某輸彈機可靠性強化試驗臺設計及仿真研究

□ 金 朝 □ 秦俊奇 □ 狄長春 □ 崔凱波

軍械工程學院 石家莊 050003

可靠性強化試驗能夠彌補傳統的可靠性試驗技術在時間和經費上不能與機械系統研制需求相適應的不足。由于國外對我國的技術封鎖，大大限制了可靠性強化試驗技術在國內的發展［1］，因此研制開發具有我國自主知識產權的可靠性強化試驗設備以及試驗技術具有緊迫性和必要性。

本文從機械系統可靠性強化試驗理論和技術方面進行探索，提出了一種從系統層面評價被試系統可靠性指標的可靠性強化試驗方法——系統可靠性強化試驗方法，針對某輸彈機進行了可靠性強化試驗方案研究，設計了其專用試驗臺，重點對動力系統進行設計，并通過仿真手段驗證了試驗方案的可行性，為機械系統可靠性強化試驗的研究提供了有益參考。

1 可靠性強化試驗方案研究

1.1 強化試驗方法

國內外目前常見的可靠性強化試驗方法主要有以下幾種。

（1）使用專用試驗設備［2］。此種方法采用專用的試驗設備，能夠便捷地實現對試驗過程的監測、控制和數據的采集，且試驗過程危險性較小，但將零部件從系統中脫離，零部件所受到的實際激勵往往與試驗裝置提供的激勵存在較大差異，使試驗結果缺乏說服力和參考價值，且只能針對個別零件的單一指標進行可靠性強化試驗研究，而面對整個系統的多強化工況的強化試驗時則束手無策。

（2）改變被試系統的工作環境［3］。這種試驗方法雖然克服了第一種試驗方法存在的不足，但其適用范圍小，強化應力的大小往往會受到系統整體性能的限制，因而試驗周期長，耗資大。

（3）對系統本身某些零部件進行替換或改變系統的工作參數［4］。這種試驗方法的優點是不需要專門的試驗裝置，節約了一定的成本，而且試驗在受試系統本身進行，具有較高的精度和可信度。但強化應力的施加受到受試系統本身結構和系統性能的限制，對于許多結構緊湊或精密的系統，無法實現在線監控，且在對大型系統的子系統單獨實施強化試驗時，需要整個系統同時運轉，耗費大量能源。

本文所研究的自動輸彈系統，是集機、電、液于一體的復雜系統，要將其中的眾多關重件分別從系統中脫離出來并在專用試驗裝置上進行可靠性強化試驗，顯然是不切合實際的，且輸彈機關重件的失效大多是由機械應力或機械磨損等因素引起的，因而第二種方法也不可用。對以疲勞或磨損為主要失效模式的構件進行可靠性強化試驗，勢必要求輸彈機的動力系統提供比正常工況下高出許多的動力和速度，對所要研究的系統而言，液壓系統的額定功率和允許的最大壓力是按照正常工況設計的，無法滿足強化試驗苛刻的要求，而要更換自行火炮的液壓系統非但困難甚至無法實現。因此，對輸彈系統進行可靠性強化試驗時，必然要反復進行輸彈動作。對于火炮而言，彈丸慣性卡膛后如果不激發的話，彈丸是很難從坡膛退出的，如果要激發，則會大大增加試驗的成本和時間。

綜上所述，對于所要研究的輸彈機構而言，以上提到的3種傳統的方法都是不經濟或不可行的。

為解決以上問題，設計一種能夠從系統層面上去評價被試對象的可靠性指標的試驗方法——系統可靠性強化試驗方法，即將被試子系統從整體系統中分離出來，與試驗裝置連接，進而實施可靠性強化試驗。它與傳統試驗方法存在較大區別，這種從系統層面上進行可靠性強化試驗的方法，能夠便捷地實現對試驗過程的監測、控制和數據的采集，且試驗過程危險性較小，同時保證了試驗結果的說服力，繼承了上述3種試驗方法的優點而且避免了其弊端，同時可以大大縮短產品開發周期，節約開發成本。

1.2 強化試驗方案

輸彈機機械系統故障的失效機理以磨損和疲勞為主。

對于磨損失效構件來說，強化試驗的具體方案是通過一定的強化試驗技術來加快構件表面的磨損，并防止磨損失效機理的改變。輸彈機中的磨損失效零部件的強化試驗方案，主要依據磨損失效強化試驗機理，尋求改變應力水平的技術途徑。例如，在傳遞運動過程中，兩個相互作用的構件間的作用強度往往受與之相關聯的機構或構件的影響，要想改變作用強度，首先要找到相關聯的零部件，然后通過改變其性能指標，間接提高試驗對象的工作應力。

對于疲勞失效構件來說，影響其壽命的外界因素主要有應力幅和平均應力。對于機械零件而言，一般有如下概念［5］。

1）決定機器零件疲勞強度的是應力幅；2）平均應力對疲勞強度的影響是第二位的，但也有重要作用；3）一般來說，拉伸平均應力使極限應力幅減小；壓縮應力使極限應力幅增大；4）平均應力對正應力的影響比切應力要大。綜合考慮以上各點，結合輸彈機關重件的失效機理及工作原理，擬定輸彈機構件的強化試驗方案，見表1。

表1 輸彈機強化試驗方案

2 試驗臺總體方案

輸彈機可靠性強化試驗臺應具備在滿足失效機理不變的前提下，為可靠性強化試驗提供諸如輸彈速度、輸彈阻力等多種強化工況的功能。

根據以上功能要求，試驗裝置可以從功能上劃分為動力系統、調整系統和監測系統3個部分。其中動力系統包括液壓子系統和傳動子系統2個部分，調整系統包括高低射角調整子系統、試驗彈丸和藥筒復位子系統2個部分。試驗裝置的組成及試驗裝置構想圖如圖1和圖2所示。

3 動力系統方案

液壓系統是試驗裝置的核心部分，其作用主要是為輸彈機、擺彈油缸和擺藥油缸提供不同的流量，以滿足輸彈機在不同強化工況下輸彈/收鏈、擺彈油缸伸出/收回及擺藥油缸伸出/收回運動的不同速度要求。

▲圖1 試驗裝置組成示意圖

▲圖2 試驗裝置構想圖

3.1 液壓子系統的組成

試驗裝置液壓系統主要由動力機構、控制機構、執行機構、輔助機構4部分組成，固定于試驗裝置機架底座上。

（1）動力機構。為滿足試驗裝置各執行機構的不同流量需求，采用電機雙聯泵為輸彈系統試驗裝置提供液壓動力源。大小泵均選用變量泵，用法蘭盤將大、小泵連接，電機帶動雙泵同時工作，大、小泵同時輸出不同流量的液壓油，其不同的組合方式提供了試驗裝置輸彈、收鏈、擺彈以及擺藥的不同流量需求。

（2）控制機構。控制機構主要由控制壓力、控制流量與流動方向的液壓閥組成，實現試驗裝置在不同工作環節所需壓力、流量與不同的流向。

電磁閥組安裝在試驗裝置防護艙右側，由4個3WE20和4個3WE6電磁閥組成，安裝在兩個集流板上，其排列方式是：4個大通徑電磁閥并列，接著4個小通徑電磁閥并列，如圖3所示。

輸彈及可靠性強化試驗裝置的機械系統動作取決于液壓系統的8個電磁閥的先后工作狀態，8個電磁閥都是2位3通閥，它們的工作狀態是由試驗裝置的電器控制系統程序所決定的。

（3）執行機構。執行機構主要由液壓馬達、擺彈油缸和擺藥油缸組成，分別是輸彈、擺彈和擺藥動作的執行機構。液壓馬達與液壓缸都是將液壓油的壓力能轉化成為機械能的一種能量轉換裝置，其中，前者用于旋轉運動，后者用于直線運動。

液壓馬達是輸彈機的動力源，是整個系統的最重要的執行元件，它的作用是帶動輸彈機主軸轉動，以實現輸彈機在各種速度和動力下的輸彈、收鏈動作。

擺彈油缸的作用是將被輸彈機輸送到位的彈丸重新推回到輸彈起始位置，為下一次輸彈做準備，以使輸彈動作能快速反復地進行。選用雙作用油缸作為擺彈油缸，主要由缸筒、缸蓋、堵頭、活塞及密封圈組成。

擺藥油缸用于將輸送到位的藥筒重新推回起始位置，為下一次拋殼運動做準備。擺藥油缸也是雙作用油缸，主要由缸筒、缸蓋、堵頭、活塞及密封圈組成。

（4）輔助機構。輔助機構包括油箱、壓力表、雙油濾安全閥組件、節流閥等。

油箱容積為50 L，位于底座的右側，其上部有加油孔，下部有放油口，側面有液面顯示窗口，用于顯示油箱內的油量，當油量不足時應該及時注油。系統內串有壓力表，用于顯示系統的工作壓力，壓力表位于試驗裝置防護艙右側，通過管路與電磁閥組相連。

油濾安全閥組件通過管路與電磁閥組和油泵相連，由濾油器和安全閥組成，濾油器用于過濾液壓油中的雜質，安全閥則用于保證系統在安全的壓力范圍內工作。本試驗裝置采用雙聯泵工作制，濾油器也設計成結構原理相同的兩套。

3.2 液壓子系統工作原理

▲圖3 液壓系統原理圖

圖3為液壓系統原理圖。液壓系統電磁閥的排列是：4個3WE20并列 （④③②①），接著是4個3WE6并列（⑤⑥⑦⑧）。①、②兩個電磁閥分別與雙聯泵的大排量泵和小排量泵連接，閥③、閥④控制液壓馬達正轉和反轉；閥⑤、閥⑥控制擺藥油缸實現擺藥油缸伸出和復位；閥⑦、閥⑧控制擺彈油缸伸出和復位。

表2為輸彈機試驗裝置液壓系統工作循環與電磁閥動作表，表中“+”號表示相對應的電磁閥通電。

表2 液壓系統電磁閥動作表

系統采用變量泵-變量馬達的調速方案，這種調速方案可以實現在低速時輸出較大轉矩、在高速時提供較大輸出功率的要求。在進行低速試驗時，先將馬達排量調至最大，用變量泵調速，當泵的排量由小變大直至最大，馬達轉速隨之升高，輸出功率亦隨之線性增加，此時因馬達排量最大，馬達能獲得最大輸出轉矩，且處于恒轉矩狀態。在進行高速試驗時，泵為最大排量，用變量馬達調速，馬達排量由大調小，馬達轉速繼續升高，輸出轉矩隨之降低，此時因泵處于最大輸出功率狀態不變，故馬達處于恒功率狀態，擴大了回路的調速范圍，一般 Rc≤100。

4 輸彈鏈板強化試驗仿真研究

以輸彈機及強化試驗臺設計圖紙為依據，通過Pro/E建立了試驗系統的三維實體模型，并通過Mech/Pro將三維實體模型導入ADAMS中添加約束，最終建立起試驗系統的多體動力學模型。利用MSC.Easy5軟件對試驗臺液壓和控制子系統進行建模，通過基于軟件接口的協同仿真方法實現機電液參數耦合協同仿真。最終得到輸彈鏈板在強化工況和正常工況下的載荷譜，如圖4所示。

利用ANSYS軟件對鏈板進行有限元分析，得到其應力分布結果，然后將鏈板在正常和強化工況下的載荷譜、鏈板的應力分布結構和鏈板材料參數一并導入疲勞分析模塊進行疲勞壽命預測，最終得到鏈板在正常和強化工況下的疲勞壽命分別為：無限壽命和272 552次。

▲圖4 鏈板載荷譜

從仿真分析可見，所設計的強化試驗臺起到了縮短試驗周期的目的。

5 結束語

本文總結分析了常見的可靠性強化試驗方法，分析表明，這些方法并不適合本文所要研究的對象，因而提出了系統可靠性強化試驗方法，并設計了輸彈機可靠性強化試驗臺，重點對其動力系統進行了詳細介紹。以輸彈鏈板為對象，以強化試驗臺為基礎，以虛擬樣機仿真為手段，進行了可靠性強化試驗研究。結果表明，所設計的試驗臺能夠實現縮短試驗時間的目的。為可靠性強化試驗技術與理論的研究提供了參考。

［1］ 吳艷，易曉山，廖世佳，等.模糊控制在可靠性強化試驗設備中的應用研究［J］.機電工程，2008,25（3）.

［2］ 李果.可靠性試驗中溫度步進試驗設備的探討［J］.質量與可靠性，2011（2）.

［3］ 吳大林.履帶式自行火炮強化行駛試驗仿真技術研究［D］.石家莊:軍械工程學院,2008.

［4］ 楊艷峰.炮閂系統可靠性強化試驗技術仿真研究 ［D］.石家莊:軍械工程學院,2011.

［5］ 李舜酩.機械疲勞與可靠性設計 ［M］.北京:科學出版社,2006.