藥倉推藥鏈故障仿真研究

管佳偉，李志剛，潘潤超

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

彈藥自動裝填技術(shù)是目前火炮發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]，自動化藥倉是自動裝填系統(tǒng)的重要組成部分，主要負責存儲和輸送模塊藥，而輸送模塊藥工作主要由藥倉中推藥鏈系統(tǒng)完成。藥倉推藥鏈是一種典型的鏈傳動系統(tǒng)，具有多邊形效應[2]，在傳動過程中會產(chǎn)生沖擊和周期性動載荷，傳動速度具有不均勻性。對于鏈傳動運動學和動力學特性的研究，常晨雨等[3]利用Adams對推煤機構(gòu)中的牽引鏈進行動力學和運動學仿真，獲得了牽引鏈的相關(guān)運動特性；倪健健等[4]利用Adams對某送料機構(gòu)進行動力學仿真，分析了鏈傳動過程中的振動和載荷情況，為后期有限元分析提供一定的理論依據(jù)；王文龍[5]利用多體動力學軟件RecurDyn對煤礦傳送裝置中的鏈傳動系統(tǒng)進行動力學分析，獲得了鏈節(jié)與鏈輪輪齒之間的沖擊力分布圖，為鏈傳動的沖擊振動研究提供理論參考；Radu Velicu等[6]對汽車工業(yè)中的鏈傳動進行動力學分析研究，得出鏈輪的設計取決于鏈輪與鏈條之間的接觸半徑和接觸角，并提出了優(yōu)化鏈輪設計的方案；曾慶良等[7]等在ANAYS中建立刮板輸送鏈有限元模型，并進行動力學分析，得到了鏈傳動在不同轉(zhuǎn)速下的動力學響應，根據(jù)分析結(jié)果對輸送鏈提出了一些優(yōu)化建議。與其他一般的鏈傳動相比，由于火炮的工作環(huán)境更加惡劣，尤其在作戰(zhàn)情況下，周圍會有大量塵土和砂石，會引起鏈傳動潤滑條件發(fā)生變化，導致推藥鏈在傳動過程中出現(xiàn)磨損故障。對于鏈傳動磨損故障方面的研究，徐偉通等[8]采用RecurDyn軟件對正常狀態(tài)和磨損狀態(tài)下的扶梯驅(qū)動鏈系統(tǒng)進行仿真研究，分析結(jié)果表明磨損后鏈傳動動載荷增大；Perawat Thongjitr等[9]對滾子鏈的表面硬度和耐磨性進行試驗研究，研究結(jié)果表明表面硬化可以提高滾子鏈的耐磨性，并且具有較好的抗剪強度和韌性；朱榮濤[10]對煤礦刮板運輸機中鏈傳動系統(tǒng)的零部件磨損機理進行研究，得出了產(chǎn)生磨損的內(nèi)在原因，并提出了相應的應對措施。

本文利用Adams與Matlab對正常狀態(tài)、滾輪磨損狀態(tài)、鏈輪磨損狀態(tài)以及兩種磨損狀態(tài)同時存在下的藥倉推藥鏈系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真，獲得了多種磨損故障下藥倉推藥鏈系統(tǒng)響應特性，通過對仿真結(jié)果進行對比分析，可以為藥倉推藥鏈磨損故障的診斷和預測提供理論依據(jù)。

1 藥倉推藥鏈系統(tǒng)工作原理

整個藥倉推藥鏈系統(tǒng)由推藥電機、減速器、編碼器、主動鏈輪、從動鏈輪、鏈節(jié)、滾輪、銷軸、推藥鏈頭、滾輪定位板和藥筒等組成。推藥鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主動鏈輪內(nèi)孔與減速器傳動軸相連，推藥電機與減速器相連接，當需要進行推藥工作時，推藥電機會接收到指令開始轉(zhuǎn)動，為主動鏈輪提供驅(qū)動力矩，主動鏈輪與鏈條嚙合，從而帶動整個推藥鏈工作，同時從動鏈輪也會跟著轉(zhuǎn)動，從動鏈輪內(nèi)孔與編碼器軸相連，編碼器會實時反饋從動鏈輪的角位移給控制系統(tǒng)，以保證推藥動作的控制精度。鏈條運動同時也會帶動推藥鏈頭運動，鏈頭在運動的過程中會推動藥筒內(nèi)的模塊藥，將模塊藥推入藥協(xié)調(diào)器中，再由藥協(xié)調(diào)器將模塊藥送入炮膛內(nèi)，完成發(fā)射藥的自動裝填。

圖1 推藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 藥倉推藥鏈聯(lián)合仿真模型建立

對藥倉推藥鏈進行聯(lián)合仿真首先要建立藥倉推藥鏈動力學模型，根據(jù)藥倉推藥鏈的實物構(gòu)造，在SolidWorks軟件中創(chuàng)建藥倉推藥鏈三維模型，對模型進行適當簡化后將其保存成x_t文件格式，在Adams中導入藥倉推藥鏈三維模型，賦給每個零件材料，根據(jù)各個零部件的裝配關(guān)系建立約束副，以及接觸關(guān)系，設置相應的參數(shù)[11]。模型各部件拓撲關(guān)系為：鏈節(jié)之間通過轉(zhuǎn)動副連接，滾輪和鏈節(jié)之間也通過轉(zhuǎn)動副連接，滾輪定位板與大地為固定副連接，主動鏈輪、從動鏈輪與大地為轉(zhuǎn)動副連接。

對于藥倉推藥鏈控制系統(tǒng)模型的建立，選擇Matlab軟件中的Simulink模塊，將Adams中的模型導出為Simulink機械子系統(tǒng)模塊，結(jié)合Simulink中的控制模塊搭建聯(lián)合仿真系統(tǒng)，如圖2所示，采用工程上常用的PID控制算法對藥倉推藥鏈進行控制[12]。將從動鏈輪角位移理想曲線與實際的角位移曲線誤差作為控制量，調(diào)整主動鏈輪端的力矩大小。理想軌跡曲線如圖3所示，屬于s型軌跡，將藥筒內(nèi)所有的模塊藥推入藥協(xié)調(diào)器中，從動鏈輪轉(zhuǎn)過的角度為33 rad。模塊藥與藥筒之間的摩擦阻力作為負載作用于鏈條鏈頭端。在仿真過程中，對鏈條的系統(tǒng)響應進行檢測，并將數(shù)據(jù)輸出，如從動鏈輪角速度和角加速度，以及從動鏈輪軸端受力情況。

圖2 聯(lián)合仿真系統(tǒng)模型線路圖

圖3 理想軌跡曲線

3 正常狀態(tài)下藥倉推藥鏈聯(lián)合仿真分析

完成聯(lián)合仿真系統(tǒng)搭建后，對藥倉推藥鏈進行仿真，設置仿真時間為3 s，Adams與Simulink之間數(shù)據(jù)交互間隔為0.005 s，選用變步長仿真。仿真結(jié)束后對仿真結(jié)果進行分析，通過Simulink中的數(shù)據(jù)記錄模塊采集推藥鏈的運動和動力學特性，結(jié)果如圖4～圖6。

圖4 從動鏈輪角速度曲線

由圖4可得，依據(jù)理想軌跡對鏈條運動進行控制，從動鏈輪從0.75 s開始加速，到1.25 s時勻加速段結(jié)束，1.25 s到1.75 s時間段屬于勻速運動階段，由于受鏈傳動多邊形效應影響，角速度并不是恒定的，在33rad/s附近上下波動，且速度變化具有一定的周期性，進而驗證了本次仿真的正確性，1.75 s到2.25 s是勻減速運動階段，速度降至零。從動鏈輪的整個角速度變化曲線與理想軌跡速度曲線基本貼合，速度波動較小，運動平穩(wěn)。

圖5為從動鏈輪角加速度曲線，在從動鏈輪發(fā)生轉(zhuǎn)動階段，由于受多邊形效應影響，鏈輪的轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)加速減速的周期性變化[13]，所以其角加速度曲線與理想的角加速度曲線相差較大，而且鏈條在與鏈輪嚙合時也存在一些沖擊性的加速度，圖中加速度絕對值的最大值為4 628 rad/s2。

圖6為從動鏈輪軸受力曲線，因為鏈條發(fā)生運動是從0.75 s開始到2.25 s結(jié)束的，為了便于觀察，取該時間段內(nèi)的從動鏈輪軸受力曲線進行研究。從受力曲線上也可以明顯的看出鏈傳動的多邊形效應，受力波形變化由小到大具有一定的周期性。并且從動鏈輪軸每一次受力從零開始到達峰值，最后又回到零，變化過程平滑，沒有突變的情況，也反映出鏈條在運動過程中比較平穩(wěn)。在1.42 s時，從動鏈輪軸端受力最大值為958.8 N。

圖6 從動鏈輪軸受力曲線

4 藥倉推藥鏈故障狀態(tài)聯(lián)合仿真分析

在一般的鏈傳動工作過程中，鏈條上的滾輪(滾子)會反復與鏈輪進行嚙合，并且受多邊形效應影響，兩者在嚙合過程中會不可避免的出現(xiàn)沖擊碰撞，久而久之，滾輪和鏈輪會出現(xiàn)一定的磨損情況。除此之外，鏈傳動過程中，鏈條上的滾輪除了與鏈輪進行嚙合，還會與上下滾輪定位板發(fā)生接觸，這也會導致滾輪出現(xiàn)磨損的情況。更重要的是，作為火炮自動化藥倉的一部分，在火炮進行射擊時，會產(chǎn)生強烈的沖擊波，使得周圍的塵土砂石到處飛揚，這就導致藥倉推藥鏈條中不可避免的混入一些雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)會進一步加劇鏈條上滾輪和鏈輪的磨損。滾輪和鏈輪是推藥鏈最重要的2個部件，一旦出現(xiàn)磨損，就會影響推藥鏈的推藥精度，會引起推藥卡滯，推藥不到位等情況，對整個自動裝填系統(tǒng)性能造成影響。

4.1 滾輪磨損故障注入及仿真分析

磨損是零部件常見的失效形式，通常意義上是指零部件的幾何尺寸因為機械作用而減小，導致其失去基本工作性能，而造成機械故障。由于磨損是一個復雜的隨機過程，為了方便研究，針對滾輪磨損故障研究時，假設在推藥鏈工作過程中，從動鏈輪沒有出現(xiàn)磨損情況，磨損只存在于滾輪上，且鏈條上滾輪的磨損是均勻的[14]。當滾輪出現(xiàn)磨損時，滾輪直徑會減小，直徑的減小量即為滾輪的磨損量。對三維仿真模型上的滾輪尺寸進行修改，模擬滾輪磨損故障。

在三維仿真模型中注入不同磨損量的滾輪磨損故障，采用同樣的控制策略，保持其他參數(shù)不變的情況下進行聯(lián)合仿真，獲得滾輪磨損故障下藥倉推藥鏈相關(guān)運動特性，從中選取具有代表性的運動特性圖進行分析，如圖7～圖9所示，為滾輪磨損0.9 mm時的推藥鏈運動特性圖。

圖7為滾輪磨損0.9 mm后推藥鏈條工作過程中從動鏈輪角速度曲線圖，從動鏈輪的角速度曲線的整體趨勢與理想速度軌跡相符，但與正常狀態(tài)下的推藥鏈從動鏈輪角速度曲線相比，單位時間內(nèi)的速度變化幅度更大，鏈傳動多邊形效應被放大，速度最小值出現(xiàn)了負值情況，最大值也超過了40 rad/s，達到了47 rad/s，說明整個推藥鏈運動過程很不平穩(wěn)，時快時慢，抖動情況明顯。此外，當時間到2.25 s后，鏈條的運動仍沒有停止，從動鏈輪的速度一直在零刻度附近波動，這是由于滾輪磨損導致推藥鏈運動無法滿足精度要求，仿真中從動鏈輪無法停止在末位，存在穩(wěn)態(tài)誤差。由此可以預測，當重復進行推藥工作時，誤差會不斷累加，最終會導致推藥鏈推藥動作出現(xiàn)錯誤。

圖7 滾輪磨損后從動鏈輪角速度曲線圖

圖8 滾輪磨損后從動鏈輪角加速度曲線圖

圖9 滾輪磨損后從動鏈輪軸受力曲線圖

根據(jù)從動鏈輪的角加速度曲線也可以看出滾輪磨損后鏈條運動極其不平穩(wěn)，如圖8所示，從動鏈輪角加速度有明顯的突變，且角加速度曲線上的絕對值峰值為31 420 rad/s2是正常情況下的6.79倍。這主要是因為滾輪磨損后，鏈條在與鏈輪發(fā)生嚙合時兩者之間的間隙增大，從而會產(chǎn)生了沖擊加速度。間隙的增大同時也對從動鏈輪軸的受力造成了影響，如圖9可知，滾輪與鏈輪之間間隙增大，兩者在進行嚙合時，會產(chǎn)生多次碰撞，即出現(xiàn)反復嚙合的情況，導致原本正常狀態(tài)下的從動鏈輪受力單峰變成了多峰的情況，曲線也不再平滑，峰值變化頻率較高。雖然磨損后的從動鏈輪軸受力曲線上的最值與正常狀態(tài)下從動鏈輪受力曲線的最值相近，但峰值的變化已經(jīng)沒有明顯的周期性。

4.3 鏈輪磨損故障注入及仿真分析

在推藥鏈三維仿真模型中注入鏈輪磨損故障，對鏈輪上輪齒的外廓進行修改，如圖10中黑色實線是鏈輪磨損前的輪齒外廓，虛線表示鏈輪磨損后的外廓。隨著鏈輪上磨損量的不斷增大，其齒溝圓半徑也會不斷增大[15]。

圖10 鏈輪磨損示意圖

在藥倉推藥鏈仿真模型中注入不同磨損量的鏈輪磨損故障，在其他條件不變的情況下對其進行聯(lián)合仿真，獲得了鏈輪磨損故障下的推藥鏈相關(guān)運動特性，為了提高可比性，在保證與滾輪磨損量相同的條件下，選取其中具有代表性的運動特性曲線進行分析，如圖11～圖13所示，為鏈輪磨損0.9 mm時的藥倉推藥鏈運動特性曲線圖。

圖11 鏈輪磨損后從動鏈輪角速度曲線

圖11為鏈輪磨損0.9 mm后角速度曲線圖，整體趨勢變化基本符合理想規(guī)劃速度曲線，但速度變化幅度較大，在1.61 s時，曲線上的角速度最大值達到了61 rad/s，幾乎是同時刻理想速度值的2倍，在2 s附近存在角速度最小值為 -8.7 rad/s。由此可知鏈輪磨損后，整個鏈條工作過程波動明顯，運動不平穩(wěn)。對比滾輪磨損后從動鏈輪角速度曲線變化，鏈輪磨損后的角速度曲線在鏈傳動系統(tǒng)剛啟動后的一小段時間內(nèi)變化幅度較小，而滾輪磨損后的角速度曲線在一開始就出現(xiàn)明顯抖動，說明磨損量相同時，鏈輪磨損比滾輪磨損啟動階段的推藥鏈運動更加平穩(wěn)。這是因為雖然鏈輪磨損了，但在鏈條剛開始運動時的一小段時間內(nèi)，滾輪與鏈輪之間不存在嚙合間隙，與正常狀態(tài)下的鏈條傳動相同，只有當后面的滾輪與鏈輪進行嚙合時，速度才表現(xiàn)出不穩(wěn)定的情況。除此之外，鏈輪磨損后推藥鏈運動到達末端位置的精度比滾輪磨損后到達末端位置的精度更高，因為鏈輪磨損后的從動鏈輪角速度到達末位后波動幅度較小。

圖12 鏈輪磨損后從動鏈輪角加速度曲線

圖13 鏈輪磨損后滾輪與鏈輪嚙合示意圖

圖14 鏈輪磨損后從動鏈輪軸受力曲線圖

鏈輪磨損后，在1.18 s時，是從動鏈輪角加速度的最大絕對值為23 640 rad/s2，如圖12所示，是正常狀態(tài)下從動鏈輪角加速度最大絕對值的5.1倍，接近滾輪磨損情況下的從動鏈輪角加速度最大絕對值，但是與滾輪磨損時的從動鏈輪角加速度曲線對比，鏈輪磨損后的從動鏈輪角加速度曲線上的出現(xiàn)峰值的次數(shù)更多，這表明鏈輪磨損后，滾輪與鏈輪嚙合時產(chǎn)生沖擊加速度的頻率更高。這是因為鏈輪磨損后，鏈輪齒溝圓半徑增大，如圖13所示，滾輪與鏈輪的嚙合精度下降，嚙合時滾輪無法準確固定在鏈輪齒槽內(nèi)，會出現(xiàn)滑移的現(xiàn)象。圖14為鏈輪磨損后從動鏈輪軸受力曲線圖，圖中受力曲線的峰值為1 125 N，比正常狀態(tài)和滾輪磨損狀態(tài)時的值更高一些。雖然受力不均勻性明顯，與相同磨損量下滾輪磨損后從動鏈輪軸的受力曲線要好一些，受力峰值變化頻率小。

4.4 兩種故障模式同時存在仿真分析

分別對滾輪磨損和鏈輪磨損下的推藥鏈運動進行仿真分析后，考慮兩種磨損故障同時存在的情況。由于磨損故障比較復雜，為了便于分析，對不同磨損量下的復合磨損故障進行仿真時，保持滾輪磨損量和鏈輪磨損量是相同的。從多組磨損量仿真分析結(jié)果中選取一組具有代表性的藥倉推藥鏈運動特性曲線進行分析，本文中，為了便于對比分析，選取滾輪和鏈輪磨損量均為0.9 mm，仿真結(jié)果如圖15～圖17。

圖15 復合磨損下從動鏈輪角速度曲線圖

圖15為復合磨損下從動鏈輪角速度曲線圖，在復合磨損情況下，鏈輪角速度在運動開始就出現(xiàn)明顯的抖動，并且在運動結(jié)束段，速度仍然波動，說明鏈條運動精度較差，與滾輪單獨磨損時的運動特性一致。復合磨損時，雖然能完成整個推藥動作，角速度變化曲線與理想曲線相差較大，復合磨損下的從動鏈輪角速度最大值為78rad/s，與其他兩種磨損模式單獨存在時相比，角速度變化幅度更大。圖16為復合磨損時從動鏈輪角加速度曲線圖，在復合磨損下，從動鏈輪角加速度絕對值最大值達到了33 660 rad/s2是正常狀態(tài)下從動鏈輪角加速度絕對值最大值的7.27倍，接近相同磨損量下滾輪磨損后的從動鏈輪角加速度曲線。但相比滾輪磨損時的角加速度曲線，復合磨損下從動鏈輪角加速度曲線出現(xiàn)峰值的頻率更高，與鏈輪磨損時的運動特性相符。

圖16為從動鏈輪軸受力曲線圖，圖中主動鏈輪軸受力峰值為1 326 N，比正常狀態(tài)和滾輪磨損狀態(tài)下從動鏈輪軸所受的力大很多，相比磨損量為0.9 mm時的鏈輪磨損，雖然兩者鏈輪磨損量相同，但由于滾輪磨損的加入，從動鏈輪軸上產(chǎn)生的力變得更大。原本在正常狀態(tài)下受力曲線上的單峰被分解為多個峰，且峰值變化頻率較高，與滾輪磨損時的從動鏈輪軸受力曲線相符合，鏈輪與滾輪嚙合時存在反復碰撞，受力不均勻性明顯。

圖16 復合磨損下從動鏈輪角加速度曲線圖

5 結(jié)論

通過聯(lián)合仿真，獲得了兩種故障模式獨立存在與同時存在時藥倉推藥鏈的運動學和動力學特性。仿真結(jié)果表明兩種故障模式都會導致推藥鏈運動不平穩(wěn)，從動鏈輪軸端的受力不均勻性明顯，推藥鏈的整體工作性能下降。即使在相同的磨損量下，兩種磨損故障對推藥鏈運動性能的影響仍有不同之處，滾輪磨損時，推藥鏈推藥動作到達末位時會出現(xiàn)抖動情況，到位精度更低，受力不均勻性更加明顯；而鏈輪磨損狀態(tài)下，在鏈運動起始階段從動鏈輪角速度變化幅度較小，但隨著推藥運動的進行會逐漸增大，相比同等磨損量下的滾輪磨損故障，鏈輪磨損后從動鏈輪在鏈傳動過程中沖擊加速度的頻率更高；當兩種磨損故障同時存在時，推藥鏈會具備兩種故障模式下的運動特性，工作性能更差。

采用虛擬樣機技術(shù)對自動裝填系統(tǒng)中藥倉推藥鏈所存在的磨損故障進行模擬仿真，可以獲得推藥鏈磨損狀態(tài)下的系統(tǒng)工作特性，可以為以后推藥鏈磨損故障的預測和診斷提供可靠的理論依據(jù)，對推藥鏈的日常維護工作有參考價值。