兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11): 4133-4144.doi: 10.12382/bgxb.2024.0698
收稿日期:
2024-08-14
上线日期:
2024-11-26
通讯作者:
基金资助:
LIU Taisu1,2, YIN Qiang2,*(), LI Yong3, ZHANG Yuntian2
Received:
2024-08-14
Online:
2024-11-26
摘要:
考虑到装填系统轨道输送链具有链节大、负载大、速度大的特殊性,提出一种基于相对坐标法和板单元离散方式的刚柔耦合动力学建模方法。利用邻接体的相对运动关系推导出运动学方程及体坐标与铰坐标的转化关系,建立广义坐标为独立铰坐标的动力学方程。利用有限元方法,基于板单元理论将链节和弹筒离散化,以链节为例建立单个链节的刚柔耦合动力学方程,随后通过刚-柔运动约束形式,利用增广方程形式,建立轨道输送链系统的刚柔耦合动力学方程。基于此方法,建立某弹仓(闭式轨道输送链)轨道输送链和弹筒的刚柔耦合动力学方程,并在不同工况下将基于板单元离散的数值仿真与实验结果进行对比。基于建立的刚柔耦合动力学模型,分析弹仓传动构件支撑刚度、轨道间隙等因素对弹仓系统的影响。研究结果表明:数值仿真结果与实验结果的趋势基本一致;支撑刚度对系统动态响应的影响程度取决于动力系统的结构形式和受力形式;轨道间隙的变化对系统的动态特性具有较大的影响,在工程应用中需要合理控制间隙;上下轨道错位对弹仓动态特性影响较大,需要合理控制加工装配精度。
中图分类号:
刘太素, 尹强, 李勇, 张云添. 链式回转弹仓刚柔耦合动力学建模及特性分析[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 4133-4144.
LIU Taisu, YIN Qiang, LI Yong, ZHANG Yuntian. Rigid-flexible Coupling Dynamic Modeling and Characteristics Analysis of a Rotational Chain Magazine[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(11): 4133-4144.
构件 名称 | 质量/kg | 惯量/(kg·m2) | ||
---|---|---|---|---|
Ixx | Iyy | Izz | ||
链轮 | 16.629 | 2.00 | 2.00 | 1.82×10-2 |
链节 | 0.152 | 1.93×10-4 | 2.01×10-4 | 9.73×10-6 |
弹筒 | 8.58 | 0.791 | 0.807 | 3.11×10-2 |
滚轮 | 5.35×10-2 | 5.20×10-6 | 5.20×10-6 | 8.31×10-6 |
弹丸 | 45.1 | 2.48 | 2.48 | 0.168 |
表1 构件的质量、惯量参数
Table 1 Mass and inertia parameters of components
构件 名称 | 质量/kg | 惯量/(kg·m2) | ||
---|---|---|---|---|
Ixx | Iyy | Izz | ||
链轮 | 16.629 | 2.00 | 2.00 | 1.82×10-2 |
链节 | 0.152 | 1.93×10-4 | 2.01×10-4 | 9.73×10-6 |
弹筒 | 8.58 | 0.791 | 0.807 | 3.11×10-2 |
滚轮 | 5.35×10-2 | 5.20×10-6 | 5.20×10-6 | 8.31×10-6 |
弹丸 | 45.1 | 2.48 | 2.48 | 0.168 |
空载、半载 与满载 | 板单元计算结果与 实验的误差 | 实体单元计算结果与 实验的误差 |
---|---|---|
空载 | 0.8925 | 0.9038 |
半载 | 0.9362 | 0.9393 |
满载 | 0.9647 | 0.9676 |
表2 不同柔性单元类型计算结果与实验的误差
Table 2 Errors between calculated and experimental results for different types of flexible units
空载、半载 与满载 | 板单元计算结果与 实验的误差 | 实体单元计算结果与 实验的误差 |
---|---|---|
空载 | 0.8925 | 0.9038 |
半载 | 0.9362 | 0.9393 |
满载 | 0.9647 | 0.9676 |
输入参数 | 名义值 | 输入参数 | 名义值 |
---|---|---|---|
滚轮半径/mm | 15 | 链轮轴轴承支撑刚度/(N·m-1) | 5×109 |
链节长度/mm | 30 | 滚轮-轨道间隙/mm | 0.3 |
弹筒-弹丸间隙/mm | 0.5 | 链轮槽半径/mm | 15.5 |
滚轮与链轮的摩擦系数 | 0.3 | 弹性模量/MPa | 2.1×105 |
滚轮与轨道的摩擦系数 | 0.3 | 泊松比 | 0.3 |
上轨道纵向初始位置/mm | 0 | 下轨道纵向初始位置/mm | 0 |
上轨道横向初始位置/mm | 0 | 下轨道横向初始位置/mm | 0 |
表3 弹仓输入参数
Table 3 Nominal values of magazine input parameters
输入参数 | 名义值 | 输入参数 | 名义值 |
---|---|---|---|
滚轮半径/mm | 15 | 链轮轴轴承支撑刚度/(N·m-1) | 5×109 |
链节长度/mm | 30 | 滚轮-轨道间隙/mm | 0.3 |
弹筒-弹丸间隙/mm | 0.5 | 链轮槽半径/mm | 15.5 |
滚轮与链轮的摩擦系数 | 0.3 | 弹性模量/MPa | 2.1×105 |
滚轮与轨道的摩擦系数 | 0.3 | 泊松比 | 0.3 |
上轨道纵向初始位置/mm | 0 | 下轨道纵向初始位置/mm | 0 |
上轨道横向初始位置/mm | 0 | 下轨道横向初始位置/mm | 0 |
刚度/ (N·m-1) | 链轮角位移 (2.5s)/rad | 链轮横向位移 (2.07s)/m | 链轮横向速度 (2.043s)/(m·s-1) |
---|---|---|---|
5×106 | 3.9886 | -2.64×10-5 | 0.0184 |
5×109 | 3.9837 | -7.33×10-5 | 1.87×10-5 |
5×1010 | 3.9824 | -7.34×10-5 | 2.7×10-6 |
表4 支撑刚度对链轮运动的影响结果
Table 4 The influence of support stiffness on the sprocket motion
刚度/ (N·m-1) | 链轮角位移 (2.5s)/rad | 链轮横向位移 (2.07s)/m | 链轮横向速度 (2.043s)/(m·s-1) |
---|---|---|---|
5×106 | 3.9886 | -2.64×10-5 | 0.0184 |
5×109 | 3.9837 | -7.33×10-5 | 1.87×10-5 |
5×1010 | 3.9824 | -7.34×10-5 | 2.7×10-6 |
间隙/ mm | 弹筒1 位移 (3.0s)/ m | 弹筒1 横向位移 (3.0s)/ m | 弹筒1 横向速度 (2.0s)/ m | 弹筒1转 动角位移 (3.0s)/ m | 弹筒1转 动角速度 (3.0s)/ m |
---|---|---|---|---|---|
0.1 | 0.3029 | -0.04672 | 0.03141 | -0.40068 | 0.02719 |
0.3 | 0.3109 | -0.04563 | 0.04223 | -0.46204 | -0.02007 |
0.5 | 0.3123 | -0.04515 | 0.04711 | -0.45678 | 0.01377 |
0.8 | 0.3124 | -0.04435 | 0.03350 | -0.46381 | -0.00474 |
1.0 | 0.3125 | -0.04379 | 0.03930 | -0.45623 | 0.01454 |
1.5 | 0.3126 | -0.04316 | 0.04355 | -0.45127 | 0.02767 |
表5 轨道间隙对弹筒运动的影响结果
Table 5 The influence of rail clearance on the magazine barrel motion
间隙/ mm | 弹筒1 位移 (3.0s)/ m | 弹筒1 横向位移 (3.0s)/ m | 弹筒1 横向速度 (2.0s)/ m | 弹筒1转 动角位移 (3.0s)/ m | 弹筒1转 动角速度 (3.0s)/ m |
---|---|---|---|---|---|
0.1 | 0.3029 | -0.04672 | 0.03141 | -0.40068 | 0.02719 |
0.3 | 0.3109 | -0.04563 | 0.04223 | -0.46204 | -0.02007 |
0.5 | 0.3123 | -0.04515 | 0.04711 | -0.45678 | 0.01377 |
0.8 | 0.3124 | -0.04435 | 0.03350 | -0.46381 | -0.00474 |
1.0 | 0.3125 | -0.04379 | 0.03930 | -0.45623 | 0.01454 |
1.5 | 0.3126 | -0.04316 | 0.04355 | -0.45127 | 0.02767 |
影响因素 | 到位角位移/rad |
---|---|
参考值 | 3.91195 |
上轨道纵向远离链轮 | 3.89348 |
上轨道纵向靠近链轮 | 3.77134 |
下轨道纵向远离链轮 | 3.92077 |
下轨道纵向靠近链轮 | 3.87183 |
轴向偏转 | 3.69871 |
横向偏转 | 3.91233 |
横向错位 | 3.9314 |
纵向偏转 | 3.9236 |
表6 轨道错位对链轮角位移到位的数值结果
Table 6 The effect ofrail misalignment on the angular displacement in place of the sprocket
影响因素 | 到位角位移/rad |
---|---|
参考值 | 3.91195 |
上轨道纵向远离链轮 | 3.89348 |
上轨道纵向靠近链轮 | 3.77134 |
下轨道纵向远离链轮 | 3.92077 |
下轨道纵向靠近链轮 | 3.87183 |
轴向偏转 | 3.69871 |
横向偏转 | 3.91233 |
横向错位 | 3.9314 |
纵向偏转 | 3.9236 |
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