楊 臻，李永振，朱明一

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

小口徑艦炮的補(bǔ)退彈接口裝置設(shè)計(jì)與仿真

楊 臻，李永振，朱明一

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

設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)退彈接口裝置，能夠快速排除補(bǔ)彈過程中出現(xiàn)的卡彈故障，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化補(bǔ)彈、退彈以及再行補(bǔ)彈；并介紹了補(bǔ)退彈接口裝置的工作原理。利用CATIA建立三維模型，通過ADAMS對(duì)該裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。分析表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化補(bǔ)彈，提高補(bǔ)彈速度。

機(jī)械設(shè)計(jì)；補(bǔ)彈；卡彈；再行補(bǔ)彈；ADAMS

隨著自動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小口徑艦炮的射速不斷提高，彈藥消耗速度加快，補(bǔ)彈技術(shù)已經(jīng)成為高射速自動(dòng)炮具備持續(xù)作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵技術(shù)。

現(xiàn)有的補(bǔ)彈系統(tǒng)多為彈鏈補(bǔ)彈，因其結(jié)構(gòu)限制，補(bǔ)彈速度很低，無鏈補(bǔ)彈仍處于研究階段，應(yīng)用較少?，F(xiàn)有的無鏈?zhǔn)窖a(bǔ)彈裝置在補(bǔ)彈過程中如遇卡彈問題［1］，只能通過人工干預(yù)來對(duì)卡彈做出處理，即停止補(bǔ)彈，人工反轉(zhuǎn)退彈手柄將卡滯的炮彈后退若干彈位，然后人工用力正轉(zhuǎn)退彈手柄，使之前卡滯的炮彈利用慣性猛沖入彈鼓。此過程不僅增加士兵的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且耗費(fèi)大量時(shí)間，無法保證彈藥即時(shí)補(bǔ)給［2］。國外無鏈補(bǔ)彈系統(tǒng)有美國的A10飛機(jī)無鏈補(bǔ)彈裝置。

筆者針對(duì)某小口徑艦炮的彈鼓裝彈數(shù)量有限，射速高，當(dāng)完成幾次打擊后需要補(bǔ)彈，設(shè)計(jì)了一種新型補(bǔ)退彈接口裝置。新設(shè)計(jì)的補(bǔ)退彈接口裝置連接彈鼓和柔性導(dǎo)引，在整個(gè)補(bǔ)彈系統(tǒng)中起著傳送和協(xié)調(diào)作用，能快速排除補(bǔ)彈過程中出現(xiàn)的卡彈故障。該裝置對(duì)補(bǔ)彈、退彈和再行補(bǔ)彈做出自動(dòng)化處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化補(bǔ)彈，并提高其補(bǔ)彈速度，是彈鼓式無鏈供彈系統(tǒng)的重要部件。

1 補(bǔ)退彈接口裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為補(bǔ)退彈接口裝置結(jié)構(gòu)圖，包括撥彈鏈組件、撥彈齒組件、彈簧組件、軌道板圓弧空位、隔彈門組件和提彈鏈組件。各組件功能如下：

1）撥彈鏈組件：用于將從彈鼓輸出的炮彈送入撥彈齒組件。

2）撥彈齒組件：用于將炮彈撥入圓弧空位內(nèi)并將其傳遞至提彈鏈組件。

3）彈簧組件：支撐炮彈并施加作用力使炮彈順利進(jìn)入提彈鏈鏈齒作用范圍。

4）軌道板圓弧空位：為退彈提供退彈空位，保證退彈與再行補(bǔ)彈協(xié)調(diào)。

5）隔彈門組件：起到隔離進(jìn)、退彈路徑及對(duì)炮彈的限位作用。

6）提彈鏈組件：提彈鏈鏈齒撥動(dòng)炮彈在提彈軌道板內(nèi)上移補(bǔ)彈或下移退彈。

補(bǔ)退彈接口裝置是通過上述各組件的協(xié)同工作來保證補(bǔ)彈過程中對(duì)卡彈、退彈以及再行補(bǔ)彈做出快速而準(zhǔn)確的處理，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)補(bǔ)彈過程中無空位補(bǔ)彈和防止一位多彈現(xiàn)象，使補(bǔ)彈順利、高效的進(jìn)行，保證后勤補(bǔ)給工作，提高武器的作戰(zhàn)效能［3-4］。

2 補(bǔ)退彈接口裝置工作原理

2.1 補(bǔ)彈原理

補(bǔ)彈時(shí)，由彈鼓向補(bǔ)退彈接口裝置送入炮彈，如圖1所示。炮彈在本裝置內(nèi)的傳送過程分為兩個(gè)階段：撥彈階段和提彈階段。

2.1.1 撥彈階段

炮彈進(jìn)入補(bǔ)退彈接口裝置后，首先進(jìn)入撥彈鏈，如圖2所示。當(dāng)炮彈至臨近軌道板圓弧空位處時(shí)，炮彈進(jìn)入撥彈齒撥動(dòng)范圍，此時(shí)炮彈交由撥彈齒撥動(dòng)炮彈，由撥彈齒撥入軌道板圓弧空位。圓弧空位中補(bǔ)彈過程如圖3所示。

2.1.2 提彈階段

炮彈進(jìn)入圓弧空位后，彈簧組件的托板支撐炮彈，彈簧被壓縮，并存儲(chǔ)能量。當(dāng)炮彈移動(dòng)至圓弧空位下極限位置時(shí)，彈簧被壓縮至最大壓縮量，撥彈齒繼續(xù)撥動(dòng)炮彈并且壓縮彈簧及托板對(duì)炮彈施加作用力，釋放存儲(chǔ)能量，使其越過下極限位置，直至炮彈脫離撥彈齒的撥動(dòng)范圍，并在托板的作用力下沿軌道移動(dòng)至隔彈門處，并進(jìn)入提彈鏈組件作用范圍。提彈鏈組件將炮彈上提，送入柔性導(dǎo)引。

2.2 退彈原理

若補(bǔ)彈過程中發(fā)生卡滯現(xiàn)象，須將卡滯炮彈后退，故裝置由補(bǔ)彈過程轉(zhuǎn)為退彈過程［5］。

退彈時(shí)，彈鼓電機(jī)停轉(zhuǎn)，使撥彈鏈鏈輪軸和撥齒軸停轉(zhuǎn)，處于撥彈鏈內(nèi)的炮彈停止移動(dòng)。柔性導(dǎo)引電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)提彈鏈鏈輪軸反轉(zhuǎn)，由提彈鏈鏈齒的反向移動(dòng)帶動(dòng)炮彈沿導(dǎo)軌板下移，實(shí)現(xiàn)退彈工作。隔彈門分辨退彈時(shí)離它最近的炮彈是否應(yīng)該進(jìn)入圓弧空位來形成下一次補(bǔ)彈的空位補(bǔ)償［6］，以下是隔彈門兩種狀態(tài)下的退彈情況。

2.2.1 隔彈門閉合狀態(tài)

當(dāng)補(bǔ)彈過程中發(fā)生卡滯現(xiàn)象時(shí)隔彈門為閉合狀態(tài)時(shí)，停滯在提彈軌道板內(nèi)的炮彈可沿該軌道板順利退下。退彈過程如圖4所示。

2.2.2 隔彈門打開狀態(tài)

當(dāng)補(bǔ)彈過程中發(fā)生卡滯現(xiàn)象時(shí)隔彈門為打開狀態(tài)時(shí)，退彈啟動(dòng)后該炮彈在提彈鏈鏈齒的推力下被壓入軌道板圓弧空位內(nèi)，隔彈門閉合，提彈軌道板與圓弧空位隔離，余下提彈軌道板內(nèi)的炮彈可沿軌道依次退下。退彈過程如圖5所示。

2.3 再行補(bǔ)彈原理

當(dāng)卡滯的炮彈退至不影響再行補(bǔ)彈的位置，須停止退彈狀態(tài)，轉(zhuǎn)為再行補(bǔ)彈。再行補(bǔ)彈過程分為回補(bǔ)退彈和繼續(xù)補(bǔ)彈兩個(gè)階段，整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了無空位補(bǔ)彈和防止一位多彈現(xiàn)象。再行補(bǔ)彈如圖6所示。

2.3.1 回補(bǔ)退彈

柔性導(dǎo)引電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)提彈鏈鏈輪正轉(zhuǎn)，由鏈齒上移帶動(dòng)提彈軌道板內(nèi)處于提彈鏈提升范圍內(nèi)的炮彈提升。在這個(gè)過程中，由于提彈鏈內(nèi)炮彈限制隔彈門打開，因此圓弧空位內(nèi)的炮彈無法進(jìn)入提彈鏈組件。從而防止一位多彈現(xiàn)象和卡鏈導(dǎo)致的回補(bǔ)卡滯。

2.3.2 繼續(xù)補(bǔ)彈

當(dāng)回補(bǔ)退彈過程完畢，最后一發(fā)在提彈鏈內(nèi)的炮彈被提至高于隔彈門，無法阻擋隔彈門打開，位于圓弧空位的炮彈可以進(jìn)入提彈鏈組件，此時(shí)啟動(dòng)彈鼓電機(jī)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)無空位補(bǔ)彈。

3 補(bǔ)退彈接口裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

通過三維建模軟件CATIA對(duì)整個(gè)補(bǔ)退彈接口裝置各零部件三維建模并裝配，導(dǎo)入ADAMS對(duì)補(bǔ)退彈接口裝置的三種工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真初始條件規(guī)定為：補(bǔ)彈速度取200發(fā)／min，補(bǔ)彈數(shù)量取600發(fā)。

3.1 對(duì)補(bǔ)彈過程仿真分析

仿真得出炮彈在整個(gè)補(bǔ)彈過程中的受力曲線圖如圖7所示。

最大受力為瞬時(shí)沖擊力1 321N，為炮彈改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)軌道給予炮彈的沖擊力，其他時(shí)刻受力很小，能夠保證炮彈在補(bǔ)彈過程中的安全性［7］。

圖8為隔彈門在補(bǔ)彈過程中的受力圖，在補(bǔ)彈過程中隔彈門打開后靠扭轉(zhuǎn)彈簧回位并撞擊托板的瞬間受的沖擊力最大。由圖可知，隔彈門所受的沖擊力在第1發(fā)彈通過時(shí)最大，其后炮彈通過時(shí)，受力很小。

為減小隔彈門的瞬時(shí)沖擊，將隔彈門與托單板的接觸處安裝橡膠，以吸收能量，緩和沖擊，減小振動(dòng)。

3.2 對(duì)退彈過程仿真分析

退彈過程中，隔彈門閉合狀態(tài)較為簡單，而隔彈門打開狀態(tài)時(shí)比較復(fù)雜，因此對(duì)隔彈門開啟狀態(tài)時(shí)的退彈進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析。

圖9為退彈過程中的第1發(fā)炮彈受力圖，由圖可知，受力最大點(diǎn)為炮彈被提彈鏈壓入圓弧空位的瞬間沖擊，大小為500N。

圖10為退彈過程中的第2發(fā)炮彈受力圖，由圖可知，受力最大點(diǎn)為炮彈擠入隔彈門側(cè)面時(shí)，隔彈門對(duì)炮彈的壓力，大小為600N。

圖11為某一炮彈退彈過程中對(duì)隔彈門的作用力，每發(fā)炮彈在退彈過程中對(duì)隔彈門的作用力大小均相同。

3.3 對(duì)再行補(bǔ)彈過程仿真分析

再行補(bǔ)彈過程中的第1發(fā)彈受力如圖12所示，炮彈最大受力為700N，且均為瞬時(shí)沖擊力，因此炮彈的彈殼不會(huì)因長時(shí)間受較大作用力而變形。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)補(bǔ)退彈接口裝置能夠有效處理補(bǔ)彈系統(tǒng)中的卡彈問題，無需人工干預(yù)，減少士兵的勞動(dòng)強(qiáng)度。為自動(dòng)化補(bǔ)彈裝置的研制提供一種應(yīng)對(duì)炮彈卡滯故障的自動(dòng)化處理方法。

通過對(duì)補(bǔ)退彈接口裝置的三種工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出隔彈門和炮彈的受力圖，通過仿真分析可知，此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化補(bǔ)彈、退彈和再行補(bǔ)彈，為今后的補(bǔ)彈探索出一種新的技術(shù)途徑。

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Design and Simulation of Ammunition Supplement and Returning Interface Device in the Small Caliber Naval Gun

YANG Zhen，LI Yongzhen，ZHU Mingyi

（College of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

A kind of the interface device of the ammunition supplement and returning was designed.This device can quickly eliminate the ammunition returning fault occurred during the process of ammunition supplement，and three types of working conditions were realized such as automatically ammunition supplement，ammunition returning and ammunition supplement again.The operating principle of the ammunition supplement and returning interface device was introduced.The 3Dmodel was established by use of CATIA，and the device performed the kinematics simulation and analysis with the help of ADAMS.The analysis showed that the device can realize the ammunition supplement automatically，and improve the speed of ammunition supplement.

mechanical design；ammunition supplement；ammunition returning；ammunition supplement again；ADAMS

TJ303

A

1673-6524（2014）02-0025-05

2013-11-19；

2013-12-26

楊臻（1965-），男，博士后，教授，主要從事自動(dòng)武器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究。E-mail：1139663962＠qq.com