基于虛擬樣機技術的某型擺臂機構研究

劉大慶，李 偉，邱群先

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州，450015)

1 引言

艦炮作為海軍的主戰(zhàn)武器，在海戰(zhàn)中發(fā)揮著不可替代的作用。作為傳統(tǒng)武器系統(tǒng)，艦炮對自動化程度和可靠性要求很高，其發(fā)射系統(tǒng)及供補彈技術一直是研究的重點和難點所在，供彈系統(tǒng)的性能好壞對艦炮的綜合性能指標有著很大的影響[1]。目前世界中大口徑艦炮供彈系統(tǒng)大都已經(jīng)實現(xiàn)自動化，擺臂機構作為供彈系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，在整個供彈路徑中起到了非常重要的作用，也廣泛應用于國內外中大口徑艦炮的供彈系統(tǒng)中。

虛擬樣機技術(Virtual Prototyping Technology，VPT)是一項新生的工程計算方法。采用計算機仿真與虛擬技術，在計算機上通過CAD/CAE/CAM等技術把產(chǎn)品的資料集成到一個可視化的環(huán)境中，實現(xiàn)對產(chǎn)品的仿真、分析[2]。對于復雜的動力系統(tǒng)，如果采用傳統(tǒng)的研究模式，不僅耗費大量時間，而且具有很大不確定性，非常有必要借用虛擬樣機技術來進行檢驗和模擬[3]。

某型艦炮的擺臂機構在設計時采取外置電機作為動力源，通過電機帶動齒輪齒條，由齒條推動連桿帶動擺臂擺動，完成彈藥的交接。電機作為動力源，其動力傳輸?shù)綌[臂過程中經(jīng)過幾次動力轉換和傳遞，最終控制擺臂按照預定的軌跡運動，傳統(tǒng)的曲柄連桿機構計算方法在分析擺臂的運動過程中遇到較大困難，這種計算方法對電機的設計及控制所能提供的指導作用很有限[4]。因此，本文中采用MATLAB和ADAMS軟件聯(lián)合仿真，將虛擬樣機技術應用于擺臂機構的計算仿真，通過仿真計算得到擺臂和電機的動力學特性曲線，重點關注擺臂電機的輸出功率和扭矩，為電機的設計以及控制過程提供參考[5]。

2 擺臂機構模型建立及運動規(guī)律

2.1 擺臂機構模型

擺臂機構主要功能組成為：擺臂，齒輪，齒條，電機等，其中驅動電機通過減速機和聯(lián)軸器帶動齒輪作圓周運動，齒輪推動齒條往復直線運動，齒條一端和擺臂連接，擺臂旋轉軸固定于艦炮高低回轉中心，齒條推動擺臂繞擺臂旋轉軸作擺動。擺臂接收到彈藥之后，通過電機的驅動，實現(xiàn)往復擺動來追蹤發(fā)射系統(tǒng)，最終實現(xiàn)彈藥的交接。擺臂機構的運動需要按照指定的軌跡擺動，在本文中通過MATLAB和ADAMS進行聯(lián)合計算，根據(jù)設定的擺臂運動，對電機的運動規(guī)律和齒輪齒條進行受力分析，為后續(xù)電機的設計工作提供一定的參考。

圖1 擺臂機構模型

2.2 擺臂機構運動規(guī)律

擺臂機構本身結構比較復雜，動力傳動過程比較繁瑣，因此需要對模型進行適當簡化，簡化后的擺臂機構如圖2所示。

圖2 擺臂機構簡化圖

在本例中，擺臂需要在固定時間T0內擺動到角度a，擺臂的擺動角速度為ω2，擺臂擺動最大角速度為ωm，擺臂的加速段結束時間為t1，減速段開始時間為t2，齒輪轉動角速度為ω1，齒輪半徑為r1，齒條運動位移為x，擺臂擺動角度為α，擺臂旋轉軸與齒條鉸接點連線同豎直線夾角為β，其余參數(shù)見圖2，可以得到下列方程

上述公式中，上側為擺臂運動規(guī)律規(guī)劃路徑，下側為擺臂與齒輪齒條運動關系，根據(jù)設定的擺臂運動規(guī)律，使用MATLAB對下側公式進行求解可以得到齒輪齒條運動曲線，之后將齒輪運動規(guī)律折換后施加于驅動電機，使用ADAMS進行多剛體系統(tǒng)動力學求解，可以測算電機扭矩和功率，以及齒輪齒條受力情況，為電機的選型和運動規(guī)律提供參考[7，8]。

3 擺臂機構運動分析

簡化后的擺臂機構主要組成部分有：擺臂，連桿，齒條，齒輪等，通過三維軟件建模之后導入ADAMS中，建立虛擬樣機模型，主要參數(shù)有：齒條重量約180，擺彈機帶彈重量約300，連桿重量約50。機構中有4個部件，其中有4組為旋轉低副，1組移動低副，1組高副，系統(tǒng)自由度為F=3×4-2×5-1=1。

該型擺臂機構指定運行時間為1秒，擺臂運行范圍100°，即T0=1s，a=100°，設計四種擺臂運動最大角速度，每種情況下設計三種運動時間，如表1所示，共12種工況分別進行計算求解，其中第四種情況為加速之后直接減速，沒有勻速段。根據(jù)表1情況結合上述公式，通過MATLAB編程可繪制出齒輪運動角速度，將其作為驅動施加于齒輪齒條，進行系統(tǒng)仿真。具體情況如表1所示。

表1 擺臂機構運動規(guī)律

3.1 最大角速度ωm=160°/s情況下(取中間值進行分析)

圖3.1-1∽3.1-4為加速段0.5s，勻速段0.25s，減速段0.25s的運行狀況，圖3.1-1∽3.1-2為MATLAB求解運動特性曲線；圖3.1-3∽3.1-4為根據(jù)MATLAB求解運動特性結果導入ADAMS后，使用ADAMS進行動力學仿真求出的動力學特性曲線；

圖3.1-1為擺臂設定的運動規(guī)律，根據(jù)運動規(guī)律求解出的角加速度；

圖3.1-2為根據(jù)MATLAB求解出的齒輪端運動角速度及角加速度；

圖3.1-3為根據(jù)ADAMS進行動力學仿真求出的齒輪端所需功率及轉矩曲線；

圖3.1-4為根據(jù)ADAMS進行動力學仿真求出的齒條端受力及加速度曲線；

擺臂運動最大角速度ωm=160°/s情況下，其余兩種運動特性求解曲線不在敘述，在后文分析中會將求解數(shù)據(jù)直接數(shù)據(jù)列出，對比分析之后對電機端進行最優(yōu)解求解。

3.2 最大角速度ωm=177.78°/s情況下(取中間值進行分析)

圖3.2-1∽3.2-4為加速段0.5s，勻速段0.125s，減速段0.375s的運行狀況，圖3.2-1∽3.2-2為MATLAB求解運動特性曲線；圖3.2-3∽3.2-4為根據(jù)MATLAB求解運動特性結果導入ADAMS后，使用ADAMS進行動力學仿真求出的動力學特性曲線；

圖3.2-1為擺臂設定的運動規(guī)律，根據(jù)運動規(guī)律求解出的角加速度；

圖3.2-2為根據(jù)MATLAB求解出的齒輪端運動角速度及角加速度；

圖3.2-3為根據(jù)ADAMS進行動力學仿真求出的齒輪端所需功率及轉矩曲線；

圖3.2-4為根據(jù)ADAMS進行動力學仿真求出的齒條端受力及加速度曲線；

擺臂運動最大角速度ωm=178.78°/s情況下，其余兩種運動特性求解曲線不在敘述，在后文分析中會將求解數(shù)據(jù)直接數(shù)據(jù)列出，對比分析之后對電機端進行最優(yōu)解求解。

3.3 最大角速度ωm=145.46°/s情況下

圖3.3-1∽3.3-4為加速段0.5s，勻速段0.375s，減速段0.125s的運行狀況，圖3.3-1∽3.3-2為MATLAB求解運動特性曲線；圖3.3-3∽3.3-4為根據(jù)MATLAB求解運動特性結果導入ADAMS后，使用ADAMS進行動力學仿真求出的動力學特性曲線；

圖3.3-1為擺臂設定的運動規(guī)律，根據(jù)運動規(guī)律求解出的角加速度；

圖3.3-2為根據(jù)MATLAB求解出的齒輪端運動角速度及角加速度；

圖3.3-3為根據(jù)ADAMS進行動力學仿真求出的齒輪端所需功率及轉矩曲線；

圖3.3-4為根據(jù)ADAMS進行動力學仿真求出的齒條端受力及加速度曲線；

擺臂運動最大角速度ωm=145.46°/s情況下，其余兩種運動特性求解曲線不在敘述，在后文分析中會將求解數(shù)據(jù)直接數(shù)據(jù)列出，對比分析之后對電機端進行最優(yōu)解求解。

3.4 最大角速度ωm=200°/s情況下

圖3.4-1∽3.4-4為加速段0.5s，勻速段0s，減速段0.5s的運行狀況，圖3.4-1∽3.4-2為MATLAB求解運動特性曲線；圖3.4-3∽3.4-4為根據(jù)MATLAB求解運動特性結果導入ADAMS后，使用ADAMS進行動力學仿真求出的動力學特性曲線；

圖3.4-1為擺臂設定的運動規(guī)律，根據(jù)運動規(guī)律求解出的角加速度；

圖3.4-2為根據(jù)MATLAB求解出的齒輪端運動角速度及角加速度；

圖3.4-3為根據(jù)ADAMS進行動力學仿真求出的齒輪端所需功率及轉矩曲線；

圖3.4-4為根據(jù)ADAMS進行動力學仿真求出的齒條端受力及加速度曲線；

擺臂運動最大角速度ωm=200°/s情況下，其余兩種運動特性求解曲線不在敘述，在后文分析中會將求解數(shù)據(jù)直接數(shù)據(jù)列出，對比分析之后對電機端進行最優(yōu)解求解。

4 擺臂機構運動結果分析

通過以上仿真計算，可以將計算結果匯總為表2，結合該表格數(shù)據(jù)重點對電機端進行分析。

表2 擺臂機構仿真計算結果

首先確定減速機的速比，電機額定轉速多為2000r/min或3000r/min，可以初步確定減速機減速比范圍i=2.69～5.13，綜合扭矩以及安裝空間等因素考慮，減速機減速比不宜過小，選為i=4比較合適，電機額定速度選取3000r/min，之后根據(jù)公式折算到電機端所需功率，電機功率傳遞到齒輪端需要通過減速機和聯(lián)軸器等，考慮到傳遞效率，可以得出電機功率與齒輪功率差值，進而求出該差值在電機功率中所占的比重，計算結果匯總為表3。

表3 電機端計算結果

綜合以上數(shù)據(jù)可以看出，電機選型功率和實際所需功率差值所占比重均小于0.1，分析結果可信，考慮電機外形尺寸，電機端轉矩不宜過大，同時考慮齒條受力情況，可以選定序號2中所列情況，電機轉矩Td=87.55N·m，電機功率Pd=27.5kW，電機運行規(guī)律選取加速段t1=0.5s，電機最大轉速ωdm=2337r/min，電機額定3000r/min，這種情況下電機所需功率和轉矩最小，齒條受力最小。

5 結論

本文以某型艦炮擺臂機構為例，

通過三維軟件建立虛擬樣機模型，采用MATLAB和ADAMS進行聯(lián)合計算，針對特定的擺臂運動規(guī)律，對電機端運動特性進行了分析，并對齒輪齒條受力，減速機速比選型，電機功率及轉矩匹配性等進行了探索，為電機運行狀態(tài)控制提供了一種參考。結果表明和實際要求具有較高一致性，為下一步系統(tǒng)優(yōu)化設計提供了一種探索。