雷明遠(yuǎn)，李　強(qiáng)，張鵬軍，陳　雷，黃　嵐

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原　030051；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州　450015)

彈鏈?zhǔn)焦椃绞皆谀承┲行⌒涂趶降幕鹋谥腥匀徽加幸幌?，彈鏈作為火炮中的一個(gè)關(guān)鍵零件，其使用性能的好壞直接關(guān)系到火炮整體的可靠性和安全性。彈鏈在使用過程中若不能對(duì)炮彈進(jìn)行有效的約束，將會(huì)出現(xiàn)掉彈等現(xiàn)象，導(dǎo)致火炮出現(xiàn)嚴(yán)重的射擊故障，或?qū)κ褂萌藛T造成人身傷害[1]。因此，在彈鏈的研制過程中，對(duì)脫彈力的研究是很有必要的。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在脫彈過程數(shù)理模型的建立，脫彈過程動(dòng)力學(xué)仿真以及相關(guān)理論計(jì)算分析。王立新、劉演龍等[1- 2]人，根據(jù)某彈鏈的幾何結(jié)構(gòu)和彈鏈在供彈過程中的受力狀態(tài),建立了數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了彈鏈的縱向脫彈力、橫向脫彈力；彭峰生、張本軍等[3- 5]人建立了開式彈鏈的有限元模型，利用有限元法計(jì)算彈鏈的力學(xué)性能以及脫彈過程彈體受力；吳寶雙等[6]人利用ABAQUS動(dòng)力學(xué)仿真分析了彈鏈的抱彈力及脫彈阻力，從而模擬抱彈力存在時(shí)彈鏈的應(yīng)力云圖和脫彈阻力的數(shù)值及變化規(guī)律。

筆者在對(duì)彈鏈的理論脫彈力、仿真脫彈力進(jìn)行了計(jì)算和分析的同時(shí)，著重結(jié)合彈鏈脫彈力的反作用力壓彈尺受力的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，判斷該彈鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1　脫彈力的理論計(jì)算

1.1　基本假設(shè)

1)理論計(jì)算時(shí)，彈鏈的前后夾彈片均可簡(jiǎn)化為對(duì)稱的矩形端面懸臂梁。

2)炮彈彈底圓被彈鏈后端的彈底卡瓣卡住，不發(fā)生縱向竄動(dòng)。

3)理論計(jì)算不考慮彈鏈對(duì)炮彈的縱向脫彈力。

1.2　理論計(jì)算

彈鏈結(jié)構(gòu)的三維簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖2所示為彈鏈工作部位和夾彈片結(jié)構(gòu)，根據(jù)某火炮供彈系統(tǒng)的特點(diǎn)，供彈機(jī)構(gòu)脫彈時(shí)，向彈鏈夾彈片開口方向側(cè)向?qū)棄撼?。如圖3所示，將彈鏈的前后夾彈片簡(jiǎn)化為對(duì)稱的矩形斷面懸臂梁，當(dāng)向下壓彈時(shí)，兩對(duì)夾彈片必須張開讓炮彈通過。缺口張開的增量Δ為彈殼對(duì)應(yīng)部分的直徑與缺口原寬度的差，這樣在炮彈通過缺口的瞬間，對(duì)稱的兩夾彈片下端面承受水平作用力。

根據(jù)理論分析，當(dāng)彈鏈材料的彈性模量為E，夾彈片斷面慣性矩為J，夾彈片斷面中性線的半徑為R時(shí)，水平作用力P之值為

(1)

γ=φ(0.5+sin2θ)-0.5sin(φ-θ)cos(φ-θ)-

2sinθcos(φ-θ)+1.5sinθcosθ

(2)

計(jì)算時(shí)，需要將角度φ的度的值轉(zhuǎn)化為無量綱的弧度值。

彈殼直徑對(duì)應(yīng)的前夾彈片處直徑D=38 mm，缺口寬度B=26 mm，斷面中性線半徑R=18.9 mm。彈丸通過前夾彈片口部時(shí)的增量為

Δq=D-B=38-26=12 mm

彈殼直徑對(duì)應(yīng)的后夾彈片處直徑D=38 mm，缺口寬度27.8 mm，斷面中性線半徑R=20.5 mm,可得到彈丸在通過下夾彈片口部時(shí)的增量

Δh=38-27.8=10.2 mm

當(dāng)φ=116°,θ=45°，由φ和θ轉(zhuǎn)化為弧度值可求得γ=2.160 3，利用式⑴并根據(jù)D、E、J、Δ等可得到:

Pq=-50.39 N

故，前夾彈片的脫彈力為

F1=Pqtanθ=-50.39 N

又已知彈鏈和模擬彈的摩擦因數(shù)為μ=0.2，可得

Ff1=μPq=-10.08 N

所以，前夾彈片總的脫彈力為

Fq=F1+Ff1=-60.47 N

同理，后夾彈片的脫彈力為

Ph=-32.84 N

F2=Phtanθ=-32.84 N

Ff2=μPh=-6.568 N

后夾彈片總的脫彈力為

Fh=F2+Ff2=-39.41 N

總脫彈力

Fz=Fq+Fh=-99.88 N

2　彈鏈脫彈力的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

2.1　彈鏈?zhǔn)焦棛C(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

某火炮的供彈方式為彈鏈?zhǔn)焦梉7]，根據(jù)其供彈機(jī)構(gòu)的工作原理，建立彈鏈?zhǔn)焦棛C(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，如圖4所示。

機(jī)構(gòu)供彈時(shí)，轉(zhuǎn)筒在外能源的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)曲線槽做直線運(yùn)動(dòng)，使曲臂下滑板也做直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)撥彈滑板做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過撥彈齒卡住彈鏈將模型彈撥到壓彈位置，隨后轉(zhuǎn)筒前端加工的凸輪帶動(dòng)頂桿上下運(yùn)動(dòng)，固定在頂桿上的滑塊便帶動(dòng)壓彈回轉(zhuǎn)杠桿運(yùn)動(dòng)，連接壓彈齒向下壓彈，將炮彈剝離彈節(jié)，將炮彈壓到指定位置后，撥彈滑板再次往返運(yùn)動(dòng)，使撥彈齒越過下一發(fā)炮彈的鏈節(jié)，準(zhǔn)備再次撥彈。

2.2　剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

2.2.1模型約束的添加

建立三維UG模型以后，將模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算[8]。轉(zhuǎn)筒與大地間添加旋轉(zhuǎn)副，并在其旋轉(zhuǎn)中心添加驅(qū)動(dòng)；曲線槽滑板、曲臂上滑板、曲臂下滑板、撥彈滑板、壓彈控制滑板、滾筒控制桿都添加直線運(yùn)動(dòng)副；撥彈爪與撥彈滑板之間添加旋轉(zhuǎn)副、扭簧和接觸，壓彈杠桿和杠桿中心轉(zhuǎn)軸間添加旋轉(zhuǎn)副和扭簧，其余部件間根據(jù)需要添加接觸。

2.2.2柔性體的建立和導(dǎo)入

為了使彈鏈完成脫彈，必須對(duì)彈鏈進(jìn)行柔性化。因?yàn)閺楁湹慕Y(jié)構(gòu)不規(guī)則，為了得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格，提高計(jì)算精度，對(duì)彈鏈模型進(jìn)行了一些修改，在不影響結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)力學(xué)特性的原則下，對(duì)于結(jié)構(gòu)模型中的一些非關(guān)重倒角、倒圓、孔隙等將可能增大網(wǎng)格劃分難度的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行刪除和修改，利用ANSYS軟件進(jìn)行精確的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為solid185。圖5為網(wǎng)格劃分后的彈鏈模型。

設(shè)置單元類型、材料屬性等參數(shù)后，開始建立剛性區(qū)域。根據(jù)彈鏈的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在其上端板的上下表面以及垂直于上下端面的兩個(gè)連接部分分別建立一個(gè)剛性區(qū)域，分別選擇兩個(gè)平面上的所有節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，選擇兩平面的中心點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，建立兩個(gè)剛性區(qū)域，將主節(jié)點(diǎn)選擇為輸出的maker點(diǎn)，輸出.mnf文件，并通過ADAMS/Flex導(dǎo)入ADAMS/View中，即可進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真[9]。

2.2.3脫彈力仿真結(jié)果分析

設(shè)置轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速360(°)/s，仿真時(shí)間為2 s,仿真步數(shù)為8 000步，使用ADAMS/PostProcessor觀察仿真結(jié)果，彈鏈的運(yùn)動(dòng)和受力情況如圖6所示。

圖6為模型彈脫鏈過程中壓彈齒的受力情況，壓彈齒的受力可以直接反映彈體脫鏈時(shí)的難易程度。仿真進(jìn)行兩個(gè)周期，第1個(gè)周期(0 s

3　實(shí)際脫彈力測(cè)試分析

為了測(cè)試自動(dòng)機(jī)供輸彈過程中脫彈力的實(shí)際變化規(guī)律，試驗(yàn)開始前給試驗(yàn)樣機(jī)裝入5發(fā)模擬彈，定義轉(zhuǎn)速為60 r/min，點(diǎn)擊開始進(jìn)行測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果中提取5個(gè)周期的拉壓力變化曲線，如圖7所示，為系統(tǒng)采集到的脫彈力實(shí)時(shí)曲線。曲線圖中縱坐標(biāo)代表力值，橫坐標(biāo)3 000個(gè)單位代表1 s。

從圖7中可以看出，脫彈力的變化規(guī)律也基本相同，提取5個(gè)周期的最大力值，如表1所示，脫彈力的平均值約為-111.6 N，負(fù)號(hào)代表受力方向。根據(jù)脫彈力的理論計(jì)算可知，在考慮摩擦的情況下，理論脫彈力為-99.88 N，對(duì)比測(cè)試所得的脫彈力結(jié)果，可知測(cè)試結(jié)果是比較接近實(shí)際的。

表1　脫彈力極值匯總表

對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，理論計(jì)算的脫彈力結(jié)果與實(shí)際測(cè)試的脫彈力值更加接近，兩者吻合較好[4]，仿真分析得出的脫彈力與理論計(jì)算有一定誤差，但誤差在可接受范圍內(nèi)。

4　結(jié)束語

筆者通過理論計(jì)算對(duì)某開式彈鏈的脫彈力進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)彈鏈脫彈過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，從結(jié)果中提取了仿真計(jì)算的脫彈力，通過試驗(yàn)測(cè)試得出了彈鏈的真實(shí)脫彈力。將3種方法得到的脫彈力進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算的脫彈力值比較接近實(shí)際值，證明在理論計(jì)算的假設(shè)條件下進(jìn)行脫彈力計(jì)算是符合實(shí)際情況的。該計(jì)算分析方法，可以作為一種研究的手段，應(yīng)用到其他同類型的開式彈鏈的脫彈力分析計(jì)算中，為開式彈鏈的研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)，具有一定的參考價(jià)值。

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