枪械自动机关重件冲击疲劳实验机相关理论与实验研究

【摘要】：自动机是枪械的关键部件,其寿命直接影响着枪械的整体寿命。对自动机部件失效原因的研究表明,冲击疲劳是影响其寿命的重要因素。目前,国内枪械设计的冲击疲劳理论尚未形成,实验数据也很少。而研究自动机冲击疲劳寿命的变化规律,必须建立专业的实验系统。现在市面没有适用于自动机关重件冲击疲劳的实验机,为满足自动机关重件冲击疲劳实验需求,本文设计开发了一种冲击疲劳实验系统,并进行了相关理论与实验研究。 基于机构运动可靠性和低成本原则,本文提出了一种自动机关重件冲击疲劳实验机总体方案,主机采用机械式结构。由于自动机冲击疲劳实验对冲击脉冲幅值、幅宽和频率均有严格要求,作为实验机主机关键部件的加载机构是本文的难点之一。针对实验系统的加载要求,提出了含弹簧振子让位装置的曲柄滑块机构、含拨叉的曲柄连杆机构、直动滚子凸轮机构和双凸轮-滑块机构4种加载机构方案。运用数值仿真计算方法分析4种机构运行情况,分析4种机构的优缺点,最终确定加载机构方案为特殊的双凸轮-平底滑块机构。建立了双凸轮平底滑块加载机构数值仿真模型,得到机构在最高转速条件下的工作特性。建立了加载机构多目标优化模型,用基于Pareto最优理论的多种群遗传算法得到了加载机构优化方案。 冲击疲劳实验中对试件的冲击加载由力脉冲发生器完成,力脉冲发生器中的冲头与试件直接接触,冲头的形状与材料特性对冲击接触过程有重要影响作用,从而影响着实验系统的运行情况。本文建立了冲头和试件两构件间的冲击接触仿真模型,计算2种形状、3种材料的冲头在2种冲击条件下冲击钢试件的过程,得到冲击力-时间、冲击力-变形、冲击冲量-变形和冲击冲量-时间的变化规律,分析并获得了超弹性体-弹性体、弹性体-弹性体和弹塑性体-弹性体间的冲击过程与冲头形状和材料的关系。 本文建立了一种基于非线性弹簧阻尼理论的冲击接触力工程模型,用于求解在不同冲击质量和冲击速度条件下,特殊材料、特殊形状的冲头向试件提供的冲击接触力、冲击作用时间、变形量和冲击冲量。使用落锤式冲击实验机对3种材料、2种形状的冲头进行冲击实验。对冲击接触工程模型进行修正,得到超弹性体-弹性体、弹性体-弹性体和弹塑性体-弹性体间在2种冲头形状下的冲击接触力修正模型,修正模型结果与实验数据吻合较好。另外,本文为提高冲击接触有限元模型的计算精度,引入指数型接触约束条件,通过调整接触约束条件中的关键参数,使有限元计算结果与实验值吻合较好。 建立了冲击疲劳实验机整机有限元仿真模型,利用仿真计算结果进行工作特性分析。为分析整机性能稳定性,建立了整机多体动力学虚拟样机仿真模型。以导轨工作面间隙、滑块体运动行程、冲击速度、冲头形状和冲头材料为变量,以保证滑块体运动和冲击脉冲的重复性为目标,分析4个变量对整机性能稳定性的影响。由数值计算结果可知,稳定性受导轨工作面间隙和滑块体运动行程影响,而冲击速度、冲头材料和形状仅对冲击脉冲产生影响。以冲击质量、冲击速度、冲头材料和冲头形状为变化因素,以4个因素对冲击脉冲的影响为目标,利用正交实验法进行正交敏感性分析,结果表明冲击速度对冲击脉冲影响最大,冲击质量对其影响最小,冲头材料和冲头形状的影响居中。 本文建立了自动机典型关重件的冲击疲劳寿命仿真分析模型,采用局部应力应变法分析了12.7mm狙击步枪枪机、12.7mm狙击步枪节套、95式5.8mm步枪拉壳钩、95式5.8mm步枪击针和12.7mm航空机枪闭锁片的冲击疲劳寿命,所得寿命估算值略大于10000次,与实际工程实验结果基本一致。 研制了国内首套大吨位高频枪械自动机关重件冲击疲劳实验样机,样机运行稳定可靠,能够模拟自动机关重件实际工况,为自动机关重件实验提供了有力的技术手段。