豆 征, 劉朋科, 李睿遠(yuǎn), 李宗賢

(西北機電工程研究所,陜西 咸陽 712099)

每發(fā)射一發(fā)炮彈,自動機要完成后坐、復(fù)進(jìn)一個工作循環(huán)，在自動機停止運動和轉(zhuǎn)變運動方向時,總有一些多余的能量造成機件之間劇烈撞擊,尤其以自動機組件后坐到位時的撞擊最為強烈.自動機口徑越大、射速越高,后坐剩余能量就越多、撞擊也就越猛烈,從而造成武器射擊精度、零部件壽命降低以及使射手疲勞等一系列不良影響.為了消弱后坐過程的負(fù)面影響,在自動武器結(jié)構(gòu)設(shè)計中都要涉及到自動機緩沖裝置,尤其對中口徑自動機更是不可缺少[1-3].文獻(xiàn)[4]通過采用湍流模型的計算方法對具有氣液組合式的緩沖裝置特性進(jìn)行了仿真分析,并探討了溫度對該緩沖裝置的影響.文獻(xiàn)[5]采用最佳后坐力控制理論對高射速自動機后坐力進(jìn)行控制的思路,以某高射速小口徑自動機為應(yīng)用對象,對自動機后坐運動特性進(jìn)行動態(tài)仿真分析.

自動機在連發(fā)射擊過程中具有較大的后坐能量,這些后坐能量通過緩沖器消耗.如果緩沖器性能參數(shù)設(shè)計不合理,輕則造成嚴(yán)重沖擊,降低射擊精度和密集度,重則引發(fā)事故.現(xiàn)有自動機緩沖器的研究側(cè)重于對后坐力的影響進(jìn)行分析,文中從緩沖器優(yōu)化結(jié)構(gòu)的角度,利用運動分析軟件,對各參數(shù)的變化與后坐過程的特征參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究.最終達(dá)到優(yōu)化緩沖器結(jié)構(gòu)、降低后坐沖擊、提高射擊精度和密集度的目的.

1 緩沖器結(jié)構(gòu)與運動方程

1.1 工作原理

緩沖器結(jié)構(gòu)如圖1,緩沖器活塞桿與自動機相連.自動機后坐時,環(huán)簧被壓縮,后坐能量一部分轉(zhuǎn)化為環(huán)簧和氣體勢能,其余部分被環(huán)簧摩擦力、活塞摩擦力及液壓阻尼所消耗.環(huán)簧和氣體勢能提供復(fù)進(jìn)能量,復(fù)進(jìn)過程中,能量再次被環(huán)簧摩擦力、活塞摩擦力及液壓阻尼所消耗,未消耗完的能量再次轉(zhuǎn)化為環(huán)簧和氣體勢能.由于液壓阻尼力與自動機的運動速度的平方成正比,因此有效地消耗了后坐能量,降低了后坐力峰值.

圖1 緩沖器結(jié)構(gòu)Fig.1 Buffer structure

1.2 運動方程及初始條件

液體對活塞工作面積所形成的壓力,包括儲氣筒中的氣體壓力經(jīng)過液體傳遞而作用于活塞上那部分壓力,克服液體流動阻力而作用于活塞上的壓力[6].

緩沖器運動仿真模型如圖2.滑軌固定,質(zhì)量塊在滑軌上運動,質(zhì)量塊與滑軌之間有彈簧力和阻尼、摩擦力.彈簧力和阻尼、摩擦力的數(shù)值通過彈簧參數(shù)和運動副初始條件進(jìn)行設(shè)定.為了使緩沖器運動仿真模型與緩沖器真實情況更為接近,緩沖器的相關(guān)參數(shù)通過數(shù)學(xué)計算和試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析確定.

圖2 緩沖器運動仿真模型Fig.2 Buffer motion simulation model

自動機后坐阻力方程

R=A1PT+T+mg(fcosθ-sinθ)+F0+kx+

(1)

式中：A1為活塞工作面積，PT為作用于活塞工作面積上的液體壓力，T為環(huán)簧摩擦簧力和活塞的摩擦力，f為摩擦系數(shù)，θ為射角，F(xiàn)0為環(huán)簧預(yù)壓力，k為環(huán)簧剛度，x為后坐行程，C為阻尼系數(shù)，ρ為液體密度，v為后坐速度，a為漏口面積，τ為氣體多變指數(shù),p為氣腔內(nèi)壓力,V為氣腔容積,A2為氣液活塞面積.

在求解自動機運動微分方程時,主要是給出二階微分方程的迭代格式,設(shè)在微小的時間間隔Δt=tn-tn-1內(nèi),對自動機運動微分方程逐步積分可得后坐速度與位移的表達(dá)式:

(2)

Xn=Xn-1+Vn-1(tn-tn-1)+

(3)

式中：m為后坐整體質(zhì)量,Fpt為炮膛合力.

初始條件為自動機射速600發(fā)/min,后坐最大距離20 mm,不浮動射擊,后坐質(zhì)量m=0.3×103kg，后坐起始速度v0=0.8 m/s(指彈丸飛出炮口時自動機的最大后坐速度)，總剛度k=3×105N/m,阻尼系數(shù)C=3 000,預(yù)壓力Fy=1.4×104N/m.

2 仿真結(jié)果分析

運用ADAMS軟件對緩沖器后坐過程進(jìn)行運動仿真,通過改變參數(shù)設(shè)置,得到緩沖器運動關(guān)系曲線.ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫,創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型,對虛擬機械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線.

2.1 剛度的變化對加速度的影響

在其他條件不變的情況,改變緩沖器剛度數(shù)值,加速度的變化如圖3.從圖中可看出,剛度減小,加速度曲線周期延長,幅值減小,走勢更加平緩,這使振動變得柔和,即沖擊特性好.在0.26～0.5 s之間,加速度變化率發(fā)生明顯變化,這表明此刻有劇烈沖擊,其原因有,一是此時正是靜摩擦力剛轉(zhuǎn)變成動摩擦力;二是阻尼孔處由于液體由靜到動的轉(zhuǎn)變,發(fā)生動力效應(yīng)[7-8],導(dǎo)致液體壓力發(fā)生變化,液體壓力的變化與摩擦力變化聯(lián)合作用影響加速度的變化,剛度越大,這種影響越顯著，這說明減小剛度對降低沖擊是有利的.另一方面,剛度的減小,在吸收同樣后坐能量的情況下,會有較大的后坐距離.因此,在對沖擊振動較為敏感的情況下,比如航炮,可以延長后坐距離,為緩沖吸振提供充裕的空間,減弱沖擊.

圖3 剛度與加速度的關(guān)系Fig.3 Relation of stiffness and acceleration

2.2 阻尼對加速度的影響

陰尼對加速度的影響如圖4，圖中可看出,隨著阻尼的增大,加速度曲線變得平緩，阻尼達(dá)到一定數(shù)值,加速度曲線快速趨近0,這說明,阻尼對能量的快速消耗使自動機后坐的振蕩時間縮小.加速度從峰值變化到0的初始段出現(xiàn)的劇烈波動隨著阻尼的增大逐漸緩和,這說明在從靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦的時間段,阻尼可以有效抑制沖擊.另一方面,阻尼消耗的能量會使緩沖器溫升加劇,密封效果受到破壞,可靠性下降.所以,阻尼的大小既要滿足規(guī)定行程內(nèi)緩沖吸振的要求,又不能使緩沖器溫升太快,破壞可靠性.從圖4還可看出,在加速度從0變化到峰值時,曲線導(dǎo)數(shù)變化率較大,而從峰值回到0的過程曲線緩和;阻尼越大,這種趨勢越明顯,而加速度為0時,正是速度最大時,即沖量最大,這說明沖量越小,阻尼對加速度的影響越顯著.

圖4 阻尼與加速度的關(guān)系Fig.4 Relation of damp and acceleration

2.3 環(huán)簧預(yù)壓力對加速度的影響

環(huán)簧預(yù)壓力對加速度的影響如圖5，圖中可看出,預(yù)壓力的增大使加速度曲線幅值增大,周期不變，較小的預(yù)壓力使加速度曲線快速趨于0,這說明預(yù)壓力越小,環(huán)簧儲存的能量越少,能量越少,環(huán)簧所起的作用越小,這種情況下,后坐能量主要被液壓阻尼所消耗.由于復(fù)進(jìn)過程需要環(huán)簧提供能量克服阻尼與摩擦力,所以環(huán)簧后坐過程中必需儲存足夠的能量用于復(fù)進(jìn).從圖5還可看出,無論預(yù)壓力怎樣變化,到達(dá)同一加速度的時間點是一致的,這說明,阻尼不改變加速度的變化周期,但改變了加速度相同時間點對0點的偏移值.預(yù)壓力越大,后坐振蕩過程越長,后坐阻力越大;較小的預(yù)壓力會降低沖擊.在滿足使用要求的前提下,為了減小振蕩,應(yīng)盡量降低預(yù)壓力.

圖5 預(yù)壓力與加速度的關(guān)系Fig.5 Relation of preload and acceleration

2.4 不同后坐起始速度與摩擦力的關(guān)系

不同后坐起始速度與摩擦力關(guān)系如圖6，圖中可看出,對于不同的后坐起始速度,動摩擦力是一樣的,但在不同周期,靜摩擦力表現(xiàn)不同.在緩沖器由靜到動的過程中,摩擦力經(jīng)過短時間的振蕩過程后趨于平穩(wěn).對不同后坐起始速度來說,摩擦力發(fā)生劇烈波動的時刻不完全相同.文中，在0～50 ms內(nèi),起始速度較低時摩擦力曲線振蕩較為劇烈;在50～100 ms內(nèi),5種不同初速的摩擦力全部發(fā)生劇烈振蕩;100～130 ms之間,各摩擦力曲線變化差異很大;130 ms之后,低起始速度的摩擦力趨于平穩(wěn),最高起始速度的摩擦力曲線發(fā)生兩次振蕩.總的說來,在整個后坐過程中,后坐起始速度較低時的靜摩擦力表現(xiàn)最為活躍.較高的靜摩擦力水平是造成振動與沖擊的主要成因.

圖6 后坐起始速度與摩擦力的關(guān)系Fig.6 Relation of recoil initial velocity and frictional force

2.5 多參數(shù)影響分析

阻尼系數(shù)(δ)與剛度(k)對后坐速度(v)的影響如圖7(負(fù)值區(qū)域的曲面是為了分析后坐速度邊界變化趨勢),隨著剛度和阻尼的增大,后坐速度減小,當(dāng)剛度趨于0或者阻尼趨于最小時,后坐速度達(dá)到極大值,也就是說后坐部分的動能幾乎沒有轉(zhuǎn)化或消耗;后坐阻力(F)與后坐速度(v)和阻尼系數(shù)(δ)的關(guān)系如圖8(負(fù)值區(qū)域的曲面是為了分析后坐阻力邊界變化趨勢),阻尼系數(shù)與后坐阻力呈線性遞增關(guān)系,后坐速度與后坐阻力呈拋物線遞增關(guān)系,也就是說后坐動能越大,后坐阻力(可理解為后坐質(zhì)量部分的反作用力)的增量越大,這對射擊精度和射擊平臺的安全性是不利的;根據(jù)動量守恒定理,通過適當(dāng)延長后坐行程,增加作用力時間,可降低對射擊平臺的作用力.在緩沖器設(shè)計上體現(xiàn)為降低剛度,增大阻尼和摩擦力.

圖7 后坐速度變化曲面Fig.7 Recoil velocity variations surfaces figure

圖8 后坐阻力變化曲面Fig.8 Recoil resistance variations surfaces figure

3 緩沖器動強度有限元分析

動強度表征物體抵抗共振所致形變的能力.通過研究緩沖器的共振形變(即模態(tài))來考察其動強度的不足.有限元法的基本思路是將彈性體離散為有限多個單元,即所謂的網(wǎng)格劃分,而后根據(jù)各個單元節(jié)點的位移協(xié)調(diào)條件和平衡條件建立振動微分方程.由于模態(tài)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有特性,與外載無關(guān),所以在進(jìn)行模態(tài)分析時,不需要設(shè)置外載邊界條件,即總載荷向量{f(t)}=0.由于阻尼對結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響很小,所以,不考慮系統(tǒng)阻尼影響.因此,無阻尼多自由度系統(tǒng)的自由振動微分方程為

(4)

式(4)對應(yīng)的特征值方程為:

(K-w2M)q=0

(5)

式中:w為系統(tǒng)的固有頻率.

求解特征值方程式(5)就可以得到w和q,即系統(tǒng)的固有頻率和主振型[9-11].

根據(jù)自動機實際射速范圍,取前10階模態(tài)進(jìn)行研究.緩沖器左端施加約束,對緩沖器進(jìn)行有限元動強度分析,各階振型及頻率如圖9.

從圖中可以看出,第3，4，6，7，9，10階共振頻率使活塞桿受到彎曲應(yīng)力,這會使活塞摩擦力增大;第5階共振頻率使差控閥的內(nèi)外環(huán)配合面出現(xiàn)錐形分布的應(yīng)力譜,由于差控閥徑向外泄量增大,液壓阻尼的作用被消弱;第1，2階共振頻率使緩沖器受到整體彎曲應(yīng)力,由于左端的約束,緩沖器外筒在應(yīng)力作用下發(fā)生形變,氣液活塞的運動阻力增大,從而消弱液壓阻尼的耗能作用.由于緩沖器的受力情況可以視同二力桿,任何縱向彎曲形變都會使兩端的力不同線,這就加劇了緩沖器的彎曲傾向.通過調(diào)整射速,可以規(guī)避以上共振頻率;在射速確定時,也可以改進(jìn)緩沖器結(jié)構(gòu)使緩沖器與射擊頻率不發(fā)生共振.另外,圖中還可看出,第3，6，7，9，10階振型對抗彎動強度有更高的要求,在此共振頻率下工作,需要對緩沖器進(jìn)行動強度增強設(shè)計.

圖9 各階振型與頻率Fig.9 Type and freqnency of each vibration

4 結(jié)論

1)阻尼系數(shù)每增加1%,加速度下降0.55%;剛度每下降1%,加速度降低0.96%,加速度變化率越大,沖擊越大,這就是說通過提高阻尼系數(shù)比降低剛度更能緩和沖擊,且不需要延長后坐行程.

2)較大的后坐起始速度使后坐部分具有較高的動能,這些動能部分轉(zhuǎn)化成勢能,勢能越大,靜摩擦力作用時間越短,引起的振動沖擊越弱,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以使后坐過程的初始段具有較高的阻尼,阻尼在消耗能量的同時還可以吸收振動;后坐過程的末段要具有較好的彈簧可回復(fù)性,以利于緩沖器克服摩擦力和阻尼復(fù)進(jìn)到位.

3)在共振頻率附近工作,結(jié)構(gòu)剛度不足會破壞緩沖器初始條件,進(jìn)而惡化緩沖器性能.提高緩沖器結(jié)構(gòu)動強度可以改善中低頻振動穩(wěn)定性,防止緩沖器因為過大形變喪失對后坐能量的吸收.

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