模塊裝藥供藥裝置設(shè)計(jì)與分析*

劉 松,高躍飛,劉海濤,柯 彪,信義兵

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051;2 西北機(jī)電工程研究所,陜西咸陽(yáng) 712009)

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模塊裝藥供藥裝置設(shè)計(jì)與分析*

劉 松1,高躍飛1,劉海濤1,柯 彪2,信義兵1

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051;2 西北機(jī)電工程研究所,陜西咸陽(yáng) 712009)

針對(duì)以往鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)藥倉(cāng)由于具有多邊形效應(yīng)導(dǎo)致藥倉(cāng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定,以及現(xiàn)有的推藥機(jī)構(gòu)不能對(duì)模塊藥進(jìn)行同步推送等缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型供藥裝置。利用Ideas建立三維模型,運(yùn)用ADAMS對(duì)供藥裝置進(jìn)行仿真。結(jié)果表明該裝置能夠?qū)δK藥實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)的選取并可以將一定數(shù)量模塊藥同步推送進(jìn)接藥盤,為以后的實(shí)踐設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

模塊藥;齒輪傳動(dòng);螺旋傳動(dòng);ADAMS;動(dòng)力學(xué)仿真

0 引言

傳統(tǒng)的大口徑火炮彈藥裝填系統(tǒng)彈倉(cāng)以及藥倉(cāng)主要采用的是大節(jié)距、鏈輪齒數(shù)少、低轉(zhuǎn)速的鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu),由于鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)比較突出,導(dǎo)致彈、藥倉(cāng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有明顯的不穩(wěn)定現(xiàn)象[1-2]。且傳統(tǒng)的鏈條式推彈、藥機(jī)由于自身功能的單一性,難以對(duì)藥倉(cāng)中的模塊藥進(jìn)行一定數(shù)量的同步推送[3]。針對(duì)此情況設(shè)計(jì)了一種以齒輪傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)為主的供藥裝置,該裝置可以有效的避免鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)帶來(lái)的弊端,整個(gè)藥倉(cāng)在回轉(zhuǎn)過(guò)程中平穩(wěn),推藥器可以快速平穩(wěn)的將藥倉(cāng)上的模塊藥按照發(fā)射所需數(shù)量同步推進(jìn)接藥盤[4-5]。

1 供藥裝置的結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示,供藥裝置主要由齒輪式回轉(zhuǎn)藥倉(cāng)和推藥器組成,推藥器置于回轉(zhuǎn)藥倉(cāng)內(nèi)部,回轉(zhuǎn)藥倉(cāng)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)一定角度時(shí)間歇停止,推藥器開(kāi)始將所需數(shù)量的模塊藥向下垂直推進(jìn)藥塊接盤,完成一個(gè)供藥動(dòng)作[6]。

圖1 供藥裝置整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 藥倉(cāng)組成及原理

藥倉(cāng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括電機(jī)、減速器、撥輪、約束軌道、環(huán)形齒條、儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)以及齒輪組等。在環(huán)形齒條上均勻分布著12個(gè)儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu),儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)為一半圓形圓筒,內(nèi)有隔板,用于放置8塊模塊藥,其中兩塊為儲(chǔ)備藥。半圓筒上安裝有模塊藥夾持板,主要用于當(dāng)儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)藥塊起到定位夾緊作用,防止藥塊在回轉(zhuǎn)時(shí)受力過(guò)大脫離藥倉(cāng)。半圓筒兩側(cè)裝有滾動(dòng)齒輪,可以環(huán)繞環(huán)形齒條滾動(dòng),在每?jī)蓚€(gè)儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)滾動(dòng)齒輪之間有一傳遞齒輪,主要用于使兩個(gè)滾動(dòng)齒輪之間達(dá)到同步滾動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)12個(gè)滾動(dòng)齒輪的同步滾動(dòng)。

圖2 藥倉(cāng)整體結(jié)構(gòu)圖

儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要依靠滾動(dòng)齒輪在環(huán)形齒條上作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),而齒輪的純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)則依靠撥輪實(shí)現(xiàn),撥輪類似于鏈條傳動(dòng)中的鏈輪,主要用于撥動(dòng)儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)上的短軸,短軸在約束軌道的作用下只能沿著環(huán)形軌跡運(yùn)動(dòng)[7]。在撥輪撥動(dòng)短軸時(shí),撥輪類似于行星架,與滾動(dòng)齒輪、環(huán)形齒條以及約束軌道組成了周轉(zhuǎn)輪系,滾動(dòng)齒輪便可繞環(huán)形齒條滾動(dòng),在傳遞齒輪的傳遞作用下其余齒輪依次滾動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)藥倉(cāng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 模塊藥夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖3為模塊藥夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖,夾持機(jī)構(gòu)在整個(gè)藥倉(cāng)中對(duì)藥塊起到夾緊、定位以及釋放作用,由于藥倉(cāng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),致使藥塊極易脫離儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)進(jìn)而影響推藥動(dòng)作,因此夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理尤為重要。夾持機(jī)構(gòu)主要由上下兩塊V形夾持板、回轉(zhuǎn)底座、銷軸、扭簧、定位板等組成。夾持板通過(guò)銷軸與回轉(zhuǎn)底座連接在一起,可繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在夾持板兩側(cè)各有一扭簧穿過(guò)銷軸,主要為夾持機(jī)構(gòu)提供彈力。當(dāng)藥塊在推藥器推動(dòng)下脫離夾持板時(shí),夾持板在扭簧的預(yù)緊力作用下會(huì)回轉(zhuǎn)進(jìn)儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)內(nèi)部,為防止夾持板與推藥完成后按原行程返回的推藥器上的推藥板發(fā)生干涉,在回轉(zhuǎn)座上有一定位板,當(dāng)夾持板上的凸臺(tái)撞擊定位板時(shí)夾持板便停止回轉(zhuǎn),為推藥板的回程預(yù)留空間。

1.2 推藥器組成及原理

推藥器在整個(gè)供藥裝置中主要起到按照發(fā)射需要,可以將藥倉(cāng)中若干數(shù)目的模塊藥同步推進(jìn)接藥盤的作用,推藥器在推動(dòng)藥塊時(shí)盡量迅速、平穩(wěn),不宜對(duì)藥塊產(chǎn)生過(guò)大的沖擊載荷。

圖4 推藥器整體結(jié)構(gòu)圖

推藥器整體結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。推藥器推動(dòng)儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)中一定數(shù)量的模塊藥依靠6組由滑塊、絲杠、導(dǎo)軌和推藥板構(gòu)成的螺旋傳動(dòng)組件來(lái)實(shí)現(xiàn)的,6組螺旋傳動(dòng)組件與固定支座上的空心軸之間通過(guò)相應(yīng)的傳動(dòng)齒輪組連接。在推藥器驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器的帶動(dòng)下,空心軸回轉(zhuǎn),相應(yīng)的推藥板開(kāi)始直行推動(dòng)藥塊。

推藥器能夠同時(shí)一次性推出一定數(shù)量的模塊藥由空心軸內(nèi)部的伸縮桿來(lái)控制,伸縮桿結(jié)構(gòu)組成如圖5、圖6所示。空心軸內(nèi)壁對(duì)稱分布著兩條可供楔形鍵滑行的長(zhǎng)鍵槽,鍵槽上分布著6個(gè)楔形鍵卡口。伸縮桿主要由6個(gè)圓形空心筒組成,空心筒外有楔形鍵安裝盤。6個(gè)空心筒通過(guò)圓形凸臺(tái)1、圓形凸臺(tái)2以及圓形凹臺(tái)之間的相互配合組成了可以依次前進(jìn)和后退的伸縮桿,在6個(gè)楔形鍵安裝盤上分別有一個(gè)方形凹槽,方形凹槽內(nèi)部有一壓縮彈簧,壓縮彈簧上部裝有楔形鍵。伸縮桿中的6個(gè)空心筒在由推頭、推頭擋圈、推頭導(dǎo)向桿、絲杠組成的螺旋傳動(dòng)組件以及伸縮桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的共同作用下可以依次前行,每當(dāng)楔形鍵安裝盤上的楔形鍵依次滑行到空心軸與空心軸齒輪相互配合的楔形鍵卡口位置時(shí),便在壓縮彈簧的彈力作用下依次進(jìn)入楔形鍵卡口內(nèi)(如圖6所示)[8],空心軸與空心軸齒輪在楔形鍵的作用下卡接在一起同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于6個(gè)楔形鍵分別對(duì)應(yīng)著6組齒輪組,與空心軸卡接的齒輪組才會(huì)傳動(dòng),其余沒(méi)有與空心軸卡接的齒輪組只有空轉(zhuǎn)而不會(huì)傳動(dòng),因此每當(dāng)伸縮桿前行到相應(yīng)位置時(shí),分藥裝置便可將6塊模塊藥中的若干數(shù)目模塊藥同步推出。

圖5 伸縮桿結(jié)構(gòu)圖

圖6 伸縮桿二維簡(jiǎn)圖

2 供藥裝置動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用Ideas的master modeler建立各零部件的實(shí)體模型,并進(jìn)行裝配,再通過(guò)translator轉(zhuǎn)換成UG中的x_t格式文件。導(dǎo)入前簡(jiǎn)化實(shí)體模型,以減少ADAMS中剛體的數(shù)量,進(jìn)而減少計(jì)算時(shí)矩陣個(gè)數(shù),從而縮短仿真時(shí)間。

將轉(zhuǎn)換好的三維模型文件插入到ADAMS中,為各零部件設(shè)定相應(yīng)的材料屬性,利用布爾運(yùn)算將沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件簡(jiǎn)化為一個(gè)剛體,為各零部件之間添加必要的運(yùn)動(dòng)副以及接觸,并添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊[9]。

2.1 仿真結(jié)果

由于整個(gè)供藥裝置工作時(shí)主要包括兩個(gè)過(guò)程,即儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)過(guò)程和推藥器的推藥過(guò)程,而在回轉(zhuǎn)過(guò)程中撥輪的轉(zhuǎn)速大小直接影響著儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,推藥過(guò)程中推藥板的推藥速度直接影響著模塊藥運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。因此在仿真中對(duì)這兩個(gè)影響供藥裝置工作的主要因素進(jìn)行分析,以尋求最佳速度。

圖7 模塊藥回轉(zhuǎn)一周在x、y軸方向速度曲線

圖8 回轉(zhuǎn)過(guò)程中不同撥輪轉(zhuǎn)速下模塊藥受到的碰撞力曲線

圖9 推藥過(guò)程中不同推藥速度下模塊藥在x軸方向位移曲線

圖7為儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)中的模塊藥在藥倉(cāng)上回轉(zhuǎn)一周時(shí)在x軸以及y軸方向上的速度曲線。

圖8為撥輪以不同的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時(shí),模塊藥與儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)之間的碰撞力曲線。圖9為推藥器上的推藥板以不同的推動(dòng)速度垂直向下推動(dòng)模塊藥時(shí),藥塊在x軸方向上的位移變化曲線。圖10為模塊藥被推過(guò)程的速度曲線。

圖10 模塊藥速度曲線

2.2 仿真結(jié)果分析

1)由圖7可知,模塊藥在藥倉(cāng)上回轉(zhuǎn)一周時(shí),速度跳躍次數(shù)少,周期性波動(dòng)頻率低,這對(duì)整個(gè)模塊藥裝填系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作是有重要作用的。傳統(tǒng)的鏈條式回轉(zhuǎn)藥倉(cāng)由于鏈條的多邊形效應(yīng)致使藥倉(cāng)在回轉(zhuǎn)的過(guò)程中速度波動(dòng)頻率大,導(dǎo)致藥塊傳輸具有明顯的不穩(wěn)定現(xiàn)象。而文中采用齒輪傳動(dòng)方式的藥倉(cāng)能夠明顯提高藥塊傳輸?shù)姆€(wěn)定性,從而有利于增強(qiáng)整個(gè)裝填系統(tǒng)的可靠性。

2)圖8列舉了回轉(zhuǎn)過(guò)程中不同撥輪轉(zhuǎn)速下模塊藥受力曲線,經(jīng)過(guò)ADAMS的優(yōu)化分析功能可以得出撥輪轉(zhuǎn)速的大小直接影響著模塊藥受力,在0～8.33 r/min之間,藥塊在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中與儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)的碰撞力基本保持在一恒定值,撥輪轉(zhuǎn)速大于8.33 r/min時(shí),藥塊與儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)的碰撞力會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)激增現(xiàn)象,這種現(xiàn)象對(duì)藥塊自身以及儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是不利的,嚴(yán)重降低供藥裝置在回轉(zhuǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性,同時(shí)過(guò)大的碰撞力極易造成藥塊脫離儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu),進(jìn)而影響下一步的推藥動(dòng)作。為了提高裝填速度,撥輪轉(zhuǎn)速盡量維持在8.33 r/min左右。

3)圖9列舉了推藥過(guò)程中不同推藥速度下模塊藥在x軸方向上的位移變化曲線。利用ADAMS中的優(yōu)化分析功能,尋找最優(yōu)推藥速度,保證推藥器推動(dòng)模塊藥時(shí)能夠達(dá)到迅速、平穩(wěn)、沖擊載荷小等要求。經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析得出,在0～150 mm/s內(nèi)推藥速度越小,模塊藥在x軸方向上位移變化量越大,即在被推出儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)時(shí)越容易出現(xiàn)左右晃動(dòng)現(xiàn)象,穩(wěn)定性降低,這對(duì)于模塊藥準(zhǔn)確進(jìn)入接藥盤是不利的。當(dāng)推藥速度大于150 mm/s后,隨著推藥速度逐漸增大,模塊藥在x軸方向上位移變化量較小,即左右晃動(dòng)現(xiàn)象不明顯,這對(duì)于提高模塊藥準(zhǔn)確進(jìn)入接藥盤是有利的。在推藥速度大于150 mm/s情況下,將不同推藥速度下模塊藥在x軸方向上位移變化量進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)變化量差距較小。但是推藥速度過(guò)大推藥板對(duì)模塊藥產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力也會(huì)增大,因此推藥速度不宜過(guò)大。結(jié)合以上結(jié)論最終得出推藥器推藥速度在150 mm/s左右時(shí)模塊藥由儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)進(jìn)入接藥盤的過(guò)程中左右晃動(dòng)較小,具有較高的平穩(wěn)性。

4)圖10為模塊藥由儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)進(jìn)入接藥盤的整個(gè)過(guò)程中速度變化曲線。可以看出在起始階段模塊藥速度陡然上升,主要因?yàn)橥扑幇迮c模塊藥之間存在一定距離,對(duì)模塊藥產(chǎn)生了一定的瞬時(shí)沖擊導(dǎo)致的。速度隨后逐漸平穩(wěn),沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)多的上下波動(dòng),這對(duì)于模塊藥準(zhǔn)確進(jìn)入接藥盤是有利的。而后速度迅速上升以及下降,主要因?yàn)槟K藥在推藥板作用下脫離了儲(chǔ)藥機(jī)構(gòu)上的夾持板,在推藥板推動(dòng)慣性力以及自身重力下速度迅速提高,然后進(jìn)入接藥盤與其產(chǎn)生碰撞,速度逐漸降低直至靜止。

3 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)的模塊藥裝填系統(tǒng)中的供藥裝置采用了大量的齒輪傳動(dòng)以及螺旋傳動(dòng),保證模塊藥在傳輸和運(yùn)送中的平穩(wěn)性,有效的提高了整個(gè)裝填系統(tǒng)的可靠性,與傳統(tǒng)的鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)相比具有較高的平穩(wěn)性。且推藥器可以同步的一次性的將所需數(shù)量的模塊藥推出,與逐個(gè)推送藥塊相比具有所用時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

該裝置為自動(dòng)裝填系統(tǒng)領(lǐng)域提供了一種新的設(shè)計(jì)思路和方法。通過(guò)仿真分析表明設(shè)計(jì)思路是合理可行的,具有一定的工程實(shí)踐意義。

[1] 侯保林, 樵軍謀, 劉琮敏, 等. 火炮自動(dòng)裝填 [M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2010: 5-35.

[2] 張相炎, 鄭建國(guó), 楊軍榮. 火炮設(shè)計(jì)理論 [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2005: 171-174.

[3] 程明. 基于Recurdyn鏈傳動(dòng)的仿真分析 [J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2013, 30(9): 42-45.

[4] 侯保林. 大口徑自行火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)研究 [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2003: 12-35.

[5] 梁輝, 馬春茂, 潘江峰, 等. 大口徑火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢(shì) [J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào), 2010(3): 103-107.

[6] 徐誠(chéng), 王亞明. 火炮與自動(dòng)武器動(dòng)力學(xué) [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2006: 68-82.

[7] 張策. 機(jī)械動(dòng)力學(xué) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2000: 33-58.

[8] 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè): 第二卷 [M]. 3版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 14-81.

[9] 劉晉霞, 胡仁喜, 康士延. ADAMS2012虛擬樣機(jī)從入門到精通 [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013: 71-88.

Design and Analysis of Modular Charges Feeding Mechanism

LIU Song1,GAO Yuefei1,LIU Haitao1,KE Biao2,XIN Yibing1

(1 School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2 Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi Xianyang 712009, China)

Since polygon-effect of chain-transmission round magazine causes unstable turn motion of the round magazine, and the current pushing mechanisms cannot push modular charges synchronously, a new feeding mechanism was designed. Ideas was used to build three-dimensional model and ADAMS was used to carry out dynamics analysis. The results show that the feeding mechanism can not only select modular charges quickly and stably, but also push certain number of modular charges into reception tray synchronously, which provides theoretical basis for practice design.

modular charges; gear transmission; spiral transmission; ADAMS; dynamics simulation

2015-10-12

劉松(1989-),男,河北保定人,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與仿真。

TJ303

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