某输弹机可靠性强化试验台设计及仿真研究

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可靠 性 强化 试 验 能够 弥补 传 统 的可 靠性 试验 技 术在 Et，j间 和 经 费 上 不 能 与 机 械 系 统 研 制 需 求 相 适 应 的 不足 。由 于 国 外 对 我 国 的 技 术 封 锁 ，大 大 限 制 了可 靠 性 强化 试 验 技 术 在 国 内的 发 展 1]。因此 研 制 开 发 具 有 我 国自主知识 产 权 的可 靠性 强 化试 验设 备 以及试 验技 术 具有 紧 迫 性 和 必 要 性 。

本 文 从 机 械 系 统 可 靠 性 强 化 试 验 理 论 和 技 术 方 面进 行探 索 。提 出 了- 种从 系统 层 面评 价 被试 系 统可 靠性 指标 的 可靠 性强 化 试验 方 法-- 系统 可靠 性 强化 试验 方 法 . 针 对 某 输 弹 机 进 行 了 可 靠 性 强 化 试 验 方 案 研究 ，设 计 了 其 专 用 试 验 台 ，重 点 对 动 力 系 统 进 行 设 计 ，并 通 过 仿 真 手 段 验 证 了 试 验 方 案 的 可 行 性 ，为 机 械 系统 可靠 性 强化试 验 的研 究提 供 了有 益参 考 。

1 可靠·性强化试验方案研究1.1 强 化 试 验 方 法国 内 外 目前 常 见 的 可 靠 性 强 化 试 验 方 法 主 要 有 以下 几 种 。

(1)使用 专 用试 验设 备 。此 种方 法采 用 专用 的试验 设备 .能 够便 捷 地 实现 对试 验 过程 的监 测 、控 制 和数据 的采 集 ，且试 验 过程 危 险性 较 小 ，但 将 零 部件 从 系统中脱 离 ，零部 件所 受 到 的实 际激 励 往往 与 试验 装 置提供 的激励 存在 较 大差 异 .使 试 验结 果缺 乏 说服 力 和参考 价值 ，且 只能针 对 个别 零 件 的单 -指 标 进行 可 靠性强 化 试 验 研 究 . 而 面 对 整 个 系 统 的 多 强 化 32况 的 强 化 试 验 时则 束手 无 策 。

(2)改 变 被 试 系 统 的 工 作 环 境 。这 种 试 验 方 法 虽然 克 服 了 第 - 种 试 验 方 法 存 在 的 不 足 。但 其 适 用 范 围小 ，强 化 应 力 的 大 小 往 往 会 受 到 系 统 整 体 性 能 的 限 制 ，因而试 验 周期 长 ，耗 资大 。

(3)对 系统 本 身 某些 零 部 件进 行 替 换 或改 变 系统的 工 作 参 数 。这 种 试 验 方 法 的 优 点 是 不 需 要 专 门 的收稿 日期 ：2012年 9月机械制造51卷 第583期试 验 装 置 ，节 约 了 - 定 的 成 本 ，而 且 试 验 在 受 试 系 统 本身进 行 ，具 有 较高 的精 度和 可信 度 。但强 化应 力 的施 加受 到 受 试 系 统 本 身 结 构 和 系 统 性 能 的 限 制 ，对 于 许 多结 构 紧凑 或精 密 的系 统 ，无 法 实现 在线 监 控 ，且 在对 大型 系统 的子 系统单 独 实施 强化 试 验 时 ，需 要整 个 系统同 时 运 转 ，耗 费 大 量 能 源 。

本 文 所 研 究 的 自动 输 弹 系 统 ，是 集 机 、电 、液 于 -体 的 复 杂 系 统 .要 将 其 中 的众 多 关 重 件 分 别 从 系 统 中脱 离 出来 并 在 专用 试 验 装 置 上进 行 可靠 性 强 化试 验 ，显 然 是 不 切 合 实 际 的 .且 输 弹 机 关 重 件 的 失 效 大 多 是由机 械应 力 或机 械磨 损等 因素引 起 的 ，因而第 二 种方法也 不可 用 。对 以疲 劳 或磨 损为 主要 失效 模 式 的构件进行 可靠 性 强化试 验 .势必 要求 输 弹机 的动 力 系统提供 比正 常工 况下 高 出许 多 的动力 和速 度 .对 所要 研究的 系统而 言 .液 压 系统 的额 定功 率 和允许 的最大 压力是按 照正 常 工况设 计 的 ，无 法满 足强 化试 验 苛刻 的要求 .而要 更换 自行火 炮 的液 压 系统 非但 困难 甚至 无 法实现 。因此 ，对输 弹 系统 进行 可 靠性 强化 试验 时 .必然要 反 复 进 行 输 弹 动 作 。对 于 火 炮 而 言 .弹 丸 惯 性 卡 膛 后如果 不激 发 的话 ，弹 丸是 很难 从 坡膛 退 出的 .如果 要 激发 ，则 会 大 大 增 加 试 验 的成 本 和 时 间 。

综 上 所 述 ，对 于 所 要 研 究 的 输 弹 机 构 而 言 ，以 上 提到 的 3种 传 统 的 方 法 都 是 不 经 济 或 不 可 行 的 。

为 解 决 以 上 问 题 .设 计 - 种 能 够 从 系 统 层 面 上 去评 价 被 试 对 象 的 可 靠 性 指 标 的试 验 方 法- - 系 统 可 靠性 强化试 验 方法 ，即将 被试 子 系统从 整 体 系统 中分 离出来 ，与试验 装置 连 接 ，进而 实施 可 靠性 强 化试验 。它与 传统试 验 方法 存在 较 大 区别 ，这 种从 系统 层 面上 进行 可靠性 强 化试 验 的方 法 ，能够 便捷 地 实现 对试 验 过程 的监 测 、控制 和数 据 的采 集 ，且试 验 过程 危 险性 较小 ，同 时 保 证 了试 验 结 果 的说 服 力 。继 承 了 上 述 3种 试 验 方 法 的 优 点 而 且 避 免 了其 弊 端 ， 同 时 可 以 大 大 缩 短产 品开 发周 期 ，节 约 开发 成本 。

2013/3围I1.2 强 化 试 验 方 案输弹机 机械 系统 故 障的失效 机理 以磨损 和疲 劳 为主 。

对 于磨 损 失效构 件来说 。强化试 验 的具体 方案 是通 过- 定 的强 化试 验 技术 来 加快 构 件 表 面 的磨损 ，并防 止 磨 损 失 效 机 理 的 改 变 。输 弹 机 中 的 磨 损 失 效 零 部件 的 强 化 试 验 方 案 ，主 要 依 据 磨 损 失 效 强 化 试 验 机 理 。

寻 求改变 应力 水平 的技术 途径 。例 如 ，在 传递运 动过 程中 .两 个 相 互 作 用 的 构 件 间 的 作 用 强 度 往 往 受 与 之 相关联 的机 构或 构件 的影 响 ，要 想改变 作用 强度 ，首先 要找 到相关 联 的零部 件 .然 后通 过改 变其性 能指标 ，间接提 高试验 对象 的 1作应 力 。

对 于疲劳 失效 构件来 说 ，影响其 寿命 的外 界 因素主 要 有 应 力 幅 和 平 均 应 力 。对 于 机 械 零 件 而 言 ，- 般 有如 下 概 念 [ 。

1)决 定 机 器 零 件 疲 劳 强 度 的是 应 力 幅 ；2)平 均应 力对疲 劳 强度 的影 响是第二 位 的 ，但也 有重要 作 用 ；3)-般 来 说 ，拉 伸平 均 应力 使 极 限 应力 幅减 小 ；压 缩应 力使 极 限应 力幅增 大 ；4)平均 应力 对正 应力 的影 响比切应 力要 大 。综 合考 虑 以上 各 点 ，结合 输 弹机关 重件的 失 效 机 理 及 工 作 原 理 .拟 定 输 弹 机 构 件 的强 化 试 验方 案 ，见 表 1表 1输弹机强化试验方案失效机理 零部件名称 所属机构 强化试验方案1)增加试验弹丸质量；磨损失效 链板销轴 输弹链条 2)增加输弹速度：3)同时增加前两者。

1)增加试验 弹丸质量 ：疲劳失效 链板销轴 输弹链条 2)增加输弹速度：3)同时增加前两者。

2 试验台总体方案输 弹机 可靠性 强化 试验 台应具 备在 满足 失效 机理不变 的前提 下 .为可靠 性强 化试 验提供 诸 如输 弹速度 、输 弹 阻 力 等 多 种 强 化 工 况 的 功 能 。

根 据 以 上 功 能 要 求 ，试 验 装 置 可 以 从 功 能 上 划 分 为 动 力 系 统 、调 整 系 统 和 监 测 系 统 3个 部 分 。其 中 动 力系 统 包 括 液 压 子 系 统 和 传 动 子 系 统 2个 部 分 ， 调 整 系统 包 括 高 低 射 角 调 整 子 系 统 、试 验 弹 丸 和 药 筒 复 位 子系统 2个部 分 。试验 装置 的组 成及试 验装 置构想 图如图 1和 图 2所 示 。

3 动力系统方案液压 系统是 试验 装置 的核 t2，部分 ，其 作用 主要 是为输 弹机 、摆 弹油缸 和摆 药油缸 提供 不 同的流量 ，以满足输 弹机 在 不 同 强 化工 况 下 输 弹/tl：链 、摆 弹油 缸 伸2013/3出/收 回及 摆 药 油 缸 伸 出/收 回运 动 的 不 同速 度 要 求 。

3.1 液 压 子 系 统 的 组 成试 验 装 置 液 压 系 统 主 要 由动 力 机 构 、控 制 机 构 、执行 机 构 、辅 助 机 构 4部 分 组 成 。固定 于 试 验 装 置 机 架 底座 上 。

(1)动 力 机 构 。为 满 足 试 验 装 置 各 执 行 机 构 的 不 同流 量 需 求 。采 用 电 机 双 联 泵 为 输 弹 系 统 试 验 装 置 提 供 液 压 动 力 源 。 72.'b泵 均 选 用 变 量 泵 ，用 法 兰 盘 将 大 、小泵 连 接 ，电 机 带 动 双 泵 同 时 工 作 ，大 、小 泵 同 时 输 出 不同流量 的液 压油 ，其不 同 的组合方 式提 供 了试验 装置输 弹 、收链 、摆 弹以及摆 药 的不 同流量 需求 。

(2)控 制 机 构 ∝ 制 机 构 主 要 由控 制 压 力 、控 制 流量 与 流 动 方 向 的 液 压 阀 组 成 ，实 现 试 验 装 置 在 不 同 T作环节 所需 压力 、流量 与不 同 的流 向。

电 磁 阀 组 安 装 在 试 验 装 置 防 护 舱 右 侧 ， 由 4个3WE20和 4个 3WE6电磁 阀 组 成 ，安 装 在 两 个 集 流 板上 ，其 排 列 方 式 是 ：4个 大 通 径 电 磁 阀 并 列 ，接 着 4个小 通 径 电磁 阀并 列 ，如 图 3所 示 。

'-N弹 及 可 靠 性 强 化 试 验 装 置 的 机 械 系 统 动 作 取 决于 液 压 系 统 的 8个 电 磁 阀 的 先 后 工 作 状 态 ，8个 电 磁阀都 是 2位 3通 阀 ，它 们 的 工 作 状 态 是 由 试 验 装 置 的电器 控 制 系 统 程 序 所 决 定 的 。

(3)执 行 机 构 。 执 行 机 构 主 要 由 液 压 马 达 、摆 弹 油缸 和摆药 油缸 组成 ，分别 是输 弹 、摆 弹 和摆药 动作 的执行 机 构 。 液 压 马 达 与 液 压 缸 都 是 将 液 压 油 的 压 力 能 转化 成为机 械能 的- 种能量 转换 装 置 ，其 中 ，前 者用 于旋转 运动 ，后者 用于 直线运 动 。

机械制造51卷 第583期 液 压 马 达 是 输 弹 机 的 动 力 源 。是 整 个 系 统 的 最 重 要 的执 行元 件 ，它 的作用 是 带动输 弹机 主轴转 动 .以实现 输 弹 机 在 各 种 速 度 和 动 力 下 的 输 弹 、收 链 动 作 。

摆 弹 油 缸 的 作 用 是 将 被 输 弹 机 输 送 到 位 的 弹 丸 重新 推 回 到 输 弹 起 始 位 置 .为 下 - 次 输 弹 做 准 备 .以 使 输 弹 动 作 能 快 速 反 复 地 进 行 。 选 用 双 作 用 油 缸 作 为 摆 弹油 缸 ，主 要 由缸 筒 、缸 盖 、堵 头 、活 塞 及 密 封 圈 组 成 。

摆 药 油 缸 用 于 将 输 送 到 位 的 药 筒 重 新 推 回起 始 位置 ，为 下- 次抛 壳运 动做 准 备 。摆药 油缸 也是 双 作用 油缸 ，主 要 由 缸 筒 、缸 盖 、堵 头 、活 塞 及 密 封 圈 组 成 。

(4)辅 助 机 构 。辅 助 机 构 包 括 油 箱 、压 力 表 、双 油 滤安 全 阀 组 件 、节 流 阀 等 。

油 箱 容 积 为 50 L.位 于 底 座 的 右 侧 ，其 上 部 有 加油 孔 ，下 部 有 放 油 口 ，侧 面 有 液 面 显 示 窗 口 ，用 于 显 示 油 箱 内 的 油 量 ，当 油 量 不 足 时 应 该 及 时 注 油 。系 统 内 串有 压 力 表 ，用 于 显 示 系 统 的 工 作 压 力 ，压 力 表 位 于 试 验装 置 防 护 舱 右 侧 ，通 过 管 路 与 电 磁 阀 组 相 连 。

油 滤 安 全 阀 组 件 通 过 管 路 与 电 磁 阀 组 和 油 泵 相 连 ，由 滤 油 器 和 安 全 阀组 成 .滤 油 器 用 于 过 滤 液 压 油 中的 杂 质 ，安 全 阀 则 用 于 保 证 系 统 在 安 全 的 压 力 范 围 内工 作 。本试 验 装 置采用 双 联泵 工作 制 ，滤油器 也设 计 成结 构原 理 相 同的两 套 。

3.2 液 压 子 系 统 工 作 原 理图 3为 液 压 系 统 原 理 图 。液 压 系 统 电 磁 阀 的 排 列是 ：4个 3WE20并列 (④③ ②① )，接 着 是 4个 3WE6并列(⑤⑥⑦⑧ )。① 、②两个电磁阀分别与双联泵的大排量泵和小排量泵连接 ，阀③ 、阀④控制液压马达正转和反 转 ；阀⑤ 、阀⑥ 控 制摆 药油 缸实 现摆 药油 缸伸 出和复位 ；阀⑦ 、阀⑧控制摆弹油缸伸出和复位。

表 2为 输 弹 机 试 验 装 置 液 压 系 统 工 作 循 环 与 电 磁阀动 作表 ，表 中 ”号表示 相 对应 的 电磁 阀通 电 。

机械制造51卷 第583期表 2 液压系统电磁阀动作表序号 动作名称 1 2 3 4 5 6 7 81 摆弹油缸伸出 2 摆弹油缸收 回 上 3 摆药油缸伸出 4 摆药油缸收 回 1级输弹 52级输弹 上 6 收链 系 统 采 用 变 量 泵 -变 量 马 达 的 调 速 方 案 .这 种 调 速方 案 可 以实 现 在 低 速 时 输 出较 大 转 矩 、在 高 速 时 提 供 较 大输 出功 率 的要求 。在 进行 低速 试验 时 ，先 将 马达排量 调 至 最 大 ，用 变 量 泵 调 速 ，当 泵 的 排 量 由 小 变 大 直 至最 大 ，马 达转 速 随 之 升高 ，输 出功 率亦 随 之 线性 增 加 ，此 时 因马达 排量 最大 ，马 达能 获得最 大输 出转 矩 .且处于恒转 矩状 态 。在进 行 高速试 验 时 ，泵为 最 大排量 ，用变 量 马 达 调 速 ，马 达 排 量 由大 调 小 ，马 达 转 速 继 续 升高 ，输 出转矩 随 之降低 .此 时 因泵处 于最 大输 出功 率状态 不变 ，故 马达 处于恒 功 率状 态 ，扩 大 了 回路 的调 速 范围 .- 般 ≤ 100。

4 输弹链板强化试验仿真研究以 输 弹 机 及 强 化 试 验 台 设 计 图 纸 为 依 据 .通 过 Pro/E建 立 了试 验 系 统 的三 维 实体模 型 .并 通 过 Mech/Pro将 三 维 实 体 模 型 导 入 ADAMS中 添 加 约 束 .最 终 建立 起试 验 系统 的多体 动力 学模 型 。利用 MSC.Easy5软件 对试 验 台液压 和控 制子 系统 进行 建模 ，通 过基 于软件 接 口 的 协同 仿 真 方 法实 现 机 电 液参 数 耦 合 协同 仿 真 。最 终得 到 输 弹 链板 在 强 化 工况 和 正 常 工况 下 的 载 荷谱 ，如 图 4所示利 用 ANSYS软 件 对 链 板 进 行 有 限 元 分 析 ，得 到 其应 力分 布结 果 ，然后 将链 板在 正 常和强 化工 况下 的载荷 谱 、链板 的应 力分 布结 构 和链 板 材料参 数- 并导 入疲 劳分 析模 块进 行疲 劳 寿命 预测 .最终 得到链 板在 正常 和 强 化 工 况 下 的 疲 劳 寿 命 分 别 为 ：无 限 寿 命 和272 552次2013/3回基于 FLU E NT的仿蝴蝶翼型二 维流场 分析口 雷亚超 口 许 瑛 z 口 余承斌1.南昌航空大学 航空制造工程学院 南 昌 3300632.南昌航空大学 飞行器工程学院 南 昌 330063摘 要 ：if，0用三维测量 工具测得凤蝶外形轮廓 的尺寸参 数 .通过 高频摄像机拍摄凤 蝶在 自由飞行时双翅和腹部的运动，并获得 双翅 的拍动频率、拍动角及腹部的攻角 利用流体 力学 FLUENT软件 对翼型在不同攻角下的流厨行模拟分析，并得到其升 、阻力系数以及翼型周 围流场随攻 角变化的特征 。最后运用动 网格技术对作 正弦运动上下拍动的翅翼进行数值模拟.得 出升力 系数 随时 间的变化及其周围的流惩升力产生的原 因。验证 了仿蝴蝶翼型的可行性 ，并证 明了 FLUENT软件 对于运动物体周围流场的数值模拟和流场分析是-种 比较可靠的实验方法。

关键词 ：FLUENT 动网格 数值模拟 流场分析中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号 ：1000-4998f2013103-0018-04在 - 些 震 后 灾 区 、有 毒 气 体 泄 漏 等 极 端 环 境 下 。以人力 去进行 搜救 或勘察 地形存 在 着种种 困难 ，在 这 种情 况 下 .无 人 飞 行 器 则 是 - 个 很 好 的 选 择 ，它 可 以 不 受地 形 的 影 响 。 然 而 大 部 分 固 定 翼 飞 行 器 或 直 升 机 等的飞 行方 式存在 缺 陷 ，而重量 轻 、能够 自行 转换前 进 方向 、利 用 双 翅 扑 动 只需 很 少 能 量 就 能 完 成 任 务 的 飞 行器 则 有 很 多 优 点 。昆 虫 就 是 自然 界 中优 秀 的 飞 行 者 ，它们利 用非定 常 效应产 生大 升力 ]。

本文根 据凤 蝶双翅 的扑 动产 生翼端 漩 涡与 空气 相互作 用 ，利用 高频摄 像机 进行凤 蝶 自由飞行 的运动 分析 ，并 结合 实际 情况 利用 流体 力学 软件 FLUENT，对 模型翼 进行 流场 分析及 数值 计算 ，完成 了其 数值模 拟 .同时 得 到 了 相 应 的 升 、阻 力 系 数 ，验 证 了 该 计 算 机 实 验 的收稿Et期：2012年 l0月÷ l - ÷ 可 行 性 。

1 凤蝶的尺寸参数及其在高速摄像机下的运动分析1.1 凤 蝶 的 尺 寸 参 数 对 凤 蝶 进 行 三 维 形 状 测 量 。利 用 测 量 工 具 测 得 凤 蝶 大 致 的 尺 寸 参 数 ，如表 1所 示 。

1.2 高 频 摄 像 机 下 蝴蝶 的 运 动 分 析在 高 频 摄 像 机 下 可以观察并 计 算得 到 蝴蝶在 自 由 飞 行 时 ，双 翅 的扑 动 频 率 较 低 约 为 10Hz，拍 动 角 度 较 大 (上 拍从 仿 真 分 析 可 见 . 所 设 计 的 强 化 试 验 台起 到 了 缩短 试 验 周 期 的 目的 。

5 结束语本 文 总 结 分 析 了 常 见 的 可 靠 性 强 化 试 验 方 法 。分析 表 明 ，这 些 方 法 并 不 适 合 本 文 所 要 研 究 的 对 象 ，因 而提 出了系统 可靠 性强化 试验 方法 ，并设 计 了输 弹 机可靠性 强化试 验 台 ，重点 对其 动力 系统进行 了详 细介 绍 。

以 输 弹 链 板 为 对 象 ，以 强 化 试 验 台 为 基 础 ，以 虚 拟 样 机仿 真 为 手 段 ，进 行 -r可 靠 性 强 化 试 验 研 究 ♂ 果 表 明 。

所 设 计 的试 验 台 能 够 实 现 缩 短 试 验 时 间 的 目的 。 为 可靠 性 强 化 试 验 技 术 与 理 论 的 研 究 提 供 了 参 考 。

I回 2013/3[2][3][4][5]表 1蝴蝶尺寸参数身体长度 Lh/ram 38身体直径 O/mm 6翅根长度 H /ram 18单翅展长度L /mm 55单翅面积 S/ram 2 400展弦比A (， ) 1.4翅的平均厚度 T/mm O.4吴艳，易晓山，廖世佳 ，等.模糊控制在可靠性强化试验设备中的应用研究 [J].机 电工程 ，2008，25(3)。

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