基于RccueDyn的自動供彈機故障仿真研究*

陸繼山，馮廣斌

(軍械工程學院 軍械技術研究所，河北 石家莊 050003)

基于RccueDyn的自動供彈機故障仿真研究*

陸繼山，馮廣斌

(軍械工程學院 軍械技術研究所，河北 石家莊 050003)

在RecurDyn軟件中建立了自動供彈機的虛擬樣機模型，并采用數值計算方法結合實驗數據對模型進行校核，驗證了樣機的正確性；針對該型供彈機的彈筒變形和彈筒鏈疲勞磨損等典型故障進行了仿真分析，并將故障仿真結果與正常仿真結果進行了全面對比，發現了相關故障的特點及運動規律。研究結果表明：彈筒變形和彈筒鏈疲勞磨損將會導致供彈過程中卡彈及供彈不到位等故障發生，解決了以往對該類型故障研究不夠深入及可信度不高的問題，為后續故障研究提供一定的參考。

自動供彈機；校核；磨損；故障；RecurDyn；仿真

0 引言

為適應陸軍建設“更加輕便、更加機動、更加靈活”的主流思想，為火炮武器配備自動化彈藥裝填系統成為一種必然要求。自動供彈機作為彈藥自動裝填系統中的重要子機構，對于節省人力和彈藥裝填時間具有不可替代的重要意義[1-3]。

自行火炮的自動供彈機在彈藥自動裝填系統中扮演著提供彈藥的重要基礎性角色，自動供彈機的工作可靠性與穩定性則對供彈機的正常工作起著關鍵作用。而在現代各國研發的各類供彈機中，供彈機的故障發生率呈現較高態勢，尤其是以長期持續工作和行軍顛簸造成的彈筒外表變形和彈筒鏈及鏈節點磨損為代表的典型故障，嚴重影響著部隊的作戰和訓練任務。由于結構和工作布局等原因，利用傳統方法進行檢測維修已經十分困難，因此，利用虛擬樣機技術和一款可靠的仿真軟件對機構的故障進行診斷研究顯得十分必要。利用虛擬樣機技術可以大大簡化機械產品的設計開發過程，在設計早期確定關鍵的設計參數、更新產品開發過程、大幅度縮短產品開發周期；大量減少產品開發費用和成本；明顯提高產品質量，提高產品的系統級性能，獲得最優化和創新的設計產品[3-7]。

RecurDyn是由韓國FunctionBay 公司基于劃時代算法——遞歸算法開發出的新一代多體系統動力學仿真軟件。相比傳統的動力學分析軟件，RecurDyn 采用相對坐標系運動方程理論和完全遞歸算法，非常適合求解大規模及復雜接觸的多體動力學問題。RecurDyn 借助于其特有的MFBD多柔體動力學分析技術，可以更加真實地分析柔性體的非線性問題如大變形、柔性體之間的接觸、柔性體和剛性體之間的接觸等[8-9]。

本文在研究前人對自動供彈機故障監測及仿真研究的基礎上，擬利用RecurDyn軟件對自動供彈機在正常和故障條件下的運動過程進行動力學仿真分析，掌握系統在不同故障條件下的運動規律。

1 供彈機自動化彈倉動力學及振動特性分析

1.1 剛體動力學計算

在研究彈倉運動時，一般把構件都看作剛體，可以得出其等效力矩

(1)

式中：Fi為彈筒所受到的外部作用力；vi為所受外力作用點的速度；φi為作用力方向和速度方向之間的夾角;Se為電機驅動力矩；l1為傳動比；η1，η2，η3為各傳動比的傳動效率；ω為構件角速度。

同時，轉動慣量

(2)

式中：ωj為第j個彈筒的角速度；I01,I23,I45和Ic分別表示電機和齒輪1，齒輪2和齒輪3，齒輪4和蝸桿，主動鏈輪組合的轉動慣量。

通過上述公式可以求解得出各等效剛體構件的受力、速度及角速度等個參量之間的具體關系和數值。

1.2 剛度計算

對自動化彈倉的各構件進行剛度計算，主要集中在對于齒輪傳動剛度、鍵聯接剛度和彈筒聯接剛度的計算。

齒輪傳動的剛度由公式k=cd2B確定，其中，d為齒輪的分度圓直徑，B為齒輪的寬度，c為測定系數。

鍵的連接剛度用公式s=tmd2bhe計算，其中，d為軸的直徑，b為鍵的長度，h為鍵的高度，e為鍵的數目。

而彈筒的聯接剛度可以根據具體材料屬性分析計算得出，其聯接的等效剛度為73 882 N/mm。

1.3 接觸力計算

模型中接觸力的計算，可用基于RecurDyn的接觸力公式[10-11]

(3)

1.4 供彈機疲勞損傷量計算

由于供彈機的主要故障源自于疲勞磨損，因此，疲勞損傷量的計算對于研究供彈過程中的疲勞損傷等故障具有重要意義[12-15]。

假設供彈過程中彈筒所受的對稱循環應力為S1,S2,N1，N2，分別為循環應力作用下構件疲勞失效次數，m為材料的疲勞常數，由于回轉彈筒鏈運動過程中循環特征t≠-1,此時需要考慮平均應力對疲勞性能的影響，根據Soderberg關系式可以得出對稱循環應力：

(4)

式中：Sa,Sm分別表示實際應力的應力幅值及平均應力;σs為材料的屈服極限。

則構件的極限抗疲勞損傷量為

(5)

(6)

式中：Kf為應力集中系數；ε,β1,β2分別表示構件的尺寸系數、表面加工系數及表面強化系數；SJ0表示材料的極限抗疲勞損傷量。

對于彈筒連接部而言，供完N發彈丸后的疲勞累計損傷量為

(7)

式中：Sa max,Sm max為鏈頭的最危險截面處最大應力幅值及其均值。

通過相關理論推導公式結合相關設計參數可以計算并檢驗正常仿真結論和故障仿真結論的正確性。

2 虛擬樣機建模及校核

建立自動供彈機的虛擬樣機模型，通過正常工況下的動力學仿真分析和數值計算，得出同一條件下彈丸在2 s內的運動距離仿真結果曲線和計算結果曲線如圖1所示，同時給出的實驗數據如表1所示。

表1 彈丸運動距離測試結果Table 1 Test results of projectiles’ motion

圖1兩條曲線分別代表計算值和仿真值，從圖中計算曲線與仿真曲線的對比結果來看，兩者極為接近，將表1中實驗數據代入圖1曲線中進行對比發現，計算結果、仿真結果和實驗結果都比較吻合，驗證了模型和所選參數的正確性。

圖1 彈丸運動距離仿真值與計算值的對比Fig.1 Calculation results and simulation results of displacement change of projectile

3 故障仿真分析

3.1 建立故障仿真模型

利用故障注入技術分別建立彈筒外表面變形和彈筒鏈聯接點處疲勞磨損的故障模型并與正常情況下的模型進行對比如圖2～5所示。

圖2 彈筒鏈正常聯接模型Fig.2 Normal model of fatigue

圖3 彈筒鏈磨損后聯接模型 Fig.3 Fault model of fatigue

從圖2和圖3所表示的彈筒鏈聯接節點的正常模型和疲勞磨損故障模型的對比來看，疲勞磨損發生在聯接點處時，在自動供彈機供彈過程中，相鄰兩個彈筒鏈單元之間會發生錯位和變形，連接軸也會發生角度的偏移。

從圖4和圖5中彈筒外表面發生變形的模型和正常模型的對比可以看出，由于行軍途中的顛簸、供輸彈系統自身的振動以及構件之間不規則的碰撞等因素將會引起彈筒外表面發生不同程度的形變，本例通過反復研究該類故障發生形變程度的普遍性，結合故障注入技術建立了圖4中比較具有代表性的變形模型。

圖4 彈筒外表變形故障模型Fig.4 Fault model of cylinder deformation

圖5 彈筒外表面正常模型Fig.5 Normal model of cylinder deformation

3.2 彈筒鏈聯接點疲勞磨損故障仿真分析

圖6和圖7分別表示彈筒鏈發生疲勞磨損時，空載和重載2種情況下，彈筒和彈丸質心速度變化與正常工況下兩者角速度變化情況對比圖。

圖6中2條曲線分別表示空載時20號彈筒速度變化的故障值和正常值。從圖6中可以看出，供彈機減速階段，在故障狀態下，處于空載狀態的20號彈筒速度在初始階段即1.8 s以前與正常工況下對比變化不大，在1.8 s以后，與正常值的偏差越來越大，通過理論求解發現故障狀態下20號彈筒在一個彈距規定時間內運動的位移超出了接彈口處的位移值，在此類情況下，推彈器不能正確推彈，系統無法正常運行。

圖6 空載時20號彈筒速度變化情況對比曲線Fig.6 Velocity change of 20th cylinder deformation when systems are empty

圖7 重載時10號彈丸速度變化情況對比曲線Fig.7 Velocity change of 10th projectile when systems are full

圖7中2條曲線分別表示重載時10號彈筒速度變化的故障值和正常值。從圖7可以看出，在該類故障狀態下，10號彈丸質心的速度與正常值相比較，出現較大差異，特別是在0.4 s和0.6 s時，分別出現故障狀態下的速度最大值640 mm/s和最小值30 mm/s，與正常值比較發現，這將會導致相鄰彈丸和彈筒之間發生強烈碰撞，存在較大的安全隱患；同時，從穩定后的速度值來看，在規定時間內，供彈機不能將待推送彈丸轉到推彈口的準確位置，導致推彈不能進行或彈丸卡滯。

3.3 彈筒變形故障仿真分析

圖8～10表示彈筒變形情況下的故障模型仿真分析結果，其中故障值和仿真值曲線已經分別用箭頭標出。

從圖8中可以看出，空載時，彈筒變形將會導致供彈過程中彈筒速度的變化劇烈，且較大的偏離正常值范圍，此類故障可能導致系統停轉并嚴重影響其他系統的正常工作。

圖9表示系統滿載并高速運轉時，彈筒變形對彈丸角速度變化的影響，從圖中可以看出，故障狀態下，彈丸角速度總體偏小，且變化非常劇烈，這是由于彈筒外表的較嚴重的不規則形狀以及自振和外界振動干擾等因素造成的，在這種情況下常常會出現彈丸裝填不到位或者卡彈等情況。

圖10表示重載時彈丸質心角度變化情況，從圖中可以看出，彈丸質心角度變化遠遠偏離了正常值，這種情況將會導致供彈紊亂，導致嚴重后果。

圖8 空載時10號彈筒速度變化情況對比曲線Fig.8 Velocity changes of 10th cylinder deformation when systems are empty

圖9 滿載時10號彈丸角加速度變化情況對比曲線Fig.9 Angular acceleration changes of 10th projectile when systems are full

圖10 重載時10號彈丸質心角度變化情況對比圖Fig.10 Angle changes of 10th projectile when systems are full

4 結束語

本文通過建立自動供彈機的虛擬樣機模型，并結合計算值和實驗值對模型進行了校核，得出了正確的自動供彈機虛擬樣機模型，利用故障注入技術分別建立彈筒外表面變形和彈筒鏈聯接點處疲勞磨損的故障模型，通過故障仿真分析結果與正常仿真分析結果進行對比，研究了2種故障模式對彈丸和彈筒角度、角速度變化的影響進而判斷其對正常工作狀態的影響，得出以下結論：

(1) 自動供彈機彈筒不同時間點的運動距離的仿真值與計算值和實驗值相符，所得出的虛擬樣機模型可以用于故障仿真研究及優化設計研究等領域。

(2) 彈筒鏈發生疲勞磨損時，角速度偏離正常值較大，使得特定時間的彈丸轉角及姿態與推彈方向不一致，導致推彈不到位或卡彈。

(3) 在彈筒變形情況下，由于角速度偏離正常值范圍較大，回轉彈筒鏈不能將指定的彈丸準確的轉到推彈口，導致推彈不能正常進行，甚至造成其他系統發生故障或停止運行。

將系統動力學仿真分析、數值計算和實驗操作有機的結合在一起對系統進行樣機的校核和驗證，提高了樣機的可信度，故障模型的建立及仿真分析為將來的故障狀態預測和產品優化設計提供了一定的參考。虛擬樣機技術的采用，大大縮短了故障研究周期，同時提高了成果及結論的可靠性。

[1] 侯保林，樵軍謀，劉琮敏. 火炮自動裝填[M]. 北京：兵器工業出版社，2010. HOU Bao-lin, QIAO Jun-mou, LIU Cong-ming. Artillery Automatic Filling[M].Beijing:Weapons Industry Press，2010.

[2] Marcos Andrés, De Zaiacomo Gabriele, Penin Luis F. Simulation-Based Fault Analysis Methodology for Aerospace Vehicles[C]∥AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit. Hawaii，2008：1-15.

[3] 王國強．虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M]．西安：西北工業大學出版社，2002． WANG Guo-qiang.The Implementation of the Virtual Prototype Technology and ADAMS[M]．Xi′an:Northwestern Polytechnical University Press, 2002.

[4] KIRWAN B, GIBSON H, KENNEDY R, et al. Nuclear Action Reliability Assessment (NARA)-A Date-based HRA Tool[C]∥Joint Meeting of the 7th International Conference on Probabilistic Safety Assessment and Management/European Safety and Reliability Conference. Berlin, Germany: Springer-Verlang London Ltdgodalming, 2004,10：1206-1211.

[5] 鄭建興，張相炎.基于RecurDyn的同步帶彈箱動態特性仿真研究[J].火炮發射與控制學報，2010(4)：75-78. ZHENG Jian-xing,ZHANG Xiang-yan.Synchronous Belt Box Dynamic Characteristics Simulation Research[J].Journal of Gun Launch & Control, 2010(4)：75-78.

[6] WAND W D, DAN D D. Reliability Quantification of Induction Motors-Accelerated Degradation Testing Approach[C]∥Proceedings Annual Reliability and Aintainability Symposium,2002,7：325-331.

[7] LIKINS P W.Finite Element Appendage Equations for Hybrid Coordinate Dynamicanalysis[J].Journal of Solid & Structures,1972(8):709-731.

[8] 劉義，徐愷，李濟順，等. RecurDyn多體系統動力學仿真基礎應用與提高[M].北京：電子工業出版社 2013. LIU Yi, XU Kai, LI Ji-shun, et al. Multi-Body Dynamics Simulation Based Application and Improvement Based on RecurDyn[M].Beijing:Electronic Industry Press, 2013.

[9] 梁輝，馬春茂，潘江峰，等. 大口徑火炮彈藥自動裝填系統研發現狀和趨勢[J]. 火炮發射與控制學報，2010(3)：103-107. LIANG Hui, MA Chun-mao, PAN Jiang-feng,et al. The Present Situation and Trend of Development of Large Caliber Gun[J].Journal of Gun Launch & Control, 2010(3)：103-107.

[10] Evtim Zahariev. Relative Finite Element Coordinates in Multibody System Simulation[J]. Multibody System Dynamics,2002(7):51-77.

[11] WANG S X,HE B Y,YUN J T. Study on the Mechanism-Action Reliability of a Satellite Solar-Array[C]∥5th International Conference on Frontiers of Design andManufacturing.Dalian,China,2002:529-532.

[12] 鄭建輝.某火炮自動裝填系統專用實驗裝置的功能結構分析[J].火炮發射與控制學報，2006(4)：24-28. ZHENG Jiang-hui. An Artillery Automatic Loading System Function Structure Analysis of Special Experiment Device[J].Journal of Gun Launch & Control, 2006(4)：24-28.

[13] Ana Fernandez， lIigo Bediaga ，Ainhoa Gaston. Evaluation Study on Detection Techniques for Bearing Incipient Faults[C]∥EUROCON 2005，2009，03：1566-1569.

[14] SHI D F, WANG W J,QU L S. Defect Detection for Bearings Using Envelope Spectra of Wavelet Transform[J].Journal of Vibration and Acoustics，2004(4):567-573.

[15] NAHVI H, ESFAHANIAN M. Fault Identification in Rotating Machinery Using Artificial Neural Networks[J].Journal of Mechanical Engineering Science,2005(2):141-158.

Failure Simulation Study of Automatic Feeding Mechanism Based on RecurDyn

LU Ji-shan，FENG Guang-bin

(Ordnance Engineering College, Ordnance Technical Institution,Hebei Shijiazhuang 050003, China)

The virtual prototype model of automatic feeding mechanism is built through the RecurDyn. The calculation method and the experimental data are used to check the model to make sure the correctness of the prototype. Simulation analysis about typical fault like cylinder deformation and fatigue wear is completed. Fault simulation result and normal simulation result are compared, which indicates the characteristics and rules of fault. The research results show that cylinder deformation and fatigue wear could lead to the phenomenon that the bombs are carded and not in place, the problem that fault research is not in-depth and credibility is not high is solved. A reference for the follow-up study of fault is provided.

automatic feeding mechanism; check; wear; failure; RecurDyn; simulation.

2014-11-20；

2015-01-28

陸繼山(1988-)，男，云南宣威人。碩士生，主要研究方向為火炮、彈藥及自動武器。

通信地址：050003 河北省石家莊市新華區北新街169號2室 E-mail： lujishan881122@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.04.037

TJ8;TP391.9

A

1009-086X(2015)-04-0220-06