變徑炮塔拆裝臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

邵 帥，閆鵬程，孫江生，張連武，邱文昊

(1.軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050000； 2.軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003)

變徑炮塔拆裝臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

邵 帥1,2，閆鵬程1，孫江生1，張連武1，邱文昊1,2

(1.軍械技術(shù)研究所，河北 石家莊 050000； 2.軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003)

針對(duì)自行火炮炮塔維修拆裝臺(tái)架種類冗雜、通用性不強(qiáng)和野戰(zhàn)性能差等問題，提出了一種導(dǎo)軌式變徑炮塔拆裝臺(tái)架設(shè)計(jì)方案。采用SolidWorks對(duì)拆裝臺(tái)架進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，并對(duì)拆裝臺(tái)架的變徑方案進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)；采用有限元分析方法對(duì)受力最大的臺(tái)架托盤進(jìn)行了應(yīng)力分布和變形情況分析，驗(yàn)證了臺(tái)架的強(qiáng)度、剛度等靜力學(xué)性能。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)臺(tái)架功能和性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：該臺(tái)架能夠滿足設(shè)計(jì)和使用需求。

炮塔； 拆裝臺(tái)架； 混合變徑； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 有限元分析

炮塔拆裝臺(tái)架是對(duì)自行火炮炮塔進(jìn)行維修與保養(yǎng)的重要承載設(shè)備之一，主要用于炮塔水平與傾斜2種工況下的支撐任務(wù)。隨著諸多新型號(hào)自行火炮列裝部隊(duì)，若基于型號(hào)開發(fā)炮塔拆裝臺(tái)架，則會(huì)造成種類冗雜、野戰(zhàn)性能差以及占用大量維修空間等問題。因此，設(shè)計(jì)滿足各種型號(hào)炮塔放置、傾斜以及身管后抽等功能的通用性拆裝臺(tái)架具有重要意義。

筆者在充分了解各類自行火炮炮塔尺寸和質(zhì)量的基礎(chǔ)上，為解決拆裝臺(tái)架通用性問題，對(duì)拆裝臺(tái)架進(jìn)行變徑設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析方法對(duì)設(shè)計(jì)方案中受力最大的變徑托盤進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，為驗(yàn)證拆裝臺(tái)架設(shè)計(jì)的合理性提供理論依據(jù)[1]。最后，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)臺(tái)架的功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 拆裝臺(tái)架的總體設(shè)計(jì)

采用SolidWorks對(duì)拆裝臺(tái)架進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，拆裝臺(tái)架由六角式變徑托盤、底座和偏置式固定支座組成。直導(dǎo)軌與斜導(dǎo)軌通過(guò)導(dǎo)軌間的連接組成六角式變徑托盤，通過(guò)導(dǎo)軌間的相對(duì)滑動(dòng)改變托盤的口徑大??；底部槽鋼平行放置，并通過(guò)調(diào)整槽鋼連接構(gòu)成工字型臺(tái)架的底座。調(diào)整槽鋼包括2段，分別與2根底部槽鋼固定連接，2段調(diào)整槽鋼開放端借助于螺栓連接，并且2段調(diào)整槽鋼之間安裝調(diào)整油缸，利用調(diào)整油缸對(duì)底部槽鋼之間的距離進(jìn)行配合調(diào)節(jié)，使其左右支架間的距離調(diào)節(jié)更方便、快捷；利用調(diào)整油缸與調(diào)整槽鋼配合導(dǎo)軌滑動(dòng)，共同實(shí)現(xiàn)臺(tái)架的系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，完成臺(tái)架的整體變徑；設(shè)計(jì)了4組托板及上座圈托座(在圖中并未顯示)，滿足所有現(xiàn)役火炮炮塔的放置、座圈保養(yǎng)以及身管后抽的需求。

為實(shí)現(xiàn)臺(tái)架水平與傾斜2種工況下的平穩(wěn)支撐，每根底部槽鋼的兩端分別豎直安裝支撐油缸和限位支撐，在支撐油缸和限位支撐的中間偏置安裝支撐支架，支撐構(gòu)件與六角式變徑托盤的對(duì)應(yīng)側(cè)2個(gè)長(zhǎng)直導(dǎo)軌鉸接，通過(guò)支撐油缸的升降帶動(dòng)限位支撐上下運(yùn)動(dòng)，使六角式變徑托盤從平置到傾斜都能穩(wěn)固地支撐炮塔。拆裝臺(tái)架總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 拆裝臺(tái)架總體設(shè)計(jì)

2 拆裝臺(tái)架的變徑設(shè)計(jì)

由于拆裝臺(tái)架的托盤直接與炮塔接觸并對(duì)其進(jìn)行支撐，因此，拆裝臺(tái)架若要適用于多種型號(hào)的炮塔，首先就要實(shí)現(xiàn)托盤的變徑。參考機(jī)床導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)，筆者提出將托盤設(shè)計(jì)為滑動(dòng)導(dǎo)軌的形式，通過(guò)滑動(dòng)導(dǎo)軌之間的相對(duì)滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)托盤內(nèi)徑的變化。導(dǎo)軌按截面形狀不同，可分為V形導(dǎo)軌、矩形導(dǎo)軌、圓柱形導(dǎo)軌和燕尾形導(dǎo)軌等。各類型導(dǎo)軌的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

變徑托盤的導(dǎo)軌類型不同于普通機(jī)床導(dǎo)軌，托盤所受力為炮塔對(duì)其導(dǎo)軌施加的側(cè)向力，且受力較大。通過(guò)比較表1中4種導(dǎo)軌類型，筆者選擇以閉式矩形導(dǎo)軌為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)。為增大接觸面積、減小導(dǎo)軌所受應(yīng)力，將導(dǎo)軌側(cè)面傾斜一定角度，同時(shí)傾角又不宜過(guò)大，這是由于豎直分量不變，傾角過(guò)大會(huì)造成接觸面受力過(guò)大，因此，將導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為傾角20°的倒梯形形狀[2]，如圖2所示。

表1 各類型導(dǎo)軌的優(yōu)缺點(diǎn)

圖2 導(dǎo)軌截面形狀

在進(jìn)行導(dǎo)軌設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小導(dǎo)軌所受的傾斜力矩，即減小推力與導(dǎo)軌軸線的傾角，這樣才能使摩擦力減小、靈活性提高。假設(shè)推力F與導(dǎo)軌軸線平行，并且距離為h，如圖3所示。其中：Fa為摩擦阻力；N1、N2為導(dǎo)軌在兩端點(diǎn)處的正壓力；f為摩擦因數(shù)。

圖3 導(dǎo)軌受力圖

根據(jù)平衡條件可得

(N1+N2)f+Fa-F=0，

(1)

N1-N2=0，

(2)

(3)

式中：d為運(yùn)動(dòng)件導(dǎo)軌厚度，由于其值較小，因此可以忽略不計(jì)。

聯(lián)立式(1)-(3)，解得

(4)

若使運(yùn)動(dòng)件能夠運(yùn)動(dòng)，則須使

即

(5)

由式(5)可知：當(dāng)f為定值時(shí)，只有盡量減小h、增大L，才能減小運(yùn)動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的阻力[3]。由于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)以推力為主，因此應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)導(dǎo)軌面長(zhǎng)度。最終設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌形狀如圖4所示，將導(dǎo)軌兩端進(jìn)行延長(zhǎng)并設(shè)有螺孔，既有利于減小運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的阻力，又有利于與導(dǎo)軌槽進(jìn)行固定。

圖4 導(dǎo)軌形狀

變徑托盤由4個(gè)滑動(dòng)導(dǎo)軌、帶有滑槽的2個(gè)長(zhǎng)導(dǎo)軌、2個(gè)短導(dǎo)軌，以及4個(gè)托板1和2個(gè)托板2組裝而成，其主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為：長(zhǎng)導(dǎo)軌長(zhǎng)L1=1 700 mm；短導(dǎo)軌長(zhǎng)L2=1 640 mm；滑動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)L3=1 126 mm，寬b=160 mm；兩側(cè)矩形導(dǎo)軌成直角，鋼材厚t=10 mm，用于支撐內(nèi)徑1 388～2 402 mm的炮塔。變徑托盤組裝圖如圖5所示。

圖5 變徑托盤組裝圖

托盤實(shí)現(xiàn)了臺(tái)架上半部分的變徑，底部調(diào)整油缸與調(diào)整槽鋼如圖6所示，將左右支架連接起來(lái)，通過(guò)油缸伸縮與槽鋼螺孔固定位置的變化來(lái)改變左右支架間的距離，實(shí)現(xiàn)整體臺(tái)架的變徑，能夠滿足12種炮塔的需求。

圖6 調(diào)整油缸與調(diào)整槽鋼

最終設(shè)計(jì)的六角式倒梯形滑槽液壓炮塔通用拆裝臺(tái)架具備以下5個(gè)特點(diǎn)：

1)設(shè)計(jì)的六角式倒梯形槽滑軌切向滑動(dòng)和托板徑向滑動(dòng)(如圖5中雙向箭頭所示)的變徑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了有級(jí)、無(wú)級(jí)混合變徑調(diào)節(jié)，其中，滑軌切向滑動(dòng)為有級(jí)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)大直徑差調(diào)節(jié)，托板徑向滑動(dòng)為無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)小直徑差調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍滿足12種炮塔的直徑要求，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)架的通用性。

2)設(shè)計(jì)的雙固定支座微偏置中點(diǎn)支撐、單側(cè)油缸升降傾斜(如圖1中雙向箭頭所示)的偏置式固定支座結(jié)構(gòu)不僅支撐穩(wěn)定性好，而且傾斜托盤時(shí)油缸推力小、行程短、操作輕便。

3)設(shè)計(jì)的倒梯形滑槽結(jié)構(gòu)(如圖2所示)在六角式托盤變徑時(shí)能夠自動(dòng)定心，且定心精度高，拆裝調(diào)整方便。

4)設(shè)計(jì)的六角式倒梯形滑軌變徑托盤支撐托板多，支撐力均勻；托板承載面平面度較高，支撐精度高。

5)設(shè)計(jì)的底座變徑調(diào)節(jié)采用液壓缸動(dòng)力變徑的方式(如圖6所示),更加方便、省力。

3 變徑托盤的有限元模型

在對(duì)自行火炮炮塔進(jìn)行維修與保養(yǎng)時(shí)，整個(gè)火炮質(zhì)量全部施加在六角式變徑托盤上，若火炮尺寸較大，則易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最易發(fā)生事故。為驗(yàn)證變徑托盤剛度和強(qiáng)度是否滿足要求，建立了變徑托盤的有限元模型。

3.1 材料參數(shù)和尺寸的確定

在有限元分析中，材料特性參數(shù)的準(zhǔn)確性將對(duì)仿真效果和計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性產(chǎn)生很大影響[4]。45鋼為結(jié)構(gòu)鋼，綜合力學(xué)性能良好，硬度不高，易切削加工，具有較大強(qiáng)度，韌性和塑性較好，焊接性能較差，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件。由于拆裝臺(tái)架承載數(shù)噸重炮塔，對(duì)材料力學(xué)性能要求較高，因此該設(shè)備結(jié)構(gòu)采用45鋼。

3.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS Workbench進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析時(shí)，無(wú)需對(duì)單元類型進(jìn)行定義，軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)所導(dǎo)入結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行單元類型選擇[5]。網(wǎng)格尺寸“Sizing”控制平均單元邊長(zhǎng)50 mm，進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，共有節(jié)點(diǎn)225 985個(gè)、單元116 159個(gè)。變徑托盤網(wǎng)格模型如圖7所示。

圖7 變徑托盤網(wǎng)格模型

3.3 約束與載荷的確定

變徑托盤受力分靜止與頂升2種情況。變徑托盤在被液壓缸頂升時(shí)速度緩慢，其動(dòng)力特性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)小于邊界條件的改變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，故分析時(shí)變徑托盤任一時(shí)刻的受力可看作靜態(tài)受力[6]。拆裝臺(tái)架分為水平與傾斜2種承載狀態(tài)，其最重承載為某型6.5 t炮塔，筆者對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。

變徑托盤長(zhǎng)導(dǎo)軌與支撐油缸、支撐支架、支撐柱通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，如圖8中A、B、C處所示，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在其連接點(diǎn)處施加固定約束，使自由度完全約束。

圖8 水平工況受力圖

臺(tái)架所受載荷主要包括炮塔載荷與自重載荷2部分。炮塔直接與托盤6塊托板接觸，由于炮塔重心偏向前部，后面2塊托板受力極小，因此可以忽略不計(jì)；在前部和中部托板上施加載荷，由于變徑托盤質(zhì)量較大，因此自身載荷不可忽略。在進(jìn)行有限元分析時(shí)選擇Standard Earth Gravity，ANSYS Workbench會(huì)按照9.806 65 m/s2的重力加速度在變徑托盤的各個(gè)單元上施加均布載荷[7]。將上述載荷與約束施加到變徑托盤上，得到其水平與傾斜2種工況下示意圖,分別如圖9、10所示。在水平工況下，經(jīng)計(jì)算，某型火炮水平放置載荷分布情況如表2所示。

圖9 水平工況施加約束與載荷示意圖

圖10 傾斜工況施加約束與載荷示意圖

序號(hào)施加位置載荷/N1滑動(dòng)導(dǎo)軌上托板(2處)11350.282長(zhǎng)導(dǎo)軌上托板(2處)20499.713自重載荷10194

在傾斜25°工況下，炮塔通過(guò)螺栓固定于托盤上托板，由于炮塔傾斜產(chǎn)生的下滑力會(huì)造成額外載荷，分為垂直于托板的正應(yīng)力與平行于托板向下對(duì)螺栓的剪應(yīng)力。由于托盤傾斜角度較小，且托板與炮塔之間存在靜摩擦，因此剪應(yīng)力值較小，為簡(jiǎn)化，計(jì)算其正應(yīng)力與剪應(yīng)力的合力，即炮塔重力所產(chǎn)生的豎直方向的力所產(chǎn)生的載荷，經(jīng)計(jì)算，某型火炮傾斜放置載荷分布情況如表3所示。

表3 某型火炮傾斜放置載荷分布情況

4 拆裝臺(tái)架靜力學(xué)分析

由于靜力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，因此筆者對(duì)拆裝臺(tái)架水平與傾斜25°兩種工況進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。

1) 水平工況分析

通過(guò)Workbench后處理器對(duì)臺(tái)架處于水平工況時(shí)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，得到應(yīng)力、位移云圖分別如圖11、12所示。由于導(dǎo)軌連接處所有力都集中在滑塊與導(dǎo)軌槽接觸處，因此，此處產(chǎn)生最大應(yīng)力128.47 MPa，如圖13所示。由于45鋼的屈服強(qiáng)度δs=355 MPa，對(duì)于塑性材料，取安全系數(shù)為2，計(jì)算許用應(yīng)力[δ]=355/2=177.5 MPa。經(jīng)試驗(yàn)分析，當(dāng)拆裝臺(tái)架變形量小于1 mm時(shí)符合彈性變形條件，因此，最大變形量應(yīng)小于1 mm。由于最大應(yīng)力δmax=128.47 MPa<[δ]，因此臺(tái)架的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求[8]。從圖12可以看出：最大位移發(fā)生在前側(cè)短導(dǎo)軌中間部分，約0.751 mm，小于變形量1 mm的要求，因此臺(tái)架的剛度滿足要求，是安全的。

圖11 水平工況應(yīng)力云圖

圖12 水平工況位移云圖

圖13 滑動(dòng)導(dǎo)軌應(yīng)力云圖

2)傾斜25°工況分析

臺(tái)架傾斜25°工況時(shí)應(yīng)力、位移云圖分別如圖14、15所示，與水平工況類似，最大應(yīng)力與最大位移處位置不變。但由于火炮重心偏于前側(cè)，加之下滑力影響，因此傾斜25°工況下最大應(yīng)力與位移稍大于水平工況。在此工況下，由于最大應(yīng)力δmax=133.18 MPa<[δ]，因此臺(tái)架的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求；最大位移約0.792 mm，小于變形量1 mm的要求，因此臺(tái)架的剛度滿足要求，是安全的。

圖14 傾斜25°工況應(yīng)力云圖

圖15 傾斜25°工況位移云圖

由以上分析結(jié)果可知：該設(shè)計(jì)方案在承載該型火炮炮塔工況下，應(yīng)力與位移均在合理范圍之內(nèi)，滿足承載要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)臺(tái)架的性能與功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，筆者對(duì)其進(jìn)行了承載模擬炮塔工裝額載試驗(yàn)以及實(shí)裝功能試驗(yàn)。為了準(zhǔn)確掌握臺(tái)架的應(yīng)力分布情況，驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果，在水平、傾斜25°兩種工況下，對(duì)臺(tái)架進(jìn)行靜態(tài)電測(cè)試驗(yàn)[9]，選擇出臺(tái)架的31個(gè)關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)，如圖16所示。

將電阻應(yīng)變片黏結(jié)在這些測(cè)試點(diǎn)，進(jìn)行承載模擬炮塔工裝額載6.5 t、承載12 h的應(yīng)力測(cè)試[10]，如圖17所示，臺(tái)架在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，此時(shí)，電阻的應(yīng)變值會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，利用電阻應(yīng)變儀測(cè)出電阻的改變并換算成應(yīng)變值顯示出來(lái)。

通過(guò)計(jì)算，得出各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力情況如表4所示。

圖16 關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)

圖17 承載模擬炮塔工裝額載試驗(yàn)

可以看出：水平工況下最大應(yīng)力為140.3 MPa，傾斜25°工況下最大應(yīng)力為149.9 MPa，均小于材料的許用應(yīng)力177.5 MPa，滿足材料的靜力學(xué)性能。最后，對(duì)該變徑炮塔拆裝臺(tái)架進(jìn)行了實(shí)裝功能試驗(yàn)，結(jié)果表明：該拆裝臺(tái)架能夠滿足各種自行火炮炮塔的放置、傾斜以及身管后抽等功能需求。

表4 各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力情況 MPa

6 結(jié)論

為了滿足不同型號(hào)自行火炮炮塔維修與保養(yǎng)的需求，筆者設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)軌式變徑炮塔拆裝臺(tái)架，對(duì)受力最大的臺(tái)架托盤進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的臺(tái)架靜態(tài)剛度和強(qiáng)度滿足要求。對(duì)臺(tái)架進(jìn)行了承載模擬炮塔工裝額載試驗(yàn)以及實(shí)裝功能試驗(yàn)，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的臺(tái)架能夠滿足不同型號(hào)炮塔維修保障需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，解決了以往臺(tái)架通用性不強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性差等問題，為其他維修設(shè)備的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了參考。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Design and Analysis of Adjustable Turret Disassembly Platform Structure

SHAO Shuai1,2,YAN Peng-cheng1,SUN Jiang-sheng1,ZHANG Lian-wu1,QIU Wen-hao1,2

(1.Ordnance Technical Research Institute,Shijiazhuang 050000,China;2.Department of Vehicles and Electrical Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

To solve the problems of miscellaneous type,poor versatility and field performance for turret maintenance disassembly platform of the self-propelled gun,a design scheme of rail type adjustable turret disassembly platform is put forward.SolidWorks is used for the overall design of the platform and variable diameter solutions of the disassembly platform are developed for the details.The stress distribution and deformation of the pallet with the largest force are analyzed by the finite element analysis method.The static mechanical property of the platform is verified.Function and performance of the platform are verified through the test,and the result shows that the bench can meet the design and operation requirements.

turret; disassembly platform; mixed variable diameter; structure design; finite element analysis

1672-1497(2017)01-0055-06

2016-12-05

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

邵 帥(1993-)，男，碩士研究生。

TJ307

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.012