液体气压式输弹机故障仿真研究＊

张绪明 侯 健 可学为 张丁雄

（1．海军工程大学兵器工程系 武汉 430033）（2．海军装备技术研究所 北京 102442）

1 引言

输弹机构的作用，是把处于输弹起始位置的炮弹，沿输弹线可靠地推入炮膛。气体液压式输弹机构是中口径高射炮和舰炮装填自动化中不可缺少的机构之一，其性能的优劣直接影响火炮自动机理论射速的高低和可靠性的好坏［1］。

在武器装备的研制生产过程中，虚拟样机技术起着越来越重要的作用［2］。本文以虚拟样机技术为技术手段，建立了气体液压式输弹机的故障仿真模型，通过对输弹机进行故障仿真研究，探讨了故障因素对输弹机性能的影响规律。

2 输弹机构的动力学模型

2．1 输弹机构工作过程

该输弹机靠后坐储能，后坐时，炮尾通过带动储能筒活塞杆后移，压缩气体储能，后坐一定距离后输弹机越过卡锁机构，炮尾与储能机构脱开，炮尾继续后坐，而输弹机则停留在待发状态；需要输弹时，联锁机构将输弹拐伸出，解脱输弹卡锁后，储能筒中的气体膨胀，通过液体推动输弹拐向前运动，把弹药推送入膛。输弹拐输弹到位后，由闩体推动向上运动，从而缩回输弹拐本体。

2．2 输弹机力学模型

图1 输弹机储能筒结构简图

图1是输弹机储能筒的结构简图。其主要由输弹活塞、输弹杆、内筒和外筒构成。内筒内置一个输弹活塞和一个输弹杆，外筒则贮存有一定容积和压力的气体。

由于输弹时间很短，可将这一过程视为绝热过程，则有下式：

则任一输弹位置储能筒提供的输弹力为

式中：p0和V0分别是输弹机储能筒初始状态的气体压力和容积；p1和V1分别为某一输弹时刻的气体的压力和容积；n为多变指数，一般1＜n＜1．4，此处取n＝1．3；A1为输弹机活塞的有效面积；x为输弹机活塞行程。

2．3 输弹机联合仿真模型

利用ADAMS和Simulink仿真平台构建输弹机虚拟样机模型，其联合仿真结构如图2所示。

图2 输弹机联合仿真结构

图2中，x为活塞杆的位移，由ADAMS中的函数DM（p1，p2）输出，表示p1、p2两点间的距离，用于在Simulink中建立控制方程；FADAMS为输弹机驱动力，通过函数Varval（FSimulink）将Simulink 中输弹机驱动力FSimulink赋予FADAMS。

输弹机的拓扑结构［3～4］如图3所示。H1、H4为固定副，H2、H3、H7、H8、H9为平移副，H5和H6为旋转副，H12和H13为齿轮副，H10、H11为非完整约束。

图3 输弹机拓扑结构图

模型中通过定义碰撞进行非完整约束的定义。完成拓扑结构的定义后，ADAMS应用带乘子的拉格朗日方法自动建立系统动力学方程并将碰撞以等效接触力的形式引入方程，则输弹机的动力学方程可表示为

式中：q为系统广义坐标列阵；M、Φq和Q分别为系统的广义质量矩阵、约束方程Φ（q，t）＝0的雅克比矩阵及广义力阵；Fg为接触力F相对于广义坐标q的广义里列阵，采用基于impact函数的实体碰撞接触模型［5～8］计算。

3 模型验证

对虚拟样机模型的验证一般从静态和动态两个方面［9～10］进行。

1）静态校核：主要是从零件的几何建模、部件的装配进行核对，尤其是对模型从Pro／E 导入到ADAMS中后的各部件的位置关系、物理属性等进行校核，结果表明与物理样机具有很好的一致性。

2）动态校核：动态校核的目的是验证输弹机虚拟样机的动作行为是否与物理样机一致。本文选取炮弹强制输弹末速度为校核参数，因为其大小直接决定着炮弹能否顺利完成卡膛动作，是反映输弹机输弹性能的重要参数。

实验结果与仿真结果汇总如表1所示。

表1 输弹机强制输弹炮弹末速度

从表1可以看出，输弹机强制输弹炮弹末速度仿真结果与实验值能够较好地吻合，说明输弹机虚拟样机模型在反映输弹机输弹性能方面有较高的可信度，仿真结果具有实际意义，可以作为对物理样机性能评测、故障分析的有力工具和平台。

4 故障仿真分析

由式（2）可知，初始气压及初始容积决定着输弹力的大小，继而影响强制输弹时炮弹末速度的大小。下面以p0和V0为变量，通过仿真研究其对强制输弹炮弹末速度的影响规律。

4．1 气体初压影响分析

以故障因素p0为变量，分别计算0°、30°、45°和60°时强制输弹末速度，其结果如图4所示。

从仿真结果可以看出：随着气体初压的提高，输弹末速度也随之提高；随着射角的增加，输弹末速度减小，但与射角增加的幅度不成正比。为使强制输弹末速度处于（5～7）m／s的范围，则当初始容积不变时，气体初压需在1．2MPa～1．7MPa之间。

4．2 初始容积影响分析

以故障因素V0为变量，分别计算0°、30°、45°和60°时强制输弹末速度，其结果如图5所示。

图4 输弹末速度—气体初压关系曲线

图5 输弹末速度—初始容积关系曲线

由仿真结果可以得出：随着初始容积的增加，输弹末速度也随之提高，但提高幅度随初始容积的增加而减小；与初始压力相比，其影响要远小于初始压强对强制输弹末速度的影响。随着射角的增加，输弹末速度减小，但与射角增加的幅度不成正比。

5 结语

本文基于联合仿真策略，利用ADAMS 和Simulink仿真平台对输弹机进行了动力学模型的构建和求解。并仿真分析了两种故障因素：输弹机储能筒气体初压和初容积对输弹性能的影响规律。仿真结果认为，气体初压对强制输弹末速度由重大影响，需要严格控制。为输弹机的勤务维修提供了参考，具有很强的指导意义。

［1］张相炎．火炮自动机设计［M］．北京：北京理工大学出版社，2001：216-222．

［2］熊光愣，李伯虎，柴旭东．虚拟样机技术［J］．系统仿真学报，2001，13（1）：114-117．

［3］徐诚，王亚平．火炮与自动武器动力学［M］．北京：北京理工大学出版社，2006：37-48．

［4］洪嘉振．计算多体系统动力学［M］．北京：高等教育出版社，1999：7-20．

［5］陈立平，张云清，任卫群，等．机械系统动力学分析及ADAMS应用教程［M］．北京：清华大学出版社，2005：78-79．

［6］范成建，熊光明，周明飞．虚拟样机软件MSC．ADAMS应用与提高［M］．北京：机械工业出版社，2006：221-233．

［7］郑建荣．ADAMS—虚拟样机技术入门与提高［M］．北京：北京机械工业出版社，2001：109-134．

［8］王国强，张进平，马若丁．虚拟样机技术及其在ADAMS上的应用［M］．西安：西北工业大学出版社，2002：46-108．

［9］李伟，马吉胜，狄长春，等．液压式输弹机输弹故障仿真研究［J］．系统仿真学报，2007，19（10）：2226-2228，2247．

［10］刘庆鸿，陈德源，王子才．建模与仿真校核、验证与确认综述［J］．系统仿真学报，2003，15（7）：925-930．