机心体左右导轨的高度差对转管炮驱动性能影响分析

徐 健,薄玉成

(中北大学机电工程学院,山西太原 030051)

就转管炮机心组系统来说,如何在较小的驱动压力下运行显得十分重要。特别是在实际射击过程中,由于巨大的驱动压力,造成有的炮箱凸轮曲线槽压塌、小坑剥落。除了炮箱凸轮曲线槽的设计因素外,现有机心体导轨布局形式也多种多样,有左右导轨形成夹角的,有左右导轨水平的,也有左右导轨一高一低的(也就是本文所说的高度差)。根据研究,不同的机心体导轨布局将对驱动性能产生影响,本文分析机心体左右导轨的布局高度差对驱动性能的影响,力争为转管武器的设计提供一些参考。

1 主滚轮与机心组动力学分析

1.1 主滚轮运动学分析

假设主滚轮相对其自身转轴中心的转动惯量为J,整个机心组质量为m。根据分析[1-2],在回转体作等速回转或回转角加速度不是非常大时,主滚轮将保持纯滚动状态,则滚轮沿凸轮轮廓作纯滚动时的惯性力Fg和惯性力偶矩Mg分别为:

式中:i为回转体到机心组传速比,取决于凸轮曲线槽设计;φ为回转体转角;ωi为回转体角速度;ε1为回转体角加速度;R为主滚轮半径;θ为主滚轮运动的压力角。

1.2 主滚轮与机心组动力学分析

主滚轮受力有凸轮对主滚轮的静摩擦力[1]F,法向正压力N,主滚轮销轴对主滚轮的约束力Tτ,T g,滚子销轴摩擦圆半径ρ0,滚子与销轴无论是做相对滑动还是相对滚动,根据摩擦圆[3]计算公式,ρ0约为销轴半径Rn的0.001～0.1,相对于F的力臂R来讲是高阶小量,在计算时可以略去,如图1所示。

对主滚轮取隔离体,其质心动量矩方程为:

对N的求解得进行机心组系统纵向运动方向整体受力动力学方程的分析。

将F,N投影在机心运动方向形成主动推力N z和垂直于机心运动方向的横向力Nτ:

除离心力引起摩擦力以及机心组切向惯性力引起摩擦力外,其他所有力以及布局如图2所示。在图2中,h为滚轮高度方向中部至导轨的高度;c为机心体横向宽度;b为机心体纵向长度;H为左右导轨的高度差;x0、y0为滚轮偏离机心组质心c m的距离;N5为由Nτ引起的回转体对机心体的支反力;N1、N2为由Nτ引起的导轨支反力;N3、N4为由N z引起的导轨支反力。由文献[4]可知,N1=N2,N3=N4,N5=Nτ。

将所有的力,包括支反力引起的摩擦力以及由惯性力而形成的摩擦力向机心组纵向运动方向投影,对机心组列出轴向运动牛顿第二定律方程[4]:

式中:m为机心组系统质量;a为机心组纵向运动加速度;f为机心组和导轨之间的摩擦系数取 0.1;为机心组前后翻转摩擦力为存在左右导轨高度差H时的机心组左右翻转摩擦力为主滚轮由于偏离机心组质心位置而引起平面翻转摩擦力;fm r1为机心组离心力引起摩擦力;fm r1为机心组切向惯性力引起摩擦力;fNτ为横向力引起的摩擦力。

整理式(7)得:

将式(5)、式(6)代入式(8)求得N为:

2 实例分析

2.1 数值计算

机心组等效公转半径r1=118 mm,滚轮等效公转半径r2=158 mm;m=1.15 kg,结构参数如图2所示,h=30mm,b=80mm,c=60mm,H的初始值为2 mm;R=12.5 mm,内孔半径R n=4 mm,厚度t=6 mm。以外能源拖动到回转体达到等速回转ε1=0 rad◦s-2,但回转体具有不同的ω1为计算条件,设置机心体左右导轨高度差 H∈[0 10]mm进行参数化分析。研究思路是先固定回转体转速,通过设置机心体左右导轨有无高度差,看一周期内滚轮压力变化规律;再研究不同转速下,机心体导轨高度差对滚轮压力峰值的影响,最后以H的上下限为例总结滚轮峰值压力与回转体转速、机心体导轨高度差的关系。结果如图4和图5所示,数值如表1所示。

表1 滚轮压力峰值与回转体转速以及导轨高度差的关系Tab.1 Relationship between main roller pressure peak valuewith rotatory velocity and guide rail altitude difference

2.2 计算结果讨论

对比图4(a)、(b)以及图2可以看出,左右导轨的高度差存在与否不影响主滚轮驱动压力变化规律,峰值压力出现时机仅由炮箱凸轮曲线槽决定,并不受左右导轨高度差影响。

机心体左右导轨高度布局对驱动压力有影响,合理的高度布局才会部分抵消主滚轮驱动压力所带来的翻转力矩,因此从炮尾方向向前看,如果转

某转管炮炮箱凸轮曲线[5]以及压力角随回转角的变化如图3所示。管炮是顺时针旋转,则左侧导轨适宜布局得高一些;反之,若转管炮是逆时针旋转,则右侧导轨适宜布局得高一些,这样才能合理利用高度差。

从图5(a)、(b)和(c)可以看出,随着左右导轨高度差的增大,主滚轮驱动压力峰值单调递减,而且近似呈线性变化。在回转体转速 ω1为 18π、30π、50πrad◦s-1时,峰值压力随高度差曲线斜率分别为-13.1、-36.4和-101.2 N◦mm-1。可见随着回转体转速的提高,单位左右导轨高度差能带来较多的驱动压力峰值的减少。

从表1可以看出,回转体转速较高时,如ω1=50πrad◦s-1,机心体左右导轨高度差能带来明显的驱动压力降低,相差1 012 N,若左右高度差 H更大,则带来驱动压力的降低更加明显。而在回转体转速较低时,如 ω1=15πrad◦s-1,机心体左右导轨的高度差所带来的驱动压力变化不明显,仅相差91 N。也就是说,回转体高速回转的转管炮更适宜布局具有左右高度差的机心体。但由于左右导轨高度变化幅度相同,回转体不同的转速对应的驱动压力峰值之差的百分比保持常值,在本例中为3.938%。可以预见,随着左右导轨高度差的进一步增大,该百分比数值也将单调增大,但必须与结构是否能布局综合考虑。

由于炮箱凸轮曲线槽决定机心组运动规律,因此,合理的炮箱曲线槽[6-7]应放在设计的首位,使得机心组运动规律本身就处于合理的状态,再辅以较好的机心体导轨布局,则更容易驱动。对驱动压力较大的炮箱凸轮曲线槽情形,则更需要合理地利用左右导轨的高度差来部分降低驱动压力。

3 结 论

1)机心体左右导轨的高度差存在与否不影响主滚轮所受驱动压力峰值出现时机。

2)回转体转速较低的转管武器,机心体左右导轨的高度差对驱动压力的影响并不大。但回转体转速较高的转管武器,机心体左右导轨的高度差对驱动压力就有一定的影响。

3)驱动压力峰值与机心体左右导轨的高度差基本呈线性关系且单调递减。回转体转速较高时,驱动压力峰值与机心体左右导轨高度差关系曲线斜率更大。

4)从炮尾方向向前看,如果转管炮是顺时针旋转,则左侧导轨适宜布局得高一些;反之,若转管炮是逆时针旋转,则右侧导轨适宜布局得高一些。这样才能合理利用高度差来降低主滚轮驱动压力。

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