基于EHA的彈簧蓄能機(jī)載導(dǎo)彈彈射式發(fā)射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

王殿宇,侯 明，張 兵，漢 田，盛子豪

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū)航空軍械教研室， 山東 青島 266041)

目前我國(guó)機(jī)載導(dǎo)彈大部分采用燃?xì)馐綇椛溲b置，是典型的熱彈射裝置。它由拋放彈作為彈射裝置的驅(qū)動(dòng)能源，具有體積小、能量大、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、重復(fù)懸掛精度高等特點(diǎn)，而且技術(shù)上比較成熟[1]。但是熱彈射同時(shí)也存在很多缺點(diǎn)：污染環(huán)境，產(chǎn)生氣體高溫高壓易燒蝕機(jī)件；每次發(fā)射后需對(duì)掛鉤等部件清洗擦拭；日常維護(hù)危險(xiǎn)性高。另一種被廣泛采用的是以高壓氣瓶作為驅(qū)動(dòng)能源的彈射裝置。這種裝置的缺點(diǎn)是高壓氣瓶體積大、質(zhì)量大，充放氣時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足部隊(duì)快速反應(yīng)要求[2-3]。針對(duì)以上兩種彈射裝置的弊端，文獻(xiàn)[4]提出了一種利用EHA(電靜液作動(dòng)器)壓縮彈簧來(lái)蓄能的彈射方案，采用清潔能源，蓄能方便快捷。并在此基礎(chǔ)之上，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)其彈射機(jī)構(gòu)性能影響因素進(jìn)行了分析[5]。根據(jù)仿真分析結(jié)果，本文對(duì)該彈射裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高其彈射性能。

1 關(guān)鍵模型構(gòu)建與性能分析

根據(jù)文獻(xiàn)[4]所提出的設(shè)計(jì)方案，首先利用三維CAD建模軟件SolidWorks構(gòu)建關(guān)鍵組件模型，并進(jìn)行整體裝配，如圖1。再將三維模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，并添加約束條件，使彈射機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能，如圖2所示。利用ADAMS對(duì)彈射行程、彈射桿直徑、彈射間隙以及懸掛物質(zhì)量這4個(gè)影響因素進(jìn)行仿真分析，得到了滿足彈射分離技術(shù)條件的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍[5]。

2 彈射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

彈射行程、彈射桿直徑、彈射間隙以及懸掛物質(zhì)量這4個(gè)因素對(duì)彈射分離結(jié)果具有較大的影響。文獻(xiàn)[4]分別改變這四個(gè)變量并進(jìn)行仿真分析，得到了它們各自對(duì)彈射分離速度以及加速度的不同影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化又可分為2個(gè)方向，一是改變彈射參數(shù)，并采用彈簧并聯(lián)的設(shè)計(jì)，使彈射機(jī)構(gòu)能夠滿足質(zhì)量更大的懸掛物的彈射要求；二是在保持原有分離速度不變的情況下，通過(guò)增大彈射行程來(lái)減小懸掛物分離時(shí)的縱向過(guò)載。

2.1 增大彈射負(fù)載優(yōu)化

文獻(xiàn)[5]的仿真結(jié)果表明，初始設(shè)計(jì)參數(shù)下的彈射機(jī)構(gòu)只適用于200 kg左右的小質(zhì)量懸掛物的彈射。由于本文采用兩級(jí)彈射桿的彈簧蓄能彈射方式，只需要在彈射桿的內(nèi)部空心位置再安裝一個(gè)壓縮彈簧，就可以便捷地達(dá)到并聯(lián)彈簧的效果，以此增加蓄能能力。并且根據(jù)不同質(zhì)量的懸掛物，可以選取不同參數(shù)的彈簧進(jìn)行并聯(lián)來(lái)滿足分離要求。

以400 kg的懸掛物為例，選取適宜的并聯(lián)彈簧，使優(yōu)化后的彈射機(jī)構(gòu)可以滿足分離速度要求。

為了方便計(jì)算，選取和外置彈簧自然長(zhǎng)度相同的內(nèi)置并聯(lián)彈簧，則兩彈簧的彈射行程也相同，那么并聯(lián)之后的相當(dāng)于將2個(gè)彈簧合并為一個(gè)剛度系數(shù)更大的彈簧。設(shè)外置彈簧剛度系數(shù)為k1，內(nèi)置彈簧剛度系數(shù)為k2，則并聯(lián)之后的彈簧總剛度系數(shù)k=k1+k2。

參考文獻(xiàn)[5]中彈簧直徑對(duì)應(yīng)的彈簧剛度系數(shù)，考慮到彈射桿的厚度，這里選取直徑為40 mm的彈簧作為內(nèi)置并聯(lián)彈簧。則并聯(lián)后的總剛度系數(shù)k=k1+k2=616 N/mm。彈簧的可壓縮量由其可承受的最大壓縮力來(lái)確定。同樣，分別將外置、內(nèi)置彈簧參數(shù)代入下式：

(1)

其中：F為彈簧豎直方向所受壓縮力；D為彈簧直徑；d為彈簧線徑。

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[6]可知，若采用經(jīng)過(guò)450 ℃回火處理后的60Si2Mn作為材料，許用切應(yīng)力[τ]最大為720 MPa，計(jì)算得外置彈簧可承受的最大壓縮力Fmax1=25 837 N，內(nèi)置彈簧可承受的最大壓縮力Fmax2=40 185 N，則兩彈簧可承受的總壓縮力Fmax=Fmax1+Fmax2=66 022 N，

在ADAMS中修改模型的參數(shù)，將懸掛物質(zhì)量改為400 kg，彈簧的剛度系數(shù)改為616 N/mm，預(yù)加載荷改為66 022 N，進(jìn)行仿真分析，得到此時(shí)的分離速度與加速度如圖3所示。

圖3 分離速度、分離加速度曲線

圖3中的實(shí)線為分離速度曲線，虛線為分離加速度曲線。從圖中可以觀察到：分離加速度最大處為329.8 m/s2，在0.028 s左右懸掛物與彈射機(jī)構(gòu)分離，此時(shí)分離速度達(dá)到5.61 m/s，滿足國(guó)軍標(biāo)要求。

以上仿真結(jié)果表明，在選取表1所示的并聯(lián)彈簧參數(shù)的情況下，可以使彈射機(jī)構(gòu)適用于400 kg懸掛物的彈射，分離速度可以達(dá)到5.61 m/s，滿足技術(shù)要求。

表1 并聯(lián)彈簧參數(shù)

3.2 減輕彈射過(guò)載優(yōu)化

在達(dá)到同樣分離速度的情況下，彈射行程對(duì)于懸掛物的縱向過(guò)載有著很大的影響。如果縱向過(guò)載較大，將可能對(duì)懸掛物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，影響懸掛物的離機(jī)姿態(tài)，從而影響彈射性能。因此，若以降低懸掛物分離時(shí)的縱向過(guò)載為優(yōu)化目標(biāo)，就必須在保證能達(dá)到同樣分離速度的條件下，使彈射行程盡可能變大。

彈射分離速度是由彈簧壓縮所積蓄的彈性勢(shì)能來(lái)決定的。已知彈性勢(shì)能公式：

(2)

其中：k為彈簧剛度系數(shù)；x為彈簧壓縮量(即為彈射行程)。

為了能保持初始設(shè)計(jì)參數(shù)下6.36 m/s的分離速度，就必須達(dá)到同樣的彈性勢(shì)能。那么在增大彈射行程x的同時(shí)，就需要減小彈簧剛度系數(shù)k。另外，增大彈射行程還需要增大彈簧的最大可壓縮量。由式彈簧剛度系數(shù)公式可知，彈簧的剛度系數(shù)k與線徑d成正比，與直徑D成反比，因此可以保持彈簧自然長(zhǎng)度300 mm以及彈簧總?cè)?shù)16圈不變，只通過(guò)減小彈簧的線徑d以及改變彈簧的直徑D，在縮小彈簧的剛度系數(shù)k的同時(shí)，增大彈簧的最大可壓縮量。由于彈簧線徑變小，其可承受的最大壓縮力也會(huì)變小，所以單個(gè)彈簧可能達(dá)不到強(qiáng)度要求。這時(shí)就需要根據(jù)情況選取適當(dāng)?shù)牟⒙?lián)彈簧組，使其在滿足彈射需求的情況下仍能達(dá)到強(qiáng)度要求。

將初始設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(2)中，可得初始彈性勢(shì)能E0≈1 584 J。當(dāng)確定彈射行程時(shí)，就可以將彈射行程及E0代入式(2)中求得該彈射行程下所需的彈簧剛度系數(shù)。如表2所示，以10 mm為間隔，列舉了六組彈射行程從150 mm到200 mm所對(duì)應(yīng)的彈簧剛度系數(shù)、預(yù)加壓縮力。在ADAMS模型中更改仿真參數(shù)，得到所取彈射行程下的分離速度及加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4、圖5所示，并將最大分離加速度記錄在表2中。

圖4、圖5中由下至上分別對(duì)應(yīng)彈射行程150 mm至200 mm的分離速度及加速度曲線。從圖4可以看出，雖然彈射行程以及對(duì)應(yīng)的彈簧剛度系數(shù)不同，但是懸掛物均能達(dá)到6.36 m/s左右的分離速度。從圖5可以看出，彈射行程越大，所對(duì)應(yīng)的最大分離加速度就越小，所需分離時(shí)間越長(zhǎng)。

表2 不同彈射行程對(duì)應(yīng)分離數(shù)據(jù)

圖4 各彈射行程彈射速度曲線

圖5 各彈射行程彈射加速度曲線

根據(jù)所需的彈射行程選取對(duì)應(yīng)的滿足剛度系數(shù)要求的彈簧。以200 mm的彈射行程為例進(jìn)行彈簧參數(shù)的選擇。

首先假設(shè)單個(gè)彈簧可以滿足設(shè)計(jì)需求。由于此時(shí)彈簧剛度系數(shù)k=79.2 N/mm為已知量，彈簧總?cè)?shù)n0及有效圈數(shù)n以及彈簧的切變模量G都保持設(shè)計(jì)參數(shù)不變，將已知數(shù)據(jù)代入式(1)，可得彈簧內(nèi)徑d與彈簧直徑D的函數(shù)關(guān)系式：

D3=100d4

(3)

為了使彈簧能達(dá)到200 mm的壓縮量，就必須使彈簧的最大壓縮量Δxmax=L-n0×d>200 mm，其中彈簧自然長(zhǎng)度L=300 mm，彈簧總?cè)?shù)n0=16。代入可得d<6.25 mm。

又因?yàn)閺椈删€徑d越小，彈簧的抗壓能力就越差，所以這里取d=6 mm，此時(shí)最大可壓縮量Δxmax=204 mm。將d代入式(3)中，可求得彈簧直徑D≈50.6 mm。

最后再進(jìn)行彈簧強(qiáng)度的檢驗(yàn)。已知預(yù)加壓縮力F=15 840 N，將已知數(shù)據(jù)代入式(2)中，可得此時(shí)彈簧所受切應(yīng)力τ=889.3 MPa。但材料的許用切應(yīng)力[τ]=720 MPa，τ>[τ]。因此，單個(gè)彈簧并不能滿足彈射行程為200 mm時(shí)的需求，必須選取并聯(lián)彈簧組。

設(shè)外置彈簧線徑為d1，直徑為D1，剛度系數(shù)為k1；內(nèi)置彈簧線徑為d2，直徑為D2，剛度系數(shù)為k2。兩彈簧的自然長(zhǎng)度L都為300 mm，壓縮量保持一致。那么此時(shí)設(shè)計(jì)目標(biāo)就變?yōu)椋哼x取符合尺寸要求的并聯(lián)彈簧組，使并聯(lián)后的彈簧總剛度系數(shù)k=k1+k2=79.2 N/mm。

邊界條件d<6.25 mm依然成立，另外彈射桿的壁厚必須在10 mm以上，故有D1-D2≥10 mm。由式(1)可知，在其他條件相近時(shí)，彈簧直徑D越小，剛度系數(shù)k就越大，所以必須選取彈簧參數(shù)使k1

取d1=d2=6 mm，由文獻(xiàn)[5]單個(gè)彈簧的計(jì)算可知，欲使剛度系數(shù)變小必須使彈簧直徑D>50.6 mm。這里取D=70 mm，代入式(1)計(jì)算可得此時(shí)k1=28 N/mm，那么就需要選取內(nèi)置彈簧合適的D2，使k2=k-k1=51.2 N/mm。將已知的k2，d2代入式(1)中，計(jì)算可得此時(shí)D2=57.5 mm，滿足D1-D2≥10 mm的要求。

接下來(lái)需要驗(yàn)證兩彈簧是否滿足強(qiáng)度要求。當(dāng)彈射行程x為200 mm時(shí)，外置彈簧所受壓縮力F1=k1x=5 600 N，內(nèi)置彈簧所受壓縮力F2=k2x=10 240 N。將兩彈簧的參數(shù)分別代入式(2)，可得外置彈簧所受切應(yīng)力τ1=442.5 MPa，內(nèi)置彈簧所受切應(yīng)力τ2=658.2 MPa，且均小于許用切應(yīng)力[τ]。

所以，選用參數(shù)如表3所示的并聯(lián)彈簧組，可以使彈射機(jī)構(gòu)達(dá)到200 mm的彈射行程，并且彈簧組滿足強(qiáng)度要求。從表2中可觀察到，在增加了50 mm的彈射行程后，懸掛物在分離過(guò)程中比文獻(xiàn)[5]設(shè)定的初始設(shè)計(jì)參數(shù)減少了約8.1g的縱向過(guò)載。

表3 并聯(lián)彈簧組參數(shù)

綜上所述，所設(shè)計(jì)的彈射機(jī)構(gòu)可以通過(guò)選取滿足需求的彈簧或者并聯(lián)彈簧組來(lái)增大彈射行程，降低彈簧剛度系數(shù)，使彈射機(jī)構(gòu)能夠在保持彈射分離速度不變的情況下，有效地降低懸掛物分離時(shí)的縱向過(guò)載。

4 結(jié)論

為了提高基于EHA的機(jī)載導(dǎo)彈彈簧蓄能彈射裝置的彈射性能，利用Solidworks建模與ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，進(jìn)行增大彈射負(fù)載，減輕彈射過(guò)載2個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，通過(guò)采用內(nèi)置并聯(lián)彈簧組的方法，可以將彈射負(fù)載從原設(shè)計(jì)參數(shù)的200 kg增至400 kg；通過(guò)增大50 mm的彈射行程，增加并聯(lián)彈簧組，可減小8.1g的縱向分離過(guò)載。本文對(duì)于機(jī)載彈簧蓄能彈射裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化有著較大的參考價(jià)值。