曲振森, 薄玉成, 王惠源,曲 普

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

國內(nèi)外先進(jìn)的自行火炮都廣泛采用了自動或半自動的輸彈機(jī)構(gòu)，與人工裝填相比，用輸彈機(jī)構(gòu)裝填彈藥，首先可以減輕炮手的勞動強度，其次可以解決高角射擊時人工裝填困難的問題，再次還可以保證較好的裝填一致性，有利于提高火炮的射擊精度。鑒于輸彈機(jī)構(gòu)裝填彈藥對火炮射速和射擊精度的提高，對輸彈機(jī)構(gòu)的研究一直都具有重要的意義[1]。

1 臂式輸彈機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，輸彈機(jī)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)采用的是齒輪結(jié)構(gòu)，圖中圓代表齒輪[2]。太陽輪1固定在托彈架8的側(cè)板上不轉(zhuǎn)動；擺臂a端與太陽輪中心連接，可繞太陽輪中心(a端)自由轉(zhuǎn)動；惰輪2連接在擺臂上與太陽輪嚙合，且能夠自由轉(zhuǎn)動；行星輪3連接在擺臂的b端并與惰輪嚙合，也可以自由轉(zhuǎn)動；輸彈臂5的一端與行星輪固連，隨行星輪轉(zhuǎn)動；為了減小工作時輸彈臂c端與彈底的摩擦力可在c端加上輸彈輪6。

如圖1的方向箭頭所示，輸彈機(jī)構(gòu)工作時，電機(jī)驅(qū)動主動元件，由于各構(gòu)件之間的相互約束，擺臂的b端就沿箭頭方向轉(zhuǎn)動，輸彈臂在隨擺臂轉(zhuǎn)動的同時，其c端始終保持在輸彈中心線上并按圖中箭頭方向運動。

當(dāng)擺臂5轉(zhuǎn)過90°，也就是直線ab處于豎直位置時，輸彈臂也運動到位，此時輸彈臂端點連線bc與擺臂中心線ab重合，推彈動作完成，彈丸進(jìn)入慣性輸彈行程，輸彈機(jī)構(gòu)運動構(gòu)件復(fù)位。由于輸彈機(jī)構(gòu)完成一次輸彈的動作(初位置→推彈→復(fù)位)的過程，與人手臂的蜷縮和伸展動作相似，故為該機(jī)構(gòu)取名為臂式輸彈機(jī)構(gòu)。

該機(jī)構(gòu)功能的實現(xiàn)，最關(guān)鍵的部分在于太陽輪和行星輪之間的傳動比，傳動比的確定要保證當(dāng)擺臂4的端點連線ab轉(zhuǎn)動至豎直位置時，輸彈臂5的端點連線bc與之重合。只有確定了恰當(dāng)?shù)膫鲃颖龋拍芡ㄟ^齒輪間的約束關(guān)系，使輸彈輪的中心始終在輸彈中心線上，從而保證彈丸的受力點和運動過程中受到的推力方向不變。

2 輸彈機(jī)構(gòu)的仿真及結(jié)果分析

2.1 輸彈過程分析

輸彈的整個過程分為強制輸彈行程和慣性輸彈行程，強制輸彈行程是輸彈機(jī)構(gòu)對彈丸作用的過程，慣性行程是強制輸彈結(jié)束后彈丸靠慣性繼續(xù)運動直至定位的過程。要保證較好的裝填一致性，避免“恒力”輸彈對火炮射擊精度的產(chǎn)生的不利影響，在不同射角時需要的強制輸彈力是不同的[3]。

如圖2所示，建立輸彈過程的物理模型，其中:F為彈丸受到的強制輸彈力;Lq為強制輸彈行程;Lg為慣性輸彈行程;H為彈丸上升的高度;Fn為彈丸重力垂直輸彈中心線分力;Fr為彈丸重力在輸彈中心線上的分力;Fr對彈丸進(jìn)行受力分析，于是有：

Fn=mgcosθ

(1)

Fr=mgsinθ

(2)

由機(jī)械能守恒定理得出：

FLq-mgsinθ(Lq+Lg)-μmgcosθ(Lq+Lg)=

(3)

(4)

式中:θ為火炮射角;m為彈丸質(zhì)量;μ為摩擦系數(shù);vq為強制輸彈結(jié)束時彈丸的速度;vk為彈丸定位所需的卡膛速度。

由公式(3)、(4)得：

(5)

(6)

輸彈過程中強制輸彈時間為T1，慣性輸彈時間為T2：

(7)

(8)

由以上分析，在給定θ的值時，用公式(5)計算得到的F值是一個固定值，當(dāng)結(jié)合到臂式輸彈機(jī)構(gòu)本身時，在強制輸彈階段又有自己的特點。

如在第1部分中說明的一樣，要實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的功能，在圖3中必須滿足兩個基本條件：

1)太陽輪O1與行星輪O3的傳動比應(yīng)滿足：

i13=ω1/ω3=β/α

(9)

式中:ω1為擺臂轉(zhuǎn)動的角速度;ω3為輸彈臂繞圓心O3轉(zhuǎn)動的角速度;α為初始位置擺臂與輸彈臂的夾角;β為推彈動作結(jié)束時擺臂轉(zhuǎn)過的角度。

2)輸彈臂l2與擺臂l1的長度應(yīng)滿足：

l2-l1=e

(10)

式中：e為O1到輸彈中心線的垂直距離。

當(dāng)在擺臂a端施加圖中所示的轉(zhuǎn)矩M1時，由力平衡的知識可得：

(11)

由圖3可以求得：

φ=π-[α-ω1t(i31-1)]

(12)

則式⑼可轉(zhuǎn)化為：

(13)

式中:λ=l1/l2;ω1為擺臂繞O1轉(zhuǎn)動的角速度。

則強制輸彈行程中，彈丸在輸彈中心線上的運動微分方程為：

(14)

式中:Lg(t)為彈丸強制輸彈行程中的位移函數(shù);F(t)為推彈力函數(shù)。

由式(13)可知，臂式輸彈機(jī)構(gòu)在主動構(gòu)件轉(zhuǎn)速一定時，提供給彈丸的推力F不是一個定值，而是隨時間變化的，在不考慮能量損失的前提下，力F做的功等于力矩M1做的功：

(15)

則消耗的功率為：

(16)

式中：T1=β/ω；β(t)為擺臂轉(zhuǎn)動的角度函數(shù)。

2.2 輸彈機(jī)構(gòu)仿真

以122 mm口徑的彈丸的輸送為例，當(dāng)給定l1=150 mm、λ=0.5，則l2=300 mm、α=5π/6，i13=3∶5，在μ=0.2，m=22，vk=2.5 m/s時,由公式(6)可得不同射角下vq的值(見表1)。

表1 不同射角下vq的數(shù)值

根據(jù)結(jié)構(gòu)原理計算出其他零件尺寸，建立臂式輸彈機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)[4]。為了保證擺臂和輸彈臂等零部件在工作狀態(tài)下受力均衡和輸彈機(jī)構(gòu)動作穩(wěn)定，建立模型時選擇使用了對稱結(jié)構(gòu)。

通過接口模塊將輸彈機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)和彈丸導(dǎo)入仿真軟件，賦予彈丸和輸彈機(jī)構(gòu)各部件材料屬性，仿真軟件會自動計算出它們的質(zhì)量、慣性矩和質(zhì)心等物理信息。利用布爾運算，把沒有相對運動的構(gòu)件簡化為一個剛體，為各個構(gòu)件之間添加必要的運動副和接觸，并在主動件上添加驅(qū)動，進(jìn)行動力學(xué)仿真[5-6]。仿真是在摩擦系數(shù)、剛度系數(shù)等一系列參數(shù)不變的條件下，從兩個方面進(jìn)行：

1)在0射角時，強制輸彈行程相同與強制輸彈行程結(jié)束時彈丸獲得速度相同的情況下，分別對用恒力F推彈和用臂式輸彈機(jī)構(gòu)輸彈進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

2) 在強制輸彈行程相同的情況下，分別在射角為0°、35°和70°時，對輸彈機(jī)構(gòu)輸彈進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

1) 由圖4可知，在推彈位移一定和推彈完成時彈丸獲得速度相同的情況下，臂式輸彈機(jī)構(gòu)輸彈完成輸彈動作所需的時間要比力F為定值時沿輸彈中心線推彈所需的時間短，這對縮短整個輸彈時間乃至提高射速是有積極意義的。

2)從圖5中可以看到，在整個強制輸彈行程中除了起始階段，彈丸質(zhì)心的速度曲線和輸彈臂末端的速度曲線基本上重合。從圖6中也不難發(fā)現(xiàn)，在不同射角時，當(dāng)彈丸的速度開始穩(wěn)定增加后，輸彈臂末端與彈丸的速度曲線也是基本重合的。這就說明在不同射角下輸彈輪都能與彈丸接觸良好，不會發(fā)生明顯脫離，這將有利于彈丸的穩(wěn)定加速。

3)需要說明的是，就圖6來看，在不同射角下，彈丸速度曲線在起始階段都會出現(xiàn)跳躍的現(xiàn)象，之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要原因是主動構(gòu)件的轉(zhuǎn)速不是從0開始逐漸增加到某一穩(wěn)定值，而是從零時刻到仿真結(jié)束始終保持某一定值，而彈丸的速度則需要從0開始增加，彈丸在瞬時獲得很大加速度，速度急劇增加。

4)關(guān)鍵的一點，從圖5中可以看出，彈丸質(zhì)心的加速度曲線在彈丸速度穩(wěn)定增加后沒有較大的波動，結(jié)合圖6中輸彈臂末端的速度曲線也可以得出，在主動件轉(zhuǎn)速恒定的狀態(tài)下，輸彈臂末端的速度是在逐漸增加且沒有較明顯的波動，這就證明了該臂式輸彈機(jī)構(gòu)對彈丸的加速和運動穩(wěn)定更加有利。

3 結(jié) 論

輸彈機(jī)構(gòu)是火炮輸彈系統(tǒng)的重要組成部分，輸彈機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)將直接影響到整個輸彈系統(tǒng)的輸彈效果，本文通過對臂式輸彈機(jī)構(gòu)的建模和仿真分析，闡明了該機(jī)構(gòu)的顯著特性，說明了該輸彈機(jī)構(gòu)對大中口徑火炮的半自動輸彈機(jī)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化有著積極的意義。

[1] 梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2010(9)：103-107.

LING Hui, MA Chun-mao, PAN Jiang-feng,et al.Current situation and development trend of autoloaderin large caliber howitzer[J].Journal of Gun Launch & Control, 2010(9):103-107.(in Chinese)

[2] ADOLF NORDMANN, HOCHDAL, GERMANY. Rammer for projectiles: U.S,3938421[P].Foreign Application Priority Data.1973 .

[3] 趙森,錢勇. 自行火炮半自動裝填機(jī)構(gòu)輸彈問題研究[J].兵工學(xué)報,2005，26(5)：592-594.

ZHAO Sen, QIAN Yong. Ammunition ramming of semi-automatic loading device of the self-propelled gun[J].ACTA Armamentarii, 2005，26(5)：592-594. (in Chinese)

[4] 徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊(第3卷)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1991(1)：10-86.

XU Hao.Mechanical design handbook :third volune[M].Beijing:China Machine Press,1991:10-86. (in Chinese)

[5] 陳立平.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

CHEN Li-ping.Mechanical system dynamics and ADAMS application tutorial[M].Beijing:Tsinghua University Press,2005. (in Chinese)

[6] 李繼科.火炮供輸彈系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)研究[D]. 南京:南京理工大學(xué),2004.

LI Ji-ke. Artillery supply and transport bomb system on virtual prototype technology[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technoloy,2004. (in Chinese)