基于RecurDyn的惯性输弹机构故障分析

顾宇涛，姚 忠，俞育新，赵 斌，汪永忠

（1.西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099；2.海军舟山地区装备修理监修室，浙江舟山 316000）

基于RecurDyn的惯性输弹机构故障分析

顾宇涛1，姚 忠1，俞育新2，赵 斌1，汪永忠1

（1.西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099；2.海军舟山地区装备修理监修室，浙江舟山 316000）

针对某转膛自动机惯性输弹机构加速杠杆断裂故障，建立了惯性输弹机构刚柔耦合动力学模型，以试验测得的滑板和撞块位移数据驱动输弹机构，在RecurDyn环境中对输弹过程进行仿真，得到了加速杠杆的应力云图。通过分析应力变化找出了加速杠杆的断裂原因，在此基础上改进了加速杠杆，通过增大加速杠杆过渡圆弧半径，有效降低了加速杠杆在输弹过程中的最大应力。试验结果表明改进后的加速杠杆满足使用要求。

惯性输弹；加速杠杆；RecurDyn

某转膛自动机的输弹方式为杠杆加速的惯性输弹，试验过程中，该输弹机构在第242次输弹时，加速杠杆断裂。基于此，在RecurDyn中建立了惯性输弹机构刚柔耦合动力学模型，通过分析加速杠杆在输弹过程中的应力变化，找出了断裂原因，并进行了加速杠杆的改进设计和试验验证。

1 惯性输弹机构工作原理

某转膛自动机惯性输弹机构如图1所示，由输弹支架、撞块、加速杠杆、滑板和输弹块组成。撞块固定在炮尾上，炮尾沿炮箱导轨后坐、复进；滑板沿着炮尾上的T型导轨后坐、复进；加速杠杆通过销轴与滑板连接，加速杠杆上端插入输弹块的卡槽内，下端在撞块的卡槽内，输弹块沿输弹支架做平移运动。后坐时，滑板带动加速杠杆和输弹块向后运动，撞块跟随炮尾向后运动，当输弹块后坐到某一位置时，拨弹轮把炮弹拨到输弹线a上；复进时，滑板带动加速杠杆和输弹块向前运动，输弹块撞击炮弹使炮弹向前运动，撞块在炮尾的带动下向前运动，其运动速度小于滑板的运动速度，在某一位置，加速杠杆下端与撞块碰撞，加速杠杆绕销轴加速旋转，输弹块迅速推动炮弹使其具有满足卡膛要求的向前运动速度，完成惯性输弹。

2 惯性输弹机构动力学模型

把图1所示某转膛自动机惯性输弹机构的三维模型输入到RecurDyn中，将加速杠杆进行单元划分，使之成为柔性体，并添加相应的接触约束，建立惯性输弹机构的刚-柔耦合动力学分析模型［1-2］。

2.1 接触／碰撞约束

惯性输弹过程是撞块、加速杠杆、输弹块和炮弹的两两互相接触／碰撞过程。在RecurDyn中，接触力的计算是基于改进的Hertz接触理论，计算接触产生的法向接触力公式［3］为

式中：k为接触刚度系数；c为阻尼系数；δ为接触穿透深度；.δ为接触点的相对速度；m1为刚度指数；m2为阻尼指数；m3为凹痕指数。

根据Hertz接触理论和惯性输弹机构特点，仿真分析时参数设定如表1所示［4-5］。

2.2 载荷处理

射击试验中测试得到的滑板和撞块（与炮尾一体）的绝对位移-时间曲线如图2所示，以此两曲线数据分别作为驱动滑板和撞块运动的仿真输入。

在进行输弹机构分析时，不需要考虑炮弹到输弹线之前的运动状态，因此，炮弹到输弹线a的运动采用角位移驱动，驱动的具体表达式为：

其意义为：拨弹轮在0.04s后拨动炮弹向输弹线运动，到0.06s时，拨弹轮转动90°，炮弹运动到输弹线上，等待输弹。

3 惯性输弹仿真分析

3.1 对断裂加速杠杆的仿真分析

根据上述参数设置对断裂的加速杠杆进行惯性输弹过程仿真，惯性输弹机构输弹过程的运动特性如图3所示。

由图3可以看出：输弹块在输弹起始位置接触炮弹以后，撞击炮弹使炮弹获得向前运动的速度，炮弹在运动过程中受拨弹轮边缘和输弹槽约束，并与拨弹轮边缘和输弹槽发生碰撞，炮弹的运动速度降低，输弹块在滑板和加速杠杆的作用下追上炮弹，对炮弹进行第二次撞击加速，如此反复，直到惯性输弹中的强制阶段结束。断裂的加速杠杆应力云图如图4所示。

从图4可以看出，加速杠杆承受应力较大的部位如图中的A、B、C、D4个区域，在此4个区域上选取最大应力节点分别是node 50221、node 50219、node 50381、node 50390，按照mises强度理论［6］，这4个节点在输弹过程中的应力变化如图5所示。

图3、图4和图5共同分析可知：在0.03s时加速杠杆带动输弹块开始运动；输弹块在0.048s时与撞块左侧碰撞；在0.055s时到达其后坐极限位置，然后开始复进；在0.074s时与炮弹接触，开始输弹；在0.076s时与撞块右侧碰撞并加速输弹；在0.084s时输弹块和加速杠杆出现短暂相对静止；在0.09s后加速杠杆在输弹块和撞块共同作用下做振荡运动，A、B、C、D4个区域分别承受交变作用力。

加速杠杆带动输弹块单独运动时，加速杠杆的应力约为160MPa；在输弹时加速杠杆应力很大，长时间不小于600MPa，最大应力出现在加速杠杆与撞块碰撞时刻，最大应力达到了1 396MPa，大于加速杠杆材料PCrNi3MoVA的σ0.1值1 310MPa（870℃淬火，500℃回火）［7］；输弹结束后，加速杠杆在输弹块和撞块作用下振荡，应力峰值约为350 MPa。加速杠杆输弹时最大应力超出了材料的屈服强度，这是其在第242次输弹时断裂的根本原因。

3.2 改进后的加速杠杆仿真分析

加速杠杆断裂后，对其进行了改进设计。改进设计的依据是对断裂加速杠杆的分析结果和输弹机构的结构特点，改进措施是将A、B、C、D处的过渡圆弧半径由15mm增大至25mm，其他不变（受已有结构限制，加速杠杆的厚度和宽度不能增加），质量增加2.6g。

采用相同的参数设置对改进后的加速杠杆进行仿真分析，仿真结果如图6、图7和图8所示。

由图6可以看出输弹机构的输弹过程运动特性与加速杠杆改进前相似。图7显示的是改进后的加速杠杆与撞块碰撞时刻的应力云图，在图中所示的E、F、G、H4个区域选取最大应力节点node 50270、node 50542、node 50212、node 50317，按照mises强度理论［6］，这4个节点在输弹过程中的应力变化如图8所示。

图6、图7和图8共同分析可知：输弹运动过程以及加速杠杆上4个区域应力变化趋势和改进前相似，不同之处在于：改进后的加速杠杆带动输弹块单独运动时，加速杠杆的应力约为160MPa；在输弹时加速杠杆应力峰值约为400～500MPa，最大应力出现在加速杠杆与撞块碰撞时刻，最大应力为1 022MPa，小于加速杠杆材料PCrNi3MoVA的σ0.1值1 310MPa（870℃淬火，500℃回火）［7］；输弹结束后，加速杠杆在输弹块和撞块作用下振荡，应力峰值约为300MPa。

4 结 论

改进后的加速杠杆目前共完成输弹583次，保持完好。输弹块和加速杠杆在0.09s后的振荡通过高速摄像得到了验证。通过增大加速杠杆的过渡圆弧，有效的降低了最大应力，提高了强度，增加了寿命，而质量仅增加了2.6g，占加速杠杆总质量的2%，可以忽略不计。

此外，该分析方法基于试验测试数据，分析结果比较可靠。采用此方法可以降低理论分析的难度，易于掌握，应用于零件强度的验证分析和零件的改进设计有一定的优势。

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Faults Analysis of the Inertia Ramming Mechanism Based on RecurDyn

GU Yutao1，YAO Zhong1，YU Yuxin2，ZHAO Bin1，WANG Yongzhong1

（1.Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China；2.Navy Equipment Repair Monitor Department of Zhoushan District，Zhoushan 316000，Zhejiang，China）

In view of the breakage fault of accelerating lever in revolving chamber automatic mechanism inertia ramming mechanism，a rigid-flexible coupled dynamics model of inertia ramming mechanism was established.By use of the displacement data obtained from sliding board and impact block to drive the inertia ramming mechanism，the ramming process was simulated with the help of RecurDyn to obtain stresses nephogram of the accelerating lever.The breakage reason of accelerating lever was found out by means of analyzing changes of stress.Based on this，the design of the accelerating lever was improved，and the maximum stress of accelerating lever was effectively decreased during the ramming process by enlarging the round radius.The results of projectile ramming test showed that the improved accelerating lever can meet the operational requirements.

inertia ramming mechanism；accelerating lever；RecurDyn

TJ301

A

1673-6524（2014）02-0065-05

2014-01-02；

2014-03-25

顾宇涛（1980-），男，工程师，主要从事火炮设计技术研究。E-mail：neu992200＠sina.com