化斌斌，王瑞林，李 濤，張軍挪，胡明樞

（1.軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003；2.75100部隊(duì)，廣西柳州 541002）

某轉(zhuǎn)管機(jī)槍活塞組件驅(qū)動(dòng)輪磨損狀態(tài)下的可靠性分析

化斌斌1，王瑞林1，李 濤1，張軍挪1，胡明樞2

（1.軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003；2.75100部隊(duì)，廣西柳州 541002）

活塞組件驅(qū)動(dòng)輪的磨損會(huì)影響自動(dòng)機(jī)的可靠性，從而影響轉(zhuǎn)管機(jī)槍的性能。通過對(duì)活塞組件進(jìn)行受力分析以及可靠性分析，利用有限元軟件建立了活塞組件的動(dòng)力學(xué)模型，研究了驅(qū)動(dòng)滾輪在前曲線槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變狀況，通過修改滾輪外徑，仿真模擬了不同磨損量對(duì)機(jī)槍可靠性的影響。結(jié)果表明：通過對(duì)驅(qū)動(dòng)滾輪發(fā)生不同程度磨損現(xiàn)象的仿真分析，磨損量較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾輪更容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，塑性應(yīng)變也就越大。該仿真研究可為轉(zhuǎn)管機(jī)槍的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

轉(zhuǎn)管機(jī)槍；可靠性；活塞組件；驅(qū)動(dòng)滾輪；磨損量

自動(dòng)機(jī)是武器的核心部分，其性能對(duì)武器的可靠性與效能起著決定性的作用［1-2］。轉(zhuǎn)管機(jī)槍射擊過程中，機(jī)構(gòu)處于強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并承受了較大的變化載荷，對(duì)承載能力、安全性能和機(jī)構(gòu)壽命等方面都有非常高的要求。因此，在轉(zhuǎn)管機(jī)槍的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)自動(dòng)機(jī)部分主要構(gòu)件提出了更高的可靠性要求［3］。

活塞組件長期所處的工作環(huán)境（高溫、高負(fù)載和高速運(yùn)動(dòng)等）十分惡劣，在機(jī)槍射擊過程中出現(xiàn)了滑板驅(qū)動(dòng)滾輪磨損、滾輪軸斷裂等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了活塞組件的使用壽命和機(jī)槍的射擊可靠性。筆者通過對(duì)活塞組件進(jìn)行受力分析和可靠性分析，建立了其有限元模型，仿真了活塞組件在驅(qū)動(dòng)滾輪不同磨損量下的運(yùn)動(dòng)過程，得出了驅(qū)動(dòng)滾輪不同磨損量對(duì)機(jī)槍可靠性的影響。

1 受力分析

槍彈擊發(fā)啟動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間彈丸越過導(dǎo)氣孔，一部分火藥氣體進(jìn)入導(dǎo)氣室作用于活塞頭部位置，推動(dòng)活塞滑板在節(jié)套的導(dǎo)槽內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)，滑板上的驅(qū)動(dòng)滾輪在節(jié)套外的前凸輪曲線槽內(nèi)滾動(dòng)，迫使節(jié)套沿其軸線旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)整個(gè)旋轉(zhuǎn)部分運(yùn)動(dòng)。

在射擊的大部分時(shí)間內(nèi)，由節(jié)套等回轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)活塞組件運(yùn)動(dòng)，其受力如圖1所示，在行星體旋轉(zhuǎn)方向上加力矩Mr，在活塞滑板運(yùn)動(dòng)的反方向上加阻力F，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

水平方向上的力平衡方程為

式中：f為滑板上驅(qū)動(dòng)滾輪和前曲線槽的摩擦系數(shù)，f＝0.25；N為驅(qū)動(dòng)滾輪對(duì)前曲線槽在法線方向上的壓力；fh為滑板和節(jié)套導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)，fh＝0.25；Nh為滑板對(duì)節(jié)套導(dǎo)軌在法線方向上的壓力；α為滾輪在前曲線槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力fN與圖中垂直方向的夾角。

垂直方向力平衡方程為

式（2）代入式（1）得：

忽略回轉(zhuǎn)部件所受的旋轉(zhuǎn)摩擦力，則

根據(jù)回轉(zhuǎn)部件受力得出：

式中：rhs為P到回轉(zhuǎn)部件中心的距離。

活塞被節(jié)套等回轉(zhuǎn)部件帶動(dòng)空回的情況

式（5）適用于活塞被節(jié)套等回轉(zhuǎn)部件帶動(dòng)空回的情況。當(dāng)活塞在火藥氣體作用下作為主動(dòng)件時(shí)，做逆?zhèn)鲃?dòng)，則

2 可靠性問題分析

轉(zhuǎn)管機(jī)槍在射擊過程中，活塞組件受到導(dǎo)氣孔導(dǎo)出的火藥氣體的沖擊作用，滑板在節(jié)套的導(dǎo)槽內(nèi)前后直線運(yùn)動(dòng)，滑板上的驅(qū)動(dòng)滾輪在曲線槽內(nèi)受迫運(yùn)動(dòng)。樣機(jī)試驗(yàn)過程中，活塞組件出現(xiàn)的故障現(xiàn)象有：

1）驅(qū)動(dòng)滾輪磨損、變形，滑板滾輪軸斷裂。

2）滑板在節(jié)套的內(nèi)導(dǎo)槽之間卡緊。

從故障部位來分析，造成以上故障的主要原因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)方面：

1）在高溫、高負(fù)載和高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)滾輪在曲線槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)擠壓力大，接觸表面上存在碰傷的金屬突起。

2）節(jié)套的導(dǎo)槽內(nèi)油污過多，潤滑不良。

3 模型的建立

3.1 模型簡(jiǎn)化

鑒于節(jié)套、活塞滑板等零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了減小計(jì)算量，同時(shí)保證活塞組件三維模型支持有限元計(jì)算，在確保幾何精度的前提下，可以作如下簡(jiǎn)化：去掉節(jié)套的凹槽、凸臺(tái)等幾何形狀，消除非接觸表面的倒角、圓角等一些小特征；由于筆者關(guān)心的是活塞組件的整體結(jié)構(gòu)性能，因此可以將不影響整體結(jié)構(gòu)性能的零件如銷釘、節(jié)套外部套箍等去掉。通過以上處理，活塞組件簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

3.2 網(wǎng)格劃分

驅(qū)動(dòng)滾輪、前曲線槽等零件相互接觸的部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中甚至產(chǎn)生破壞，在劃分網(wǎng)格的過程中需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化并重點(diǎn)關(guān)注［4-5］；網(wǎng)格劃分完成后，整個(gè)模型共生成87 464個(gè)單元。

劃分網(wǎng)格后的活塞組件有限元模型如圖3所示。

3.3 載荷及邊界條件

以接觸碰撞理論為基礎(chǔ)［6］，仿真模擬驅(qū)動(dòng)滾輪、活塞滑板隨著節(jié)套旋轉(zhuǎn)并同時(shí)與前曲線槽、節(jié)套等產(chǎn)生碰撞的整個(gè)過程，設(shè)定節(jié)套旋轉(zhuǎn)的角速度為52rad／s，固定曲線槽。

3.4 材料物理參數(shù)

活塞組件采用彈塑性本構(gòu)模型，其中驅(qū)動(dòng)滾輪材料為合金鋼，其參數(shù)如表1所示，應(yīng)力和塑性應(yīng)變的關(guān)系如圖4所示。

表1 驅(qū)動(dòng)滾輪材料參數(shù)

4 應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)活塞組件受力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)特征，筆者主要分析了驅(qū)動(dòng)滾輪發(fā)生磨損后，在曲線槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變狀況。進(jìn)行有限元分析時(shí)，通過修改驅(qū)動(dòng)滾輪的外徑來模擬發(fā)生不同程度磨損或者變形的情況。實(shí)際仿真過程中，選取滾輪外徑為22、21.6、21.2mm，分別進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果采用應(yīng)力云圖的形式表示。

設(shè)置與計(jì)算相關(guān)的求解程序及參數(shù)，設(shè)定仿真時(shí)長為0.06s，提交求解器，計(jì)算結(jié)束后讀取分析結(jié)果進(jìn)行后處理，可以得到節(jié)套沿x軸軸線方向旋轉(zhuǎn)一周過程中驅(qū)動(dòng)滾輪在不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖，如圖5所示。

從圖中可以看出，應(yīng)力云圖顯示了驅(qū)動(dòng)滾輪外表面與曲線槽內(nèi)表面發(fā)生碰觸的部位在擠壓、摩擦作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)可以觀察到，當(dāng)滾輪運(yùn)動(dòng)到曲線槽的最低與最高位置處，即曲線槽方向改變的部位，滾輪的應(yīng)力相較于在曲線槽平滑部分運(yùn)動(dòng)時(shí)要大，此時(shí)刻產(chǎn)生的塑性應(yīng)變亦較大。

在同一個(gè)驅(qū)動(dòng)滾輪外表面與前曲線槽接觸的部位選取一個(gè)單元并提取其等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比研究。圖6和圖7分別為驅(qū)動(dòng)滾輪受擠壓最大位置處的等效應(yīng)力曲線和等效塑性應(yīng)變曲線。其中，D1、D2、D3分別對(duì)應(yīng)滾輪外徑為22、21.6、21.2mm三種情況。

從圖6與圖7中可以看出，滾輪在曲線槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其外表面出現(xiàn)了較大的變形，等效應(yīng)力峰值達(dá)到了800MPa，應(yīng)力值超出了材料的屈服極限，滾輪外表面發(fā)生了塑性變形；滾輪未發(fā)生磨損時(shí)（外徑為22mm），等效應(yīng)力值在0.03s左右達(dá)到了峰值；在0.04s時(shí)，滾輪應(yīng)力值減小，等效塑性應(yīng)變趨于0.112，不再遞增；滾輪外徑為21.6mm與21.2mm時(shí)，等效應(yīng)力與塑性應(yīng)變曲線隨時(shí)間變化趨勢(shì)近似，均在0.04s左右達(dá)到了峰值；滾輪外徑為21.2mm時(shí)，滾輪的等效塑性應(yīng)變值相對(duì)其他兩組情況更大一些，為0.125。

5 結(jié) 論

筆者應(yīng)用有限元軟件建立了活塞組件的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了三種工況下的仿真，對(duì)比三組工況的仿真結(jié)果，驅(qū)動(dòng)滾輪外徑減小時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾輪與曲線槽之間的間隙增大，二者的撞擊加劇。由于碰觸產(chǎn)生的擠壓力也隨之不斷增加，同時(shí)等效塑性應(yīng)變也不斷增大。滾輪外徑為21.2mm時(shí)，等效塑性應(yīng)變比外徑為22mm時(shí)增大了11.6%?？梢缘贸鼋Y(jié)論：滾輪外徑愈小，即相當(dāng)于滾輪發(fā)生磨損時(shí)，驅(qū)動(dòng)滾輪外表面與曲線槽接觸部位更容易發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致材料發(fā)生磨損，研究結(jié)果對(duì)提高活塞組件的使用性能以及提高機(jī)槍的工作可靠性等具有一定的參考意義。

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Reliability Analysis on Piston Assembly Driving Wheel of Gatling Machine Gun under Different Conditions of Abrasion Loss

HUA Bin-bin1，WANG Rui-lin1，LI Tao1，ZHANG Jun-nuo1，HU Ming-shu2
（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.The 75100Troops of PLA，Liuzhou 541002，Guangxi，China）

The abrasion of piston assembly driving wheel would have the effect on the reliability of automatic mechanism，thereby on the performances of Gatling machine gun.Through the force analysis and reliability analysis of the piston assembly，dynamics model of piston assembly was established with the help of finite element software to detailedly study the situation of stress and strain of driving wheel while they were moving in front crooked slot，and the influence of wheels’different abrasion loss on Gatling machine gun reliability was simulated by means of modifying wheels＇diameter.The results showed that through the simulation analysis of different abrasion loss of driving wheels，the larger the abrasion is，the more easily the stress concentration occurs，and the bigger the plastic strain is.This simulation study can provide reference for the design and improvement of Gatling machine gun.

Gatling machine gun；reliability analysis；piston assembly；driving wheel；abrasion loss

TP202＋.1

A

1673-6524（2014）01-0031-04

2013-10-11；

2013-12-05

化斌斌（1987-），男，博士研究生，主要從事武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與應(yīng)用研究。E-mail：huabin1104＠163.com