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件較多，直接試驗(yàn)測量難度較大，為此，采用仿真軟件進(jìn)行分析是一種很好的方法。本文采用三維建模軟件SOLIDWORKS 和應(yīng)用廣泛的動力學(xué)仿真軟件ADAMS，以及有限元仿真軟件ANSYS 建立了該炮的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，利用該模型仿真得到了速射迫擊炮連發(fā)射擊時炮閂和輸彈板的動力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了炮閂受熱膨脹后自動機(jī)產(chǎn)生的故障，為后續(xù)研究和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

1 虛擬樣機(jī)的建立

1.1 自動機(jī)工作原理

該自動機(jī)采用前沖擊發(fā)原理、炮閂后坐、局部浮動、近似定點(diǎn)定速擊發(fā)式自動機(jī)，剛性炮箱與炮身固定，炮閂在其中來回往復(fù)作復(fù)進(jìn)和后坐運(yùn)動，不斷推動彈丸進(jìn)入身管，彈丸事先已經(jīng)裝填在彈夾里，每一個彈夾可裝填4 發(fā)彈丸，彈夾由人工手動裝填進(jìn)入炮箱，自動機(jī)連接了該炮的上架和炮身，用于實(shí)現(xiàn)開關(guān)閂、發(fā)射擊發(fā)等動作，射擊時可以實(shí)現(xiàn)自動供彈、連發(fā)射擊。圖1 是復(fù)進(jìn)運(yùn)動，圖2 是后坐運(yùn)動。

圖1 復(fù)進(jìn)運(yùn)動

圖2 后坐運(yùn)動

在圖1 和圖2 中：0 為炮閂及后坐部分，是基礎(chǔ)構(gòu)件；1，2,3，4 分別代表凸輪杠桿、傳動杠桿、導(dǎo)板滑塊、撥彈板。

自動機(jī)系統(tǒng)是一個在非理想約束條件下基礎(chǔ)構(gòu)件帶動多個工作構(gòu)件作連續(xù)運(yùn)動的多剛體系統(tǒng)，由達(dá)朗貝爾原理和虛位移原理相結(jié)合可得出自動機(jī)動力學(xué)方程：

又有

將式（1）代入式（2）中，經(jīng)整理后得自動機(jī)運(yùn)動微分方程：

同理又可以得到自動機(jī)復(fù)進(jìn)時的運(yùn)動微分方程：

1.2 虛擬樣機(jī)模型的建立

在ADAMS 中，該軟件利用材料屬性和零件的結(jié)構(gòu)尺寸可以自動計(jì)算出零件的各物理屬性，例如質(zhì)量和質(zhì)心位置以及轉(zhuǎn)動慣量。由于約束和力施加在質(zhì)心上，因此，零件的形狀對其影響不大，但是本文所研究的模型除了約束和力外，還有大量的接觸副，對于接觸副來說，外形會直接影響接觸力的大小和方向，因此，該模型外形要求較高。由于ADAMS 軟件建模外形標(biāo)準(zhǔn)較低，而該軟件可以直接導(dǎo)入其他軟件建立的三維模型，因此，本文在SOLIDWORKS 軟件中建立精確的三維模型，保存為Parasolid 格式，然后導(dǎo)入裝配體到ADAMS 中。Parasolid 是非常穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，并且這兩個軟件采用相同的建模內(nèi)核，所以能很好地進(jìn)行模型交換。模型導(dǎo)入ADAMS 后，在ADAMS 中定義物理屬性并施加約束，采用Impact 非線性等效彈簧接觸法施加接觸［1］，根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道方程，利用Matlab編程對內(nèi)彈道方程進(jìn)行求解得到膛壓曲線［2］，提取該曲線上的一些關(guān)鍵點(diǎn)導(dǎo)入到ADAMS 中擬合得到一條膛壓曲線，通過施加傳感器來控制彈丸的擊發(fā)［3］。由于彈殼直徑比彈丸和炮栓稍小，因此，炮閂穿過彈殼時必定擠壓彈殼使之變形，所以彈殼必須柔性化，ADAMS 雖然可以直接將部件柔性化，但僅限于在ADAMS 中建立結(jié)構(gòu)較為簡單的部件，因此，本文采用在ANSYS 中生成彈殼的模態(tài)中性文件.MNF 導(dǎo)入ADAMS 中的方法建立柔性彈殼［4］，在ANSYS 中采用8 節(jié)點(diǎn)185 單元對彈殼進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在彈殼與彈夾連接處建立界面節(jié)點(diǎn)，得到用于描述結(jié)構(gòu)的模態(tài)集，通過軟件接口生成所需要的中性文件.MNF［5］，如圖3 所示，在ADAMS 中設(shè)置合適的模態(tài)初始條件和阻尼，并施加相應(yīng)的約束，完成剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕ⅲ?］。

圖3 彈殼柔性體

ADAMS 自動建立多柔體系統(tǒng)動力學(xué)方程［7］，柔性體的運(yùn)動方程從下列拉格朗日方程導(dǎo)出：

本文的虛擬樣機(jī)有以下構(gòu)成：4 個柔性體，51個剛體（不包括地面），31 個接觸副，12 個移動副，39 個固定副，13 個旋轉(zhuǎn)副，12 個彈簧，模型一共有75 個自由度，模型如圖4 所示。

圖4 虛擬樣機(jī)模型

2 動力學(xué)仿真與驗(yàn)證

建立好的樣機(jī)模型必須進(jìn)行仿真并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證才能證明所建樣機(jī)的準(zhǔn)確性，下一步的工作才有意義。依據(jù)該炮的實(shí)際參數(shù)調(diào)整后座復(fù)進(jìn)部分的質(zhì)量，設(shè)置復(fù)進(jìn)簧、輸彈簧、游標(biāo)彈簧、液壓緩沖簧、扳機(jī)簧等彈簧參數(shù)，各接觸參數(shù)按照Impact 等效彈簧接觸法［9］進(jìn)行設(shè)置。將模型高低角和方向角都設(shè)為0°，溫度為常溫，標(biāo)準(zhǔn)裝藥條件下，對模型進(jìn)行仿真，圖5 是炮閂的位移曲線，下頁圖6是炮閂的速度曲線，圖7 是輸彈板的速度曲線。

圖5 炮閂速度曲線

仿真得到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1 所示，該表中L1 表示炮閂后坐復(fù)進(jìn)的行程，V1 表示炮閂的最大復(fù)進(jìn)速度，V2 表示炮閂的最大后坐速度，V3 表示輸彈板的最大輸彈速度，t 表示4 連發(fā)射擊時的射擊時間。從該表可以看出，各關(guān)鍵數(shù)據(jù)的絕對誤差都沒有超過10%，能夠證明該虛擬樣機(jī)是可信的，能夠反映該迫擊炮的動態(tài)力學(xué)特性。

圖6 炮閂位移曲線

圖7 輸彈板速度曲線

3 典型故障仿真

3.1 炮閂熱應(yīng)變分析

隨著彈丸的不斷射擊，火藥氣體作用在炮閂上使之受熱溫度不斷升高，炮閂受熱不斷膨脹，穿過彈殼所受壓力不斷增加，進(jìn)而摩擦力也不斷增加，因此，最大復(fù)進(jìn)速度會不斷降低，影響射擊速度，達(dá)到一定溫度后甚至不能擊發(fā)，為了充分認(rèn)清該故障原因，采用ABAQUS 仿真軟件分析炮閂在不同溫度下的熱應(yīng)變，然后聯(lián)合ADAMS 分析不同熱應(yīng)變下自動機(jī)中各部件的動力學(xué)特性。表2 為該炮閂的相關(guān)材料參數(shù)，限于篇幅，僅列出一個溫度下炮閂的熱應(yīng)變云圖作為代表，圖8 為100 ℃時炮閂的徑向熱應(yīng)變云圖，表3 為各溫度下炮閂的徑向熱應(yīng)變。

表1 虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

表2 炮閂材料參數(shù)

圖8 100 ℃時炮閂的徑向熱應(yīng)變

表3 不同溫度下炮閂的徑向熱應(yīng)變

3.2 自動機(jī)故障分析

利用ABAQUS 軟件仿真得到的熱應(yīng)變相應(yīng)地改變炮閂的直徑，在ADAMS 中進(jìn)行仿真，為節(jié)省仿真時間，僅仿真一發(fā)炮彈擊發(fā)的過程。圖9 和圖10分別為不同溫度下炮閂的速度和位移曲線對比，圖11 為不同溫度下炮閂穿過彈殼時所受到的摩擦力對比。

圖9 不同溫度下炮閂速度對比

由圖11 可以看出，隨著溫度的升高，炮閂受熱膨脹，所受摩擦力變大，進(jìn)而影響炮閂的復(fù)進(jìn)和后坐速度，由圖9 和圖10 可以看出，當(dāng)溫度低于160 ℃時，炮閂速度變化較小，自動機(jī)基本可以正常擊發(fā)，當(dāng)溫度高于160 ℃后，炮閂速度降低很快，溫度達(dá)到200 ℃時，炮閂已經(jīng)無法正常擊發(fā)，可以認(rèn)為此時自動機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)過熱故障，需要冷卻降溫。

圖10 不同溫度下炮閂位移對比

圖11 不同溫度下炮閂所受摩擦力對比

4 結(jié)論

本文首先建立了某車載速射迫擊炮自動機(jī)的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)，然后利用該虛擬樣機(jī)仿真了火炮的連發(fā)射擊，得到了一系列關(guān)鍵零件的仿真數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，從而證明該樣機(jī)能夠模擬實(shí)際火炮。利用該樣機(jī)，進(jìn)一步分析了炮閂受熱膨脹后無法擊發(fā)這一典型故障，結(jié)果表明，當(dāng)溫度低于160 ℃時，炮閂速度變化較小，自動機(jī)基本可以正常擊發(fā)，當(dāng)溫度高于160 ℃后，炮閂速度降低很快，溫度達(dá)到200 ℃時，炮閂已經(jīng)無法正常擊發(fā)，可以認(rèn)為此時自動機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)過熱故障，需要冷卻降溫，該研究對于自動機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的參考意義。