張勃寅 馬 俊

（1.陜西華通機電制造有限公司,陜西 西安 710062；2.陜西普利美材料科技有限公司,陜西 西安 710065)

傳統(tǒng)的彈丸發(fā)射系統(tǒng)多采用火藥作為彈丸的發(fā)射動能[2]，但是在某些特殊環(huán)境和空間要求下，則需要采用壓縮氣體代替?zhèn)鹘y(tǒng)火藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體來完成對彈丸的發(fā)射[3]。另外，現(xiàn)有利用壓縮輕質(zhì)氣體驅(qū)動彈丸發(fā)射的裝置中，由于需要確保彈丸在發(fā)射過程中處于相對密閉的空間，多用于實驗室內(nèi)的高速彈丸運動的毀傷效應(yīng)試驗研究[4]。

根據(jù)某些特殊環(huán)境和空間要求，本文設(shè)計了一款新型動能發(fā)射裝置，如圖1所示。該裝置采用輕質(zhì)壓縮氣體瞬間釋放來產(chǎn)生高壓氣源，來實現(xiàn)彈丸的動能發(fā)射。結(jié)合新型彈丸的要求，該款動能發(fā)射裝置設(shè)計了新型的供輸彈機構(gòu)[5]。為了研究該新型供輸彈機構(gòu)的動力學(xué)特性，本文利用Inventor軟件對其進(jìn)行了三維建模，采用Adams動力學(xué)仿真軟件對供輸彈機構(gòu)的關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析[6]，并得到影響彈丸輸送性能的因素，進(jìn)而對其動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖1 新型動能發(fā)射裝置

1 供輸彈機構(gòu)工作原理

為了滿足裝彈數(shù)量、供彈速度以及結(jié)構(gòu)輕量化的要求，該新型供輸彈機構(gòu)的左、右雙彈鼓水平對稱地安裝于供彈段兩側(cè)，左、右彈鼓通過供彈球體交替切換供彈。單個彈鼓中彈丸為單圈排列，可滿足一定的有效載彈量要求。供輸彈機構(gòu)的三維模型如圖2所示。

圖2 供輸彈機構(gòu)三維模型

供輸彈機構(gòu)的工作過程如下：首先，在棘輪機構(gòu)控制下渦卷彈簧將勢能傳遞給推彈桿，從而使推彈桿做手表指針式運動，并將彈丸依次推至彈鼓出彈口；其次，在電機驅(qū)動下，供彈段內(nèi)的供彈球體旋轉(zhuǎn)90°，供彈球體入彈口與彈鼓出彈口對接，在推彈桿的作用下，彈丸被推入供彈球體；最后，供彈球體回轉(zhuǎn)90°，完成供彈動作。

2 初始條件設(shè)計

為了保證模型在仿真分析時的精度和效率，考慮到供輸彈機構(gòu)的復(fù)雜性，將渦卷彈簧作用力簡化為作用到推彈桿中心的恒定轉(zhuǎn)矩，提取彈鼓蝸殼的內(nèi)表面，將其簡化為殼單元模型，去掉供彈球體的外殼、軸承以及棘輪等與分析無關(guān)的零件，如圖3所示。

圖3 供輸彈機構(gòu)三維簡化模型

另外，彈鼓蝸殼、供彈球體、推彈桿為鋁合金材料，彈丸為聚碳酸酯材料，其力學(xué)屬性如表1所示。各零件接觸部位的摩擦系數(shù)如表2所示。

表1 簡化模型材料及力學(xué)屬性

表2 各運動件的摩擦系數(shù)

根據(jù)供輸彈需求以及機構(gòu)尺寸，彈丸質(zhì)量為18 g，其排列分布半徑為100 mm，渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩為2 N·m，供彈球體轉(zhuǎn)動速度為45°/s（即0.125 r/s），通過改變旋轉(zhuǎn)的啟動加速度和停止減速度，對彈丸的供彈、輸彈過程的速度、加速度等動力學(xué)特性進(jìn)行分析與優(yōu)化。

3 不同條件下的仿真結(jié)果及分析優(yōu)化

在機械動力學(xué)仿真軟件Adams中對轉(zhuǎn)動機構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)化時，必須確定模型參數(shù)化的方式以及變量。在Adams軟件中包含4種控制方式，本文選用設(shè)計變量的方法對整個機構(gòu)的變量進(jìn)行參數(shù)化[7]。

由于該供輸彈機構(gòu)是由外部聯(lián)結(jié)的直流電機提供驅(qū)動源，由直流電機來控制供彈球體的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，同時渦卷彈簧的輸出力矩是在彈丸安裝時進(jìn)行調(diào)整，彈丸彈出供彈球體的速度由整個發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射作用力所決定。因此，將供彈球體啟動和停止的加速度、渦卷彈簧輸出轉(zhuǎn)矩、彈丸彈出供彈球體的速度等參數(shù)設(shè)為參數(shù)變量，并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的驅(qū)動函數(shù)，對整個運動機構(gòu)進(jìn)行仿真計算分析。

3.1 條件一：供彈球體以1800°/S2的加速度啟動和停止

3.1.1 條件一的參數(shù)設(shè)計

當(dāng)供彈球體以加速度為1800°/S2（即5r/S2）進(jìn)行啟動和停止時，為了保證90°的旋轉(zhuǎn)角度和45°/s的最大轉(zhuǎn)速，設(shè)計了供彈球體轉(zhuǎn)速隨時間變化的規(guī)律，如圖4所示。

圖4 供彈球體轉(zhuǎn)速隨時間變化的規(guī)律

按照Adams軟件操作規(guī)范，結(jié)合供彈球體轉(zhuǎn)速隨時間變化的規(guī)律曲線，為渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩、供彈球體轉(zhuǎn)速和彈丸彈出供彈球體速度等參數(shù)設(shè)置了隨時間變化的驅(qū)動函數(shù)。

渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩：STEP(time,0,0,0.05,2000)；

供彈球體轉(zhuǎn)速：STEP (time,0,0d,0.05,0d)+STEP (time,0.1,0d,0.125,-45d)+STEP (time,2.1,-45d,2.125,0d) +STEP (time,2.3,0d,2.325,45d)+STEP (time,4.3,45d,4.325,0d)+STEP (time,4.5,0d,4.525,-45d)+STEP (time,6.5,-45d,6.525,0d)+STEP (time,6.7,0d,6.725,45d)+STEP (time,8.7,45d,8.725,0d)；

彈丸彈出供彈球體速度：STEP(time,4.325,0,4.4,-10)，STEP(time,8.725,0,8.8,-10)。

3.1.2 條件一的仿真分析結(jié)果

（1）供彈球體轉(zhuǎn)動規(guī)律如圖5所示。0 s～0.1 s位于0°位置，供彈球體保持靜止?fàn)顟B(tài)；0.1 s～0.125 s，供彈球體以1800°/S2的加速度順時針加速至45°/s；0.125 s～2.1 s，供彈球體以45°/s的速度順時針旋轉(zhuǎn)；2.1 s～2.125 s，供彈球體以1800°/S2的加速度減速至0°/s，此時供彈球體已經(jīng)順時針轉(zhuǎn)過90°，旋轉(zhuǎn)到取彈狀態(tài)；2.125 s～2.3 s，供彈球體保持取彈狀態(tài)，等待彈丸進(jìn)入供彈球體；2.3 s～2.325 s，供彈球體以1800°/S2的加速度逆時針加速至45°/s；2.325 s～4.3 s，供彈球體以45°/s的速度逆時針旋轉(zhuǎn)；4.3 s～4.325 s，供彈球體以1800°/S2的加速度減速至0°/s，此過程供彈球體逆時針轉(zhuǎn)過90°，第一發(fā)彈丸在發(fā)射力作用下從發(fā)射身管中射出。第二發(fā)彈丸以此往復(fù)。

圖5 供彈球體角速度變化規(guī)律

（2）彈丸1的加速度變化曲線如圖6所示。在初期，彈丸在推彈桿的轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生加速度，推動彈丸依次進(jìn)入彈鼓出彈口和供彈球體，而后在發(fā)射力作用下加速射出。

圖6 彈丸1加速度變化規(guī)律

（3）彈丸2的加速度變化曲線如圖7所示。推彈桿的轉(zhuǎn)矩通過彈丸2作用在彈丸1上，使彈丸產(chǎn)生加速度，而當(dāng)彈丸1在2.3 s左右將要進(jìn)入供彈球體的時候，彈丸2的加速度會產(chǎn)生突變，待彈丸1完全進(jìn)入供彈球體后，加速度又恢復(fù)至很小，直到6.5 s左右，彈丸2進(jìn)入供彈球體，待供彈球體逆時針轉(zhuǎn)過90°后，在發(fā)射力作用下彈丸2加速發(fā)射。

圖7 彈丸2加速度變化規(guī)律

（4）供輸彈過程中，彈丸1、彈丸2的速度變化曲線如圖8所示。在推彈桿的作用下，0 s～1.7 s，彈丸一起運動進(jìn)入出彈口，并壓緊供彈球體，等待供彈；2.1 s～2.2 s，彈丸一起運動，進(jìn)入供彈球體，等待輸彈；4.3 s后，彈丸1倍加速射出；彈丸2進(jìn)入第二個供輸彈循環(huán)，與彈丸1相同。

圖8 彈丸1、彈丸2的速度變化規(guī)律

（5）供彈球體的角加速度如圖9所示。在0.1 s～0.125 s，供彈球體由靜止到被賦予順時針加速度，所以加速度發(fā)生了突變；0.125 s～2.1 s，供彈球體順時針勻速轉(zhuǎn)動，加速度為零；2.1 s～2.125 s，供彈球體由勻速運動到被賦予順時針減速的加速度，供彈球體加速度發(fā)生突變；此時，供彈球體已經(jīng)順時針轉(zhuǎn)過90°，進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，等待彈丸進(jìn)入；2.3 s～2.325 s，供彈球體由靜止?fàn)顟B(tài)被賦予逆時針加速度，供彈球體加速度產(chǎn)生突變；2.325 s～4.3 s，供彈球體逆時針勻速轉(zhuǎn)動，加速度為零；4.3 s～4.325 s，供彈球體被賦予逆時針減速的加速度，供彈球體的加速度再次發(fā)生突變，至此，彈丸1被發(fā)射出去；4.5 s～8.725 s是彈丸2被發(fā)射出去的過程，與彈丸1相同。

圖9 供彈球體角加速度變化規(guī)律

（6）供彈球體所受到的轉(zhuǎn)矩如圖10所示。在供輸彈過程中，由于彈丸的摩擦和碰撞，供彈球體所受到的轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)波動。在供彈球體的轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)矩峰值出現(xiàn)在供彈球體轉(zhuǎn)至進(jìn)彈口和彈丸接觸時，是由彈丸與供彈球體發(fā)生碰撞造成的，但是最大轉(zhuǎn)矩不足80 N·mm，滿足1 N·m以內(nèi)的設(shè)計要求。

圖10 供彈球體轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律

3.2 條件二：供彈球體以900°/S2的加速度啟動和停止、渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩輸出降低6%

考慮到供彈球體啟動加速度過高的穩(wěn)定性，以及渦卷彈簧輸出轉(zhuǎn)矩隨彈丸供彈運動逐漸衰減，將供彈球體加速度大小設(shè)置為900°/S2（即2.5r/s2），并且將彈丸供彈過程中渦卷彈簧的輸出轉(zhuǎn)矩從2 N·m降低6%，對供彈運動進(jìn)行重新仿真分析。

3.2.1 條件二的參數(shù)設(shè)計

與條件一類似，為渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩、供彈球體轉(zhuǎn)速和彈丸彈出供彈球體速度等參數(shù)設(shè)置了隨時間變化的驅(qū)動函數(shù)。

渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩：STEP(time,0,0,0.05,2000)+STEP(ti me,0.1,2000,8.825,1880)；

供彈球體轉(zhuǎn)速：STEP(time,0,0d,0.05,0d)+STEP(time,0.1,0d,0.15,-45d)+STEP(time,2.1,-45d,2.15,0d)+STEP(time,2.325,0d,2.375,45d)+STEP(time,4.325,45d,4.375,0d)+STEP(time,4.55,0d,4.6,-45d)+STEP(time,6.55,-45d,6.6,0d)+STEP(time,6.775,0d,6.825,45d)+STEP(time,8.775,45d,8.825,0d)；

彈丸彈出供彈球體速度：STEP(time,4.375,0,4.45,-10)，STEP(time,8.825,0,8.9,-10)。

3.2.2 條件二的仿真分析結(jié)果

（1）彈丸1的加速度變化規(guī)律如圖11所示。彈丸在進(jìn)入供彈球體之前的加速度很小，當(dāng)供彈球體旋轉(zhuǎn)90°，在推彈桿轉(zhuǎn)矩的推動作用下，彈丸1進(jìn)入供彈球體時加速度出現(xiàn)突變。

圖11 彈丸1的加速度變化規(guī)律

（2）彈丸2的加速度變化規(guī)律如圖12所示。彈丸2的加速度波動比彈丸1明顯增大，但是加速度峰值小于彈丸1；另外，與渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩變化不同，彈丸2的加速度沒有減小的情形，加速度峰值變化不大，且變化規(guī)律也相似。

圖12 彈丸2的加速度變化規(guī)律

（3）供彈球體的角加速度變化曲線如圖13所示。由于渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩逐漸減小，彈丸和供彈球體之間的作用力也會減小，從而使得供彈球體的加速度大于條件一相應(yīng)位置的加速度。

圖13 供彈球體的角速度變化規(guī)律

（4）供彈球體轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律如圖14所示。與條件一情況類似，由于彈丸的摩擦和碰撞，供彈球體所受到的轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)波動，最大轉(zhuǎn)矩180 N·mm比條件一的最大轉(zhuǎn)矩要大，但滿足1 N·m以內(nèi)的設(shè)計要求。

圖14 供彈球體轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律

4 結(jié)語

在條件一和條件二下，供彈球體的角加速度輸入?yún)?shù)不同，仿真結(jié)果顯示彈丸1和彈丸2的加速度以及供彈球體的角加速度變化規(guī)律也不同。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)供彈球體的角加速度由1800°/S2變?yōu)?00°/S2時，彈丸在進(jìn)入供彈球體過程中加速度的變化更加趨于平緩；另外，從仿真結(jié)果也可以看出，這一改變也使得供彈球體的角加速度的最大值有明顯的下降，但是供彈球體所受轉(zhuǎn)矩的最大值變化不明顯。同時，當(dāng)渦卷彈簧轉(zhuǎn)矩減小，彈丸和供彈球體之間的作用力減小，從而供彈球體受到的阻力轉(zhuǎn)矩減小，所以供彈球體的轉(zhuǎn)矩會增加，但是變化趨勢基本不變。

供輸彈機構(gòu)是某新型發(fā)射裝置的關(guān)重部件，其設(shè)計和制造的質(zhì)量，將直接影響整個裝置功能的實現(xiàn)。通過利用Adams參數(shù)優(yōu)化設(shè)計功能對供輸彈機構(gòu)進(jìn)行仿真分析，不僅避免了復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的建立和推導(dǎo)，還能準(zhǔn)確得到供輸彈過程的運動規(guī)律，結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用時對電機、渦卷彈簧等驅(qū)動部件的輸出能力，通過不同條件和參數(shù)的對比分析，得到優(yōu)化的參數(shù)組合，縮短研制周期，對優(yōu)化改進(jìn)其他機構(gòu)具有一定的參考意義。