宋華斌，潘江峰，解鳳娟，梁 輝，高學(xué)星

（1.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

某彈協(xié)調(diào)器減速器動(dòng)力學(xué)仿真分析

宋華斌1，潘江峰1，解鳳娟1，梁 輝1，高學(xué)星2

（1.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

彈協(xié)調(diào)器是自動(dòng)裝填系統(tǒng)中的重要部件，在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)協(xié)調(diào)到位不準(zhǔn)確的問(wèn)題。以多體動(dòng)力學(xué)理論和ADAMS軟件為基礎(chǔ)，建立某彈協(xié)調(diào)器多剛體虛擬樣機(jī)模型，計(jì)算得到工作過(guò)程中減速器齒輪嚙合力的變化曲線，利用ANSYS軟件對(duì)協(xié)調(diào)器支臂進(jìn)行柔性化處理，建立剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型，重新計(jì)算得到振動(dòng)條件下齒輪嚙合力的變化曲線。通過(guò)對(duì)兩種仿真結(jié)果及與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得出沖擊振動(dòng)環(huán)境會(huì)對(duì)協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)定位精度產(chǎn)生較大的不利影響，為全面研究協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)定位可靠性提供了重要參考。

彈協(xié)調(diào)器；減速器；虛擬樣機(jī)；齒輪力

彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)能提高火炮的爆發(fā)射速和持續(xù)射速，減輕乘員的工作強(qiáng)度，提高火炮的自動(dòng)化水平，是未來(lái)自行火炮發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。彈協(xié)調(diào)器是彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)的重要部件，其工作具有負(fù)載變化大、工作環(huán)境惡劣（沖擊振動(dòng)大）的特點(diǎn)，它能否快速、準(zhǔn)確地將彈丸協(xié)調(diào)到位，直接影響到彈丸裝填的質(zhì)量和效率［1］。

如圖1所示，某自行火炮彈協(xié)調(diào)器主要由減速器、支臂、托彈盤、小平衡機(jī)、角度傳感器、擺彈油缸等組成，通過(guò)繞耳軸回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)任意角協(xié)調(diào)。該彈協(xié)調(diào)器在接彈位接收來(lái)自彈倉(cāng)的彈丸，在電機(jī)的作用下進(jìn)行射角協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使得彈丸軸線與炮膛軸線平行。協(xié)調(diào)器能否準(zhǔn)確完成協(xié)調(diào)定位與電機(jī)減速器的性能有很大關(guān)系。筆者以多體動(dòng)力學(xué)理論和虛擬樣機(jī)技術(shù)為手段，對(duì)該彈協(xié)調(diào)器電機(jī)減速器在沖擊振動(dòng)環(huán)境下的工作過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，分析了協(xié)調(diào)器工作過(guò)程中齒輪嚙合力的變化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)協(xié)調(diào)器定位精度研究提供了基礎(chǔ)。

1 彈協(xié)調(diào)器虛擬樣機(jī)建模

該彈協(xié)調(diào)器由兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，減速器為三級(jí)傳動(dòng)，前兩級(jí)為直齒輪傳動(dòng)，第三級(jí)為蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，其中蝸輪與耳軸剛性連接，蝸桿安裝在協(xié)調(diào)器本體上，帶動(dòng)支臂繞耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

ADAMS提供的模型數(shù)據(jù)交換接口有Parasolid、STEP、IGES等格式，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證Parasolid格式，擴(kuò)展名為＊.xmt＿txt的文件能完整地保留UG中齒輪裝配模型的各種細(xì)節(jié)特征，故將UG設(shè)計(jì)的彈協(xié)調(diào)器模型以＊.xmt＿txt格式導(dǎo)入ADAMS／View，對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行編輯，根據(jù)所輸入的材料屬性計(jì)算出各個(gè)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)量等基本參數(shù)［2］。在ADAMS／View中，通過(guò)添加各種約束來(lái)描述機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。根據(jù)該協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，為協(xié)調(diào)器添加如下約束：小平衡機(jī)支座與地面之間、蝸桿與地面之間，彈丸與托單盤之間，托彈盤與協(xié)調(diào)臂之間，齒輪2與齒輪軸之間，齒輪5與蝸桿之間，添加固定鉸約束；協(xié)調(diào)臂與地面，齒輪1、齒輪3、齒輪軸、蝸桿與協(xié)調(diào)臂之間，油缸筒與支座之間，活塞桿與支臂之間，添加旋轉(zhuǎn)鉸約束；活塞桿與油缸筒之間添加平移約束。各個(gè)零件通過(guò)各種約束彼此連接在一起，進(jìn)而構(gòu)建完成一個(gè)完整的彈協(xié)調(diào)器多剛體虛擬樣機(jī)模型。

筆者主要對(duì)齒輪嚙合系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，因而可對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，定義齒輪、齒輪軸、軸承等為剛體，它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以忽略不計(jì)。在齒輪1、齒輪3處添加相同力矩代替電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，小平衡機(jī)力由理論計(jì)算得到，轉(zhuǎn)換成隨轉(zhuǎn)角變化的函數(shù)，導(dǎo)入虛擬樣機(jī)模型建立SPLINE曲線，在小平衡機(jī)活塞桿和缸筒處添加與SPLINE曲線相關(guān)聯(lián)的平衡機(jī)力，最終建立的虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。

2 齒輪減速器的動(dòng)力學(xué)仿真

ADAMS中對(duì)于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)有齒輪副和實(shí)體接觸兩種約束方式，齒輪副是理想狀態(tài)下齒輪傳動(dòng)，而實(shí)體接觸則能反映實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況，因此對(duì)齒輪采用實(shí)體接觸的形式進(jìn)行約束，齒輪之間將以碰撞的形式進(jìn)行傳動(dòng)［3］。

2.1 ADAMS中碰撞參數(shù)的選取

ADAMS軟件中，接觸力定義為

式中：step為階躍函數(shù)；C為黏滯阻尼系數(shù)；K為剛度系數(shù)；e為力的非線性指數(shù)；d0為兩物體間參考碰撞距離；d1為物體碰撞過(guò)程中的實(shí)際距離；d為阻尼率達(dá)到最大所要經(jīng)過(guò)的距離；.d1為碰撞過(guò)程中的距離對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即速度變量。

式（1）表示：當(dāng)d0≤d1時(shí)，兩物體沒(méi)有發(fā)生碰撞，其接觸力為零；當(dāng)d0＞d1時(shí)，表示兩物體發(fā)生碰撞，其接觸力大小與接觸類型、剛度系數(shù)K、變形量d0-d1，力的非線性指數(shù)e、黏滯阻尼系數(shù)C、摩擦系數(shù)f、滲透深度和碰撞指數(shù)等有關(guān)。其中剛度系數(shù)K取決于撞擊物體材料和結(jié)構(gòu)形狀，即

式中：R1、R2分別為兩齒輪接觸點(diǎn)當(dāng)量半徑；E1、E2分別為兩齒輪材料彈性模量；μ1、μ2分別為兩齒輪材料泊松比；R為綜合曲率半徑。

該彈協(xié)調(diào)器減速器齒輪基本參數(shù)如表1所示。

表1 減速器齒輪基本參數(shù)

前兩級(jí)主從動(dòng)齒輪及蝸桿材料均為45＃鋼，μ1＝0.29，E1＝2.07×105N／mm2，蝸輪材料為錫青銅，μ2＝0.324，E2＝1.06×105N／mm，結(jié)合表1中的齒輪基本參數(shù)，可求得齒輪的剛度系數(shù)K值分別為：第一級(jí)為2.94×105，第二級(jí)為2.78×105。第三級(jí)為2.15×105，碰撞指數(shù)取1.5；阻尼系數(shù)取50N·s-1／mm；滲透深度取0.1mm；在傳動(dòng)過(guò)程中，齒輪處于良好潤(rùn)滑狀態(tài)，故擬取動(dòng)摩擦系數(shù)為0.05，靜摩擦系數(shù)為0.08。

2.2 減速器多剛體動(dòng)力學(xué)仿真

把兩個(gè)小齒輪的輸入力矩設(shè)置為1N·m，設(shè)置重力加速度為9.8m／s2，方向垂直向下，仿真時(shí)間為1.2s，仿真步長(zhǎng)為5 000，進(jìn)行仿真。圖4～圖7分別為各級(jí)齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中嚙合力的變化曲線。

2.3 彈協(xié)調(diào)器剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真

實(shí)際工作時(shí)，彈協(xié)調(diào)器減速器在沖擊振動(dòng)的環(huán)境下隨支臂一起快速轉(zhuǎn)動(dòng)?？紤]到支臂為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到變化力的作用而產(chǎn)生的變形不能忽略，因而對(duì)彈協(xié)調(diào)器支臂進(jìn)行柔性化處理，分析在支臂變形與整個(gè)剛性運(yùn)動(dòng)的相互作用下，減速器齒輪嚙合力的變化規(guī)律。把協(xié)調(diào)器支臂的＊.x＿t格式文件導(dǎo)入ANSYS軟件，定義完材料屬性后進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行模態(tài)分析得到支臂的固有頻率和振型［4］。利用ANSYS到ADAMS的接口把所生成的前10階模態(tài)文件導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)模型中代替原來(lái)的剛性體［5］，添加約束條件得到剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型如圖8所示。

在其他參數(shù)不變的情況下，再次仿真。得到在支臂振動(dòng)變形條件下各級(jí)齒輪嚙合力的變化情況如圖9～圖12所示。

仿真計(jì)算結(jié)果平均值和傳統(tǒng)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 各級(jí)齒輪嚙合力平均值比較

2.4 兩種模型仿真結(jié)果對(duì)比分析

從仿真曲線及與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可以得出如下結(jié)果：

1）齒輪傳動(dòng)過(guò)程中，齒輪嚙合力在0.15s內(nèi)逐漸增加到平均值，在0.15s后基本趨于穩(wěn)定，并圍繞著平均值在一定范圍內(nèi)按一定頻率進(jìn)行波動(dòng)，該結(jié)果充分反映了齒輪的周期性嚙入嚙出運(yùn)動(dòng)特性。

2）高速級(jí)齒輪的嚙合力均值較小，而波動(dòng)頻率相應(yīng)則較大。與之相反，低速級(jí)齒輪的嚙合力均值較大，而波動(dòng)頻率較低。該特性與齒輪傳動(dòng)時(shí)各級(jí)齒輪的力與速度反向?qū)?yīng)相一致。

3）利用多剛體模型計(jì)算的各級(jí)齒輪嚙合力平均值與理論計(jì)算比較接近，且嚙合力變化范圍小，這反映出理論計(jì)算結(jié)果可以較好地指導(dǎo)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)。

4）利用剛?cè)狁詈夏Ｐ陀?jì)算的嚙合力值與理論計(jì)算及多剛體模型計(jì)算結(jié)果相比差別較大，而且嚙合力值的變化范圍較大，如高速級(jí)齒嚙合力平均值是理論值的2倍，在某些時(shí)刻的值甚至超過(guò)平均值3倍。這充分說(shuō)明在實(shí)際工作中，沖擊振動(dòng)環(huán)境將對(duì)齒輪的受力造成很大的影響，而受力的成倍增加將大大加速齒輪的磨損，嚴(yán)重影響減速器的正常工作。同時(shí)，低速級(jí)齒輪嚙合力平均值明顯小于理論值，這是由柔性支臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中激起了系統(tǒng)大范圍的振動(dòng)，加劇了齒輪傳動(dòng)過(guò)程中能量損耗，導(dǎo)致減速器輸出力矩減小，從而影響其帶動(dòng)負(fù)載完成規(guī)定動(dòng)作的能力。兩方面的變化都將對(duì)協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)定位的精度產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立了某彈協(xié)調(diào)器的多剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ停谙嗤膮?shù)設(shè)置下對(duì)兩種模型減速器分別進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，獲得了齒輪傳動(dòng)中的齒面接觸力的變化情況。通過(guò)比較兩種模型的仿真結(jié)果及與理論值進(jìn)行比較，揭示了在沖擊振動(dòng)條件下齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的嚙合力變化情況，而該變化對(duì)協(xié)調(diào)器的協(xié)調(diào)定位精度會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響。筆者的研究成果為全面分析該彈協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)定位精度可靠性提供了重要參考依據(jù)。

（References）

［1］侯保林，樵軍謀，劉琮敏.火炮自動(dòng)裝填［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2010.HOU Bao-lin，QIAO Jun-mou，LIU Cong-min.Automatic loading of artillery［M］.Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry.（in Chinese）

［2］康文利，張穎，王川.基于UG和ADAMS的減速器的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2011，38（1）：49-52.KANG Wen-li，ZHANG Ying，WANG Chuan.The design and simulation analysis of virtual prototype of reducer based on UG and ADAMS［J］.Computer Application Technology，2011，38（1）：49-52.（in Chinese）

［3］鐘新利，張左治，姜望霖.基于ADAMS多體動(dòng)力學(xué)的輪齒動(dòng)態(tài)載荷仿真分析［J］.機(jī)械工程師，2011，（9）：63-65.ZHONG Xin-li，ZHANG Zuo-zhi，JIANG Wang-lin.The dynamic load simulation analysis of spur gear tooth based on ADAMS multibody dynamics［J］.Mechanical Engineer，2011，（9）：63-65.（in Chinese）

［4］趙武云，劉艷妍，吳建民.ADAMS基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.ZHAO Wu-yun，LIU Yan-yan，WU Jian-min.The basic and application of ADAMS［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2012.（in Chinese）

［5］蔡驪君，復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)剛-柔混合虛擬樣機(jī)一體化分析技術(shù)初探［D］天津：天津大學(xué)，2010.CAI Li-jun.A primary study on the technique of integration analysis to rigid-flexible mixture virtual prototyping in complex mechanic system［D］.Tianjing：Tian-Jing University，2010（in Chinese）

Dynamics Simulation and Analysis on Coordinator Reducer

SONG Hua-bin1，PAN Jiang-feng1，XIE Feng-juan1，LIANG Hui1，GAO Xue-xing2
（1.Northwest Institute of Mechanical ＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China；
2.College of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

The coordinator is an important part of the auto-loading system，but there existed the problem that the coordinator can not stop at the right position when operation.Based on multi-body system dynamics theory and ADAMS software，the virtual prototype model of the coordinator was established.The changing curve of the reducer gear force was obtained by use of evaluation，and the ANSYS software was employed to build up the soft coordinator arm，so the rigid-flexible virtual prototype model was established.Evaluation again，the changing curve of gear force in the vibrating environment was acquired.By comparing the results of the two models with the calculation results，there arrived at the conclusion that the vibrating environment is bad for the coordinator to orientate at the right position，and this conclusion can provide an important guidance for the comprehensive research of the coordinator orientating reliability.

coordinator；reducer；virtual prototype；gear force

《火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)》2011、2012年優(yōu)秀論文評(píng)選結(jié)果

TJ303＋.3

A

1673-6524（2014）01-0020-05

2013-10-16；

2013-11-26

“十二五”兵器預(yù)研支撐基金（6220107××××）

宋華斌（1989-），男，碩士研究生，助理工程師，主要從事大口徑火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)研究。E-mail：huabin73＠126.com