具有自动定距和消减横向过载效应的安全系统动态特性研究

1、具有自动定距和消减横向过载效应的安全系统动态特性研究尚雅玲摘要：利用WorkingModel仿真软件对导弹安全系统用双转子驱动的无返回力矩钟表机构进行了计算机综合仿真，研究结果表明，该安全系统能够实现自动定距延期解除保险和有效消减横向过载的影响。0引言对付空中目标的导弹空空、地空导弹，由于目标机动性的提高，要求导弹也具有很高的机动性，特别是在近距离格斗时导弹的回转半径应尽量小，相应地导弹所受横向过载明显增大，其所产生的负效应会明显增强，将出现低轴向过载、高横向过载的发射飞行环境。在这种工作环境下，导弹安全系统的设计面临以下两个基本问题：(1)如何设计安全系统的结构，将横向过载的负效应减至最小；

2、(2)横向过载的出现及其大小是非定常的，而对导弹延期解除保险距离的要求是确定的，导弹轴向过载因发动机推力在不同温度下有不同的变化值，如何设计安全系统以便保证轴向过载变化，以及横向过载有无及其大小不同时，导弹均能获得大致相同的延期解除保险距离。本文针对上述两个问题进行讨论。2双转子驱动的无返回力矩钟表机构及其受力分析为了实现不同轴向过载下对应的延期解除保险距离基本不变，最常见的是采用轴向过载驱动的无返回力矩钟表机构1。由于无返回力矩擒纵调速器的振动周期与擒纵轮驱动力矩相关，力矩大时周期短，力矩小时周期长，这样可以基本消除后坐过载变化的影响2、3。为了进一步消除横向过载的影响，可以将驱动件设计成对

3、称设置的偏心双转子结构，如图1所示。这种结构可以同时消除轴向过载变化和横向过载有无及其大小的影响。偏心双转子在主动段的受力分析如图2所示。图1偏心双转子结构图2双转子在主动段的受力分析2.1两个转子因轴向加速度和横向加速度所产生的力矩雷管转子产生的力矩MD：MD=SDrCDcos180-(45+D+)+SLDrCDsin180-(45+D+)(1)平衡转子产生的力矩MB：MB=SBrCBcos(B-45-)-SLDrCBsin(CB-45-)(2)式中SD=AAmD;SB=AAmB;SLD=ANmD;SLB=ANmB。式中SD、SA雷管转子所受后坐力矩、平衡转子所受后坐力矩；SLD、SLB雷管

4、转子所受的横向惯性力矩、平衡转子所受的横向惯性力矩；AA、AN导弹轴向加速度、导弹横向加速度。当两个转子的转轴采用微型轴承支撑时，轴向加速度和横向加速度在轴承上产生的摩擦力矩可以忽略。rCD、RCB雷管转子质心距轴心的距离、平衡转子质心距轴心的距离；D、B雷管转子质心初始角、平衡转子质心初始角；mD、mB雷管转子质量、平衡转子质量；雷管转子、平衡转子的转角。2.2两个转子的合成力矩MCMC=MD+MBMC=AAmDrCDcos(135-D-)+mBrCBcos(B-45-)+ANmDrCDsin(135-D-)-mBrCBcos(B-45-)(3)当雷管转子与平衡转子完全对称时，下列等式成立：

5、mD=mB;rCD=rCB,D=B；135-D=B-45，上式中第二项即可消除，即双转子的横向加速度的效应可以相互抵消，只剩轴向过载产生的驱动力矩。MC=AAmDrCDcos(135-D-)+mBrCBcos(B-45-)=2AAmDrCDcos(135-D-)(4)3基于WorkingModel的机构动态特性综合仿真WorkingModel仿真软件是由KnowledgeRevolutionCorp.开发的基于微机平台的三维机构分析、动态仿真软件，它运行于Windows95或WindowsNT上，具有优化的用户界面。它利用与之配套的各种专业三维CAD软件(例如MDT-MechanicalDes

6、ktop)所建立的机构三维虚拟实体模型直接进行动态仿真，就象在真实世界一样动作，无需用户对机构的运动特性进行数学描述。同时还可以生成各种用户所需仿真结果的数据和曲线。WorkingModel软件从建模到仿真的流程图如图3所示。图3WorkingModel3D的基本工作流程图本文将完全利用WorkingModel的仿真称为“完全虚拟样机仿真”，即把三维虚拟样机模型完整地作为WorkingModel的仿真对象，不对模型作任何简化工作，完全按照实际情况进行仿真。d882006-02-21 20:42作者利用WorkingModel所进行的大量完全虚拟样机仿真结果表明，对于运动传递环节比较多的复杂模型

7、，例如具有两套过渡轮系的三中心无返回力矩钟表机构，利用WorkingModel进行的完全虚拟样机仿真需要很高的解算精度、很长的解算时间和很大的磁盘空间。这是因为无返回力矩擒纵机构的擒纵轮在转动过程中其轮齿与平衡摆上的销钉(或卡瓦)发生碰撞，形成平衡摆的振动，该振动再通过擒纵轮和传动轮系传递到驱动件(转子或齿条)上。这种不平稳的运动传递，在擒纵轮轴齿与第二过渡轮片之间、第二过渡轮轴齿与第一过渡轮片之间、第一过渡轮轴齿与驱动件之间，以及各运动件与支撑件(如夹板)之间均存在约束和碰撞，图4显示了发生碰撞的碰撞点。实际计算表明解算一个三中心无返回力矩钟表机构的安全系统在主动段内的运动特性，必须将仿真精

8、度设定为10-6ms，假如需要完成2s运动过程的仿真工作，在主频为200兆的PC机上运行，需要5.5556102天即1.5432年、50104兆的硬盘空间，当内存不足时，会出现死机现象，仿真过程就进行不下去。 图4钟表机构运动时的碰撞点针对上述问题，本文提出一种“计算机综合仿真方法”，即将仿真对象核心部分的虚拟实体完整地保留，而对它的非核心部分，通过对运动过程的分析，利用数学模型来表达其动态特性，即将整个仿真对象通过数学建模和虚拟实体建模予以综合描述。将数学模型描述那部分结构的运动学和动力学特征加载到核心部分的虚拟实体上，再利用WorkingModel对它的运动学和动力学特性进行仿真，这样就可

9、以解决前述的仿真时间过长、内存过大，以致在实践上无法完成仿真任务的问题，同时又能够准确地描述仿真对象的运动特性。对于无返回力矩钟表机构，其核心部分是擒纵调速器，非核心部分是传动轮系。核心部分和非核心部分的关系是力矩传递和运动传递，它们可以用数学模型的形式表达。因此，将擒纵调速器的虚拟实体完整地保留，而将驱动件通过传动轮系向擒纵轮传递力矩的过程用数学模型表达，并加载到擒纵轮上，利用WorkingModel对擒纵机构的虚拟实体进行动力学仿真，得到擒纵轮的间歇运动规律，即转角-时间关系，再通过传动比得到驱动件的转角-时间或位移-时间关系。为了利用WorkingModel对擒纵机构擒纵轮和平衡摆进行三

10、维虚拟实体动态仿真，需要建立擒纵等效驱动力矩数学模型和擒纵轮等效转动惯量的数学模型。根据传动原理两个转子的合成驱动力矩传递到擒纵轮上的等效驱动力矩MED为ME=234MC(N2N3N4)(5)式中2、3、4为平衡转子齿轮与第一过渡轮齿轴、第一过渡轮与第二过渡轮齿轴、第二过渡轮与擒纵轮齿轴的啮合效率；N2、N3、N4为平衡转子齿轮与第一过渡轮齿轴、第一过渡轮与第二过渡轮齿轴、第二过渡轮与擒纵轮齿轴的速比。平衡转子转角a与擒纵轮转角之间的关系为a=/N2N3N4(6)将式(6)代入式(3)，再代入式(5)，得擒纵轮的驱动力矩上式中除是变量外，其余均为常数。当雷管转子与平衡转子完全对称时，横向加速度

11、可以不考虑，擒纵轮的等效驱动力矩为：(8)折合到擒纵轮上的传动轮系轴径处的摩擦力矩(9)式中m1、m2、m3分别为第一过渡轮、第二过渡轮和擒纵轮三个部件的质量；d1、d2、dE分别为第一过渡轮、第二过渡轮和擒纵轮三个部件前后轴径的直径；f为摩擦系数。擒纵轮所受净驱动力矩MER和MEDRMED=ME-Mf(10)MEDR=MED-Mf(11)式中ME和MED分别按式(7)和(8)计算。按照系统能量守恒原理，驱动件(转子)和传动轮系在运动时存在惯性，必须将转子传动轮系擒纵轮系统的转动惯量折合到擒纵轮上，即擒纵轮的等效动能与系统的动能相等，因而有：(12)式中IED为擒纵轮部件的等效传动惯量；ID、

12、IB、I1、I2、IE分别为雷管转子部件、平衡转子部件、第一过渡轮部件、第二过渡轮部件和擒纵轮部件的原始转动惯量；*1、*2、*分别为第一、第二过渡轮和擒纵轮的角速度。由于将上面三个方程代入(12)式中，得擒纵轮的等效转动惯量d882006-02-21 20:43replyview (13)4仿真结果及其分析选择与美国MIM-104“爱国者”地空导弹配用的M143安全系统结构形态相同的双偏心转子驱动的无返回力矩钟表机构作为仿真对象4，按本文提出的数学模型/三维虚拟实体综合仿真方法进行仿真，取轴向过载AA、横向过载AN不同的组合，仿真结果如图511所示。图5不同轴向和横向过载下导弹飞行距离与时间的关系上述结果的数据汇总于表1。表1不同轴向过载和横向过载组合下的转子转正时间与解除保险距离AA(g)AN(g)转子转正时间(s)解除保险距离(m)1002.845395.211502.2814382.6415382.3817417.352001.9704380.00从表1可以看出：(1)在相同横向过载下轴向过载变化时，安全系统解除保险距离的变化范围很小，说明利用