1、l 58 2006年段结构强嗖I=孑环境T程专委会j航灭卒闻研：境1二碑信息旧学术研、f会火工展开机构负载模拟试验系统特性分析王雪松，夏成明(中国航天科技集团公司五院五一零所，兰州730000)摘要：本文主要介绍了某型号火工展开机构负载模拟试验系统的结构形式及工作原理，重点是对此机构进行了运动学分析和动力学分析，应用Matlab运算平台求解出机构运动的相关曲线以及加载力曲线，并对加载力试验结果进行了对比分析和理论分析关键词：机构运动分析：加载；数值分析：负载机构1引言火I=作动简是以火药作为动力源的驱动装置，主要完成各种饥陶的展开或野放。而考核火一Ij作动简性能的好坏，必须通过负载模拟机构衡量
2、。由丁火工作动筒的快速性，冈此要求负载模拟机构必须有较高的加载响应速度且负载机构的运动特性必须与实际的机构相同，加载特性应该覆盖实际负载范围。根据实际的负载力指标及机构的运动要求，设计了一种气体拥载的负载模拟机：j模拟实际机：勾的转动惯蕞以及剪明销(位置、剪切力的人小)、锁紧销(位置)等相关结勾，并通过交装f移移传感器、动态压力传惑器、进行高速数据采集，以实现快速响应真实的负载模拟试验。本文就该负载机鼢的运动及加载力进行了理论分杉亍，并与试验结果进行了对比分沂和J误差分沂。2负载机构的结构形式及工作原理此负载模拟机拗，利用摆杆滑块机构形式，将直线的负载气缸加载力转化剑摆动的火上作动筒上，展开机
3、构与气体加载气缸直接联动，实现了加载的快速响应，结沟示意幽见图l：1惫氐j3辏剑t：篱。 、础态啭，J!譬器，777_7_7图1工作原理：火工作动简内的火药爆燃产生的高温高压气体，推动作动筒活塞杆向右运动，通过转王雪松等：火工展开机构负载模拟试验系统特性分析 159动铰链推动拨叉组件，带动模拟转动惯量绕固定转轴O旋转，同时拨叉组件中的拨叉杆头(装有滚针轴承)在导向杆的滑道中上下滚动，推动与负载气缸活塞直线连接的导向杆水平向右运动，压缩负载气缸气体作功。此负载气缸产生的阻力即为模拟负载力。根据负载力的要求，在初始时，气缸内充入定压力气体(气体为空气)，当活塞快速运动压缩气体。使得气体压力和温度升
4、高，负载力逐渐加大，从而获得我们所希望加载到火工作动筒上的负载力。由于试验过程时间很短，小于800ms，压缩气体产生的热量来不及与四周交换，可以认为气体为理想气体，其压缩过程为绝热过程。3负载模拟机构的运动分析本机构是由一个摆杆机构静1摆杆滑块机构组成，采用整体分析方法，建立机构运动学矢量方程，由已知数据求出待求参数。机构运动矢量简图见图2和图3：多岳一、。Y轴K。； L1 。目1L4 ”0图2X轴根据图2图3建立久鼙方程：三4+K+L3=Ll三2+L6=L 5+H由(1)(2)矢量关系方程式写成位置方程式：L1 COS(91)一L3 COS(口2)+L4=0三I sin(p1)一L3 sin
5、(曰2)一K=0L2 COS(口1)+L5=0L5 sin(01)+L6一H=0式中：厶=82mm-作动筒与拨叉组件连接铰点到转轴O的距离：L=100mm一拨叉组件中拨叉杆的长度；L广作动筒活塞杆的位移；Y轴L5L，6广 扣 HL：；、0 l ， 一x轴图3(1)(2)(3)(4)(5)(6)160 006年度结构强度与环境工程专委会与航天空间环境工程信息网学术研讨会L,=268咖作动筒同定铰点0距转轴0水平距离：厶一负载气缸活塞杆的水平位移：厶一拨叉杆头的竖直位移：口t一拨叉杆与X轴的夹角：口：一作动筒活塞杆与X轴的夹角：胙58mm一作动筒固定铰点0距转轴0竖直距离：一负载气缸活塞杆距转轴0
6、竖直距离；利用万能公式：l一培：(晏)妇2蕊2僖(晏)蓟棚2五匆推出： 印2们僖c型翠，凸一。 K一K2 G2 2+4：、吼ctg(专乒f5=一2 cos(f91)其中：Gl=(l 2+4 2+K 2一3 2)(2L1) G2=(I 2一。2一K2 L32)(2L二)图4(7)(8)(9)(10)(1 1)(12)518 r 卜 萎孙 、 1疆 暑 j 。t蓁27 j 图5对于机构位置分析的数值解法，通过Matlab运算平台编程解决，并绘制出机构的位置相关曲线。王雪松等：火工展开机构负载模拟试验系统特性分析 161假设L。以lmm为运动单位，从初始位置运动到行程116mm的位置，则厶与目。位置
7、曲线见图4：厶与e：位置曲线见图5；厶与厶位置曲线见图6：f，一O 20 40 60 80作动篱活罄杆位移mm图64负载模拟机构的动力学分析负载模拟机构加载力是压缩气缸气体产生的压力通过拨义组件加载到火：L：作动筒活塞杆上。下面将火工作动筒的输出力作为原动力对机构进行动力学分析。拨叉组件受力图见图7：图7转轴0的动力矩方程：F三，一丁L：sin(01)一厂L：Icos(p。)I=J或负载机构的加载力方程：rL2sin(臼1)+厂L2Icos(口1)l=F上7X轴(13)(14)Z，、蒜=j霉套蒜S162 2006年度结构强度与环境T程专委会与航天空间环境工程信息嘲学术研讨会其中：丁=P7耐24
8、L7=L4 sin(02)+K COS(02)气体绝热方程：p=州云等等而，7式中：尸一火工作动筒对负载机构的输出力；(15)(16)(17)一展开机奉勾负载模拟转动惯量：162Kgm2：，一滚动摩擦力，由于机构滑道上有润滑脂，所以滚动摩擦系数大约为0002，f力很小，可以不计；，一负载气缸的推力；P一负载气缸气体压力(气缸的气体压缩过程为绝热过程，P田气缸的初始压力，可以通过凋节气缸的初始压力和初始容积，得到我f|J希望加载剑作动简上的负载力：如果理论设计P叼=131Mpa，活塞到位时P=1365MP，剑机构位时加载到作动笥上的负载力1人约为25200N)：V一负载气缸活塞到位时的容积；d一
9、负载气缸活塞的直径：，一作动筒活塞杆对旋轴O的力臂；厅一气体的绝热指数取14：尸一加载到作动筒的力；厶、厶、，从厶、0。、口?已经在文章第三部分中说明。厶以lmm为运动单位，从初始位置运动到行程1 16mm的位置，制l出作动筒理论加载力曲线，见图8：x10富Q芝=、甾趱：艋通过gatlab编程进行数值分析，并绘2006车05月12量4时20兮35陟王雪松等：火工展开机构负载模拟试验系统特性分析 163趋势和对应的数值上基本一致，能够比较真实地反映负载模拟机构的加载状况：两条曲线在两端的数据误差较小(小于5)，而中间后段的数据误差较大(约为9左右)，实际试验加载曲线位置略高于理论设计曲线，其原因
10、是：负载气缸的气体压缩过程并不是完全理想的绝热过程，实际过程中还有活塞运动摩擦产生的热量、向外散热的热量。活塞运动摩擦产生的热量使得气体温度进一步升高，内能增加。刚开始运动时，磨擦产生的热量很小，影响不大：当运动到中间过程，此热量积累使得气体增加的内能大于向外界散失的能量，气体内能增加，反映出压力升高：当运动至行程末端时，由予系统温度升高与外界温差加大，使得系统向外散热积累增大，向外散热的能量损失与磨擦产生的热量抵消，由此造成的误差减小，这样与理论值接近。另外从试验采集到的负载气缸的压力曲线图明显看出(图9)，作动筒行程剑位以后压力幅值降低很快，说明系统热量与外界能量的交换很快，引起系统温度降
11、低，从而使得气体压力迅速降低：在200ms内，压力降低了约6MPa。我ffJ更关注得是作动筒剑位时的负载力加载状况。理论计算加载力：25200N，实际测试结果加载力：26200N，数据误差：396，试验可以接受。6结论本文通过理论计算和Matlab编拌比较真实的求解出了此负载模拟机构的运动方程和曲线以及加数力曲线，并对系统的特性进行了分析，为火i作动筒的性能试验测试提供了一种快速响应且能真实模拟实际展开机构运动的特性和负载特性的性能试验装置，为火工作动机构的研究提供了可靠的保障。参考文献：1： 蒯逊选，黄伯擎新编普通物理题解一营通物理学，第五版：M：武汉：科技大学出版往2002年2月!： 孙啊陈作模机械原理第五顷：M：北京：高等教育出版社，1996年5月：3： 尚涛等工程汁算可视化与MATLAB实现-M-武汉：华中科技大学j版社，2002年1月：4： 盛敬超等液哑流体力学：姬北京：机械工业j：版祉，1980年3月
