转管武器自动机运动特性仿真分析❋

黄 坤,杨 臻,李 强,李 莎

(1.中北大学 机电工程学院,山西 太原 030051;2.中国兵器工业第202研究所,陕西咸阳 712099)

转管武器射速高、结构复杂、自动机工作速度快且受力变化频繁,采用经典力学方法对它进行研究,很有局限性.多刚体系统动力学作为一种新的研究方法被引入到转管武器动力学研究中[1],本文利用多刚体系统动力学分析软件 ADAMS建立了转管武器虚拟样机模型,再现了自动机运动状态,通过仿真比较全面、真实、形象地揭示了该武器自动机工作特性.

1 转管武器结构原理

6根枪管通过枪管箍在圆周上均匀排列并固定于节套上,节套与机心匣相对固定,每根枪管对应一套机心,机心安装在机心匣上的槽内,可沿着机心匣槽作平动,机心通过滚轮与机箱上曲线槽联系,滚轮能沿着槽作凸轮曲线槽运动[2].节套通过轴承与机箱连接.电机固定在机箱上,当电机齿轮驱动节套转动时,带动机心匣一起转动,由于曲线槽的作用,迫使机心在机心匣槽内作往复运动的同时还绕机心匣轴线高速旋转,最终在其它机构共同作用下,在预定的位置上依次完成各种自动动作,实现武器正常工作.转管武器工作原理如图 1所示,曲线槽展开图如图 2所示.

图1 转管武器原理图Fig.1 Construction of the gatling weapon

图2 曲线槽展开图Fig.2 The transition curve of Cam

2 建立虚拟样机模型

转管武器结构复杂、零件多,按照图 3建模顺序建立虚拟样机模型,得到的模型如图 4所示,并对模型作以下假设和定义：

1)不考虑零部件加工和装配误差,依照样机图纸,用三维建模软件建立样机物理模型[3];

2)假设各零部件都是刚体,根据物理样机中各部件的材料定义模型中各零部件的材料属性(击针簧除外);

3)添加约束关系.依据物理样机工作时各机构的相对运动关系添加约束,武器固定在架座上;

4)弹丸质量远小于机心质量,抽壳阶段不考虑弹丸质量的影响[4];

5)为了减小仿真时间,仿真时除位于抛壳位置的弹壳,其余均为实弹;

6)不考虑火药气体作用力.

图4 定义后的自动机模型Fig.4 Defined automatic mechanism model

3 仿真分析

3.1 仿真条件

转管武器的启动时间一般约为 0.4～0.5 s,这段时间相对武器高射速来说较长,在实际射击中,当武器达到稳定射速时,已经射击出 2～ 3发弹了.因为本文主要分析武器达到稳定射速下的自动机动力学特性,为了兼顾仿真结果的真实性和使计算时间缩短,可以通过 ADAMS中的STEP函数来控制启动阶段的仿真时间[5],让机心匣在很短的时间内达到稳定射速.

当射速为 N发 /min,武器的管数为 6时,机心匣对应的角速度为[6]

即武器射速与机心匣转速在数值上是相等的.

本文的仿真条件是在射速为 3000发 /min,设在 0.1 s时达到稳定射速,在机心匣相对机箱的旋转副上添加 Rotation Joint Motion,驱动函数方程设置为 STEP(time,0,0,0.1,3000).驱动函数曲线如图 5所示.开闭锁位置如图 6所示.

图5 机心匣转速-时间曲线Fig.5 Ang ular velocity-time curve of ro tor

图6 开闭锁位置图Fig.6 Lock and unlock position

3.2 开闭锁力改进分析

1)闭锁动作分析.对 ADAMS建立的模型进行分析,结合仿真动画和图 7可知,闭锁机在闭锁回转的过程中,闭锁机与闭锁块有两次撞击(图 7中 1和 2),且两次撞击力都很大.撞击动作如下：第1次撞击是闭锁机上的闭锁突起与闭锁块碰撞[6],此时撞击为面接触,撞击后闭锁机先加速回转(即绕自身轴线自转),在摩擦力作用下回转速度又很快降低[7];而机心绕机心匣的公转速度很高,在快闭锁完全时,有闭锁块棱角与闭锁突起发生第2次碰撞,因此作用力很大,远大于设计要求,仿真动画表现为二者之间发生侵入.按照设计要求,闭锁过程中只有一个撞击即能完成闭锁动作,且力不大于 400 N.

2)开锁动作分析.从图 7中可以看出,开锁过程也有两次撞击(图 7中 3和 4),但碰撞动作过程与闭锁有所不同.从动画可以看到,出现撞击力 3时,开锁块与闭锁机上的开锁槽轴向的面发生干涉;出现撞击力 4时,自动机滚轮侵入了凸轮曲线槽.

经过分析确定开锁力异常的原因是机心开锁太迟,滚轮进入过渡段才开锁.因此,需要重新设计开锁块的位置.分析结果与实际样机调试中出现的闭锁机开锁槽发生撞击溃烂和滚轮发生变形相吻合.

图7 改进前开闭锁力Fig.7 Unimprov ed lock and unlock force

图8 改进后开闭锁力Fig.8 Improv ed lock and unlock fo rce

3.3 自动机运动特性分析

由转管武器知识可知,在稳定射速下,各机心的受力和运动状态都是呈周期性变化的,并且每两个相邻的机心的动作顺序只有 60°的相位差[10],因此只需分析一个机心和一个射击循环的运动即可.图 9和图 10是改进后的机心相关参数特征曲线.

对比图 9和图 2,机心沿枪管方向的位移-时间曲线与凸轮曲线槽的形状和变化趋势完全一致,说明机心的运动轨迹是满足设计要求的[11].

为了便于叙述,将图 10中各曲线段进行编号,各段与图 2动作的对应关系如下：1和 10分别对应曲线槽后直线段 a和b;2,4,7和 9分别对应过渡曲线段 a,b,c和 d;3对应复进进弹方向的斜直线段;8对应后坐抽壳阶段的斜直线段;5和6对应前直线段(闭锁、击发和开锁)[12].

图9 机心在 x方向的位移-时间曲线Fig.9 Displacement-time curve of bolt in x direction

图10 机心在 x方向的速度-时间、加速度-时间曲线Fig.10 Velocity and acceleration-time curv e of bolt in x direction

从图 10中可以看出,机心沿枪管方向的速度变化没有大的波动,机心运动速度比较平稳,最大速度为 2.1 m/s,与样机在 3000发 /min射速下实际最大速度 2.0348 m/s很相近;曲线 3段速度波动的原因是：机心推弹进膛时,弹与炮膛发生撞击反作用于机心;5段速度波动是由于击针解脱,击针与闭锁机内壁撞击产生;8段速度波动是抛壳阶段,弹与机心碰撞的缘故;2,4,7和 9段是速度过渡比较平滑,说明过度曲线起到引导速度变化的作用.从这 4段对应的加速度曲线来看,加速度存在波动,其轮廓形状变化近似正弦曲线,与设计要求的比较一致,这从另一方面证明了凸轮曲线槽建模与设计要求相吻合;5和 6段处于前直线段阶段,5段发生加速度波动,是因为此段处于压缩击针簧阶段,由于击针簧力大,滚轮与凸轮曲线槽的装配间隙和机心与滚轮有装配间隙等造成机心加速度发生小的波动,其中大的峰值发生在击针簧解脱时,是击针撞击闭锁机所致;6段处于内弹道时期,保证弹丸出膛时期和开锁时机心始终与节套紧密配合,所以没有速度和加速度波动.

3.4 仿真与实验对比

将由改进得到的虚拟样机仿真结果与设计指标进行了对比,如表 1所示.由表 1可知,仿真结果与设计数据具有很好的一致性.

表1 仿真结果与设计要求对比Tab.1 Comparision of simulation results with designed target

4 结 论

1)揭示了在试验中闭锁突起磨损严重和开锁槽击烂的原因是开闭锁力远大于设计要求,闭锁机、闭锁块和开锁块在结构尺寸上存在问题,文中已给出修改方案.

2)改进后,避免了在开闭锁时的“二次撞击”,且大幅降低了开闭锁力,闭锁力为 324 N,开锁力为 750 N,在设计的允许范围之内.

3)改进后有效地避免了速度和加速度的频繁过大的波动,自动机运动更加平稳,有利于提高零部件寿命.

4)仿真结果与设计要求符合性较好.

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