張夢飛，楊 臻，劉萬川，孔暢暢，吳朝峰

(1.中北大學(xué)機電工程學(xué)院，山西 太原 030051) (2.重慶長安工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，重慶 401120)

外能源轉(zhuǎn)膛武器利用電機驅(qū)動轉(zhuǎn)膛體回轉(zhuǎn)來完成自動循環(huán)動作，其中間歇機構(gòu)是轉(zhuǎn)膛體能否可靠實現(xiàn)間歇運動的關(guān)鍵機構(gòu)[1-2]。

目前，對間歇機構(gòu)進行研究的文獻已有很多。文獻[3]提出了用UG NX對凸輪輪廓曲線進行參數(shù)化設(shè)計的方法，并進行了曲線連續(xù)性分析；文獻[4]針對棘輪間歇機構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，提高了設(shè)計效率；文獻[5]針對不完全齒輪機構(gòu)，提出了一種非對稱結(jié)構(gòu)形式的不完全齒輪機構(gòu)的設(shè)計方法；文獻[6]針對具有附加約束條件的凸輪機構(gòu)，提出一種多項式運動規(guī)律的分段設(shè)計方法；文獻[7]針對凸輪輪廓設(shè)計不合理引起的振動，基于最大豐滿系數(shù)理論對排咪機中凸輪打點機構(gòu)的凸輪輪廓曲線進行了優(yōu)化設(shè)計；文獻[8]分析了各種因素對平行分度凸輪機構(gòu)動態(tài)性能的影響；文獻[9]以UG為開發(fā)平臺，開發(fā)了平行分度凸輪機構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)，并通過實例驗證了該系統(tǒng)可以大大提高設(shè)計效率；文獻[10]建立了平行分度凸輪的數(shù)學(xué)模型,提出了一種凸輪輪廓線的計算方法。研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的間歇機構(gòu)相比，平行分度凸輪機構(gòu)具備分度精度高、動力學(xué)特性及力學(xué)性能好、振動與噪聲小、承受載荷能力高、可滿足各種外能自動機構(gòu)運動的要求等優(yōu)點[11-12]，結(jié)合某轉(zhuǎn)膛武器的特點及其在后期試驗中發(fā)現(xiàn)的槽輪機構(gòu)在高速轉(zhuǎn)動時無法可靠地驅(qū)動轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動的問題，本文決定以平行分度凸輪機構(gòu)代替槽輪機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)膛體。

1 運動規(guī)律選擇

由于某轉(zhuǎn)膛武器最初的主要目的是進行整個系統(tǒng)的原理性驗證，為便于加工，間歇機構(gòu)選擇了較為簡單的槽輪機構(gòu)作為轉(zhuǎn)膛體的驅(qū)動裝置，槽輪間歇機構(gòu)如圖1所示。在早期的驗證階段，由于對射速要求較低，所以此驅(qū)動方式?jīng)]有明顯缺陷。

圖1 某轉(zhuǎn)膛武器槽輪間歇機構(gòu)

眾所周知，槽輪機構(gòu)在低速情況下才具有較好的力學(xué)性能，速度較高的情況下停止與啟動時均存在較大的撞擊力，且定位不精準(zhǔn)[13]。考慮到某轉(zhuǎn)膛武器設(shè)計的高射速要求，槽輪機構(gòu)顯然不能滿足設(shè)計需求，本文考慮采用平行分度凸輪代替槽輪機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動。

在進行平行分度凸輪運動規(guī)律選取時，應(yīng)確保凸輪在整個運動過程中速度與加速度不發(fā)生突變[14]，呈現(xiàn)連續(xù)變化狀態(tài)，且使平行分度凸輪從動轉(zhuǎn)盤在運動起始與結(jié)束時的速度與加速度為零，同時盡量選取最大速度、最大加速度與躍度值盡可能小的運動規(guī)律[15]。本文擬采用角速度((°)/s)與接觸力(kN)兩種特征值表征某轉(zhuǎn)膛武器在間歇機構(gòu)改進前后的變化。

表1為常見運動規(guī)律的特性值及其使用場合，其中Vmax,Amax,Jmax,(AV)max分別為凸輪從動件的最大速度、最大加速度、最大躍度、加速度與速度乘積的最大值。結(jié)合該轉(zhuǎn)膛武器自動機具有的高速、重載等特點，初步選擇改進正弦加速度運動規(guī)律作為平行分度凸輪機構(gòu)運動曲線。

表1 常見運動規(guī)律的特性值及其適用場合

在分析分度凸輪機構(gòu)運動時常采用無量綱參數(shù)來表達，改進正弦加速度曲線的表達式如下：

(1)

式中：T，S，V，A，J分別為無量綱時間、無量綱位移、無量綱速度、無量綱加速度、無量綱躍度；t為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的時間；tf為轉(zhuǎn)盤分度期時間；θ為凸輪的轉(zhuǎn)角；θf為凸輪分度期轉(zhuǎn)角；φi為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角；φf為轉(zhuǎn)盤分度期轉(zhuǎn)角。

改進正弦加速度運動規(guī)律計算公式如下。

1)起始行程時周期較短的正弦加速度段：

(2)

2)中間行程時周期較長的正弦加速度段：

(3)

3)末尾行程時周期較短的正弦加速度段：

(4)

對公式(2)～(4)利用數(shù)值計算軟件MATLAB進行編程，得到無量綱化的位移、速度、加速度、躍度與無量綱時間的曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，無量綱速度、加速度及躍度時間曲線均未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，整個過程沒有產(chǎn)生剛性和柔性沖擊，表明改進正弦加速度運動規(guī)律可適用于高速驅(qū)動的情況，對整個系統(tǒng)的平穩(wěn)性起到極大的改善作用。

圖2 運動規(guī)律曲線

2 平行分度凸輪設(shè)計結(jié)果

2.1 分度凸輪循環(huán)圖確立

在進行平行分度凸輪的設(shè)計前，先給定分度凸輪的工作循環(huán)圖，如圖3所示。由圖可知，整個自動過程中分度凸輪驅(qū)動轉(zhuǎn)膛體僅轉(zhuǎn)動90°，其他時間分度凸輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)膛體靜止。

圖3 平行分度凸輪循環(huán)圖

2.2 參數(shù)確立

該轉(zhuǎn)膛武器有4個彈膛，因此平行分度凸輪需要4個分度，即轉(zhuǎn)盤分度數(shù)為4，同時考慮到平行分度凸輪間歇機構(gòu)需要給自動機推彈、閉鎖、開鎖等動作留出時間，所以分度期轉(zhuǎn)角不應(yīng)過大(取θp=π/2)，最終的設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 平行分度凸輪的設(shè)計參數(shù)

2.3 三維模型建立

利用數(shù)值軟件MATLAB進行編程[16]計算，得到的理論輪廓線與實際輪廓線如圖4所示。

圖4 凸輪理論輪廓線與實際輪廓線

將平行分度凸輪實際輪廓線、理論輪廓線曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)出，考慮篇幅，不具體列舉輪廓線計算結(jié)果。將輪廓線數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件UG中進行樣條擬合，并對擬合的相交曲線進行裁剪得到完整的平行分度凸輪輪廓線，使用UG中的拉伸命令將其拉伸得到平行分度凸輪機構(gòu)的驅(qū)動凸輪，轉(zhuǎn)盤幾何尺寸參照表2進行繪制，驅(qū)動凸輪與轉(zhuǎn)盤裝配關(guān)系如圖5所示。

圖5 平行分度凸輪機構(gòu)

3 兩種驅(qū)動方式仿真對比

采用ADAMS動力學(xué)仿真軟件對槽輪與平行分度凸輪兩種不同驅(qū)動方式的間歇機構(gòu)進行動力學(xué)仿真分析，去除其他不相關(guān)的部件，將簡化后的驅(qū)動過程部件導(dǎo)入ADAMS進行約束添加，如圖6所示。

圖6 兩種驅(qū)動方式仿真對比

考慮到該轉(zhuǎn)膛武器射速為1 000發(fā)/min(即17發(fā)/s)，所以設(shè)置驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速為34π rad/s，仿真兩個周期，設(shè)置時長為0.07 s，仿真步數(shù)為7 000步，得到兩種驅(qū)動方式下轉(zhuǎn)膛體的角速度與接觸力對比變化曲線如圖7～圖9所示。

圖7 轉(zhuǎn)膛體角速度曲線

從圖7可以看出，槽輪驅(qū)動轉(zhuǎn)膛體過程中，轉(zhuǎn)膛體的角速度波動較多，這是由于在驅(qū)動過程中出現(xiàn)了較多的碰撞，整個過程十分不平穩(wěn)；而平行分度凸輪驅(qū)動時，轉(zhuǎn)膛體角速度的變化從零開始，其形成的速度曲線與圖2中無量綱速度曲線運動規(guī)律變化基本一致?？梢?，平行分度凸輪驅(qū)動相比槽輪驅(qū)動能較大程度減少整個驅(qū)動過程中出現(xiàn)的角速度波動情況。

圖8 槽輪驅(qū)動時轉(zhuǎn)膛體所受接觸力

圖9 平行分度凸輪驅(qū)動時轉(zhuǎn)膛體所受接觸力

由圖8與圖9可以看出，槽輪驅(qū)動轉(zhuǎn)膛體時的接觸力遠遠大于平行分度凸輪，中間出現(xiàn)的小波動為剛體接觸的正常結(jié)果，從側(cè)面也說明平行分度凸輪驅(qū)動具有更好的力學(xué)性能，驅(qū)動過程更加平穩(wěn)。

4 結(jié)論

對某轉(zhuǎn)膛式武器的間歇機構(gòu)進行改進，將原方案中只適用于低速驅(qū)動的槽輪機構(gòu)改為能在高速狀態(tài)下可靠運行的平行分度凸輪，并對兩種機構(gòu)進行動力學(xué)仿真對比，對于平行分度凸輪的繪制及外能源轉(zhuǎn)膛式武器間歇機構(gòu)的選擇具有一定參考意義。仿真結(jié)果表明：

1)平行分度凸輪驅(qū)動時轉(zhuǎn)膛體的角速度大小約為槽輪機構(gòu)驅(qū)動時的60%，且角速度的變化較為平穩(wěn)，說明平行分度凸輪驅(qū)動產(chǎn)生的碰撞少于槽輪驅(qū)動。

2)平行分度凸輪驅(qū)動轉(zhuǎn)膛體時產(chǎn)生的接觸力遠小于槽輪驅(qū)動，約為槽輪驅(qū)動時的5%，表明平行分度凸輪驅(qū)動過程更加平穩(wěn)。