裴暢貴 ，李太陽(yáng) ，張廣輝 ，陶振習(xí) ，郭張霞

（1.中北大學(xué)，太原 030051；2.北京理工大學(xué)，北京 100081；3.重慶長(zhǎng)安工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 401120）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天，各國(guó)國(guó)防對(duì)于火炮全自動(dòng)化的研究投入不斷增加。無(wú)人火炮的概念研究也越來(lái)越受到重視，因而，作為火炮無(wú)人化的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，彈藥自動(dòng)補(bǔ)給的研究至關(guān)重要。結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的研究經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)外的研究成果，筆者提出了一種新型的轉(zhuǎn)彈器，其主要作用是快速準(zhǔn)確地將輸彈機(jī)運(yùn)送過(guò)來(lái)的彈丸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)［1］，之后再將彈丸推送到火炮內(nèi)的雙層自動(dòng)化彈倉(cāng)中，由于在對(duì)上層彈倉(cāng)補(bǔ)彈的同時(shí)，完成轉(zhuǎn)彈器內(nèi)彈丸的裝填，充分利用了推送彈丸入倉(cāng)的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)雙層彈倉(cāng)快速補(bǔ)彈，在一定程度上提高了補(bǔ)彈效率，具有較好的理論意義和參考價(jià)值。

1 轉(zhuǎn)彈器

轉(zhuǎn)彈器的基本組成部分有彈筒、推彈器、電機(jī)等。其與底座的連接方式為限位轉(zhuǎn)動(dòng)，即通過(guò)齒輪和底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)配合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彈筒在特定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)彈器總體結(jié)構(gòu)圖

2 轉(zhuǎn)彈器工作過(guò)程

轉(zhuǎn)彈器的完整流程由4個(gè)步驟組成:首先轉(zhuǎn)彈筒1位于中間位置時(shí)，接收輸彈機(jī)輸送過(guò)來(lái)的彈丸，之后轉(zhuǎn)彈筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，使轉(zhuǎn)彈筒1與上層自動(dòng)彈倉(cāng)的輸彈中心線對(duì)齊；此時(shí)，推彈器1工作，將轉(zhuǎn)彈筒1中的彈丸推入自動(dòng)化彈倉(cāng)中，與此同時(shí)，輸彈機(jī)將第2發(fā)彈丸強(qiáng)制位移，進(jìn)入轉(zhuǎn)彈筒2中；之后，通過(guò)齒輪控制，在逆時(shí)針?lè)较蛏?，轉(zhuǎn)彈筒轉(zhuǎn)動(dòng)π/2，使轉(zhuǎn)彈筒2與相應(yīng)的自動(dòng)彈倉(cāng)儲(chǔ)彈筒的形心重合。此時(shí)，推彈器2的推彈鏈頭工作，將彈丸強(qiáng)制位移，使其進(jìn)入彈倉(cāng)。在該時(shí)間行程內(nèi)，輸彈機(jī)將第3發(fā)彈丸送入轉(zhuǎn)彈筒1內(nèi)，一個(gè)工作循環(huán)完成。轉(zhuǎn)彈器整個(gè)工作循環(huán)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)彈器工作循環(huán)圖

3 動(dòng)力學(xué)仿真

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人火炮轉(zhuǎn)彈器的實(shí)際工作條件與理想條件相差甚遠(yuǎn)，因此，轉(zhuǎn)彈器的實(shí)際性能與設(shè)計(jì)性能是否匹配十分重要，并且對(duì)于能否實(shí)現(xiàn)彈丸的運(yùn)送起決定性作用。故在文中對(duì)轉(zhuǎn)彈器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析是十分有必要的。通過(guò)分析，可以知曉其功能，并對(duì)其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到要求進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 建立模型

文中假設(shè)各個(gè)零部件全部不考慮尺寸誤差以及其公差，以此來(lái)簡(jiǎn)化模型，更直觀地了解模型的運(yùn)動(dòng)特性，建立虛擬樣機(jī)時(shí)的幾點(diǎn)說(shuō)明:

3.1.1 齒輪

在該機(jī)構(gòu)中，齒輪作為能量傳送的主要構(gòu)件，作用重大。模擬時(shí)，采用添加齒輪副的方式進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)齒輪副中包含兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副、一個(gè)方向坐標(biāo)。通過(guò)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副的不同組合（例如，旋轉(zhuǎn)副、滑移副和圓柱副），能夠模擬直齒齒輪、行星齒輪、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、斜齒輪、錐齒輪等各種不同的傳動(dòng)形式。本文中涉及到的齒輪運(yùn)動(dòng)副都是旋轉(zhuǎn)副，模擬直齒齒輪的傳動(dòng)形式。除此之外，還需要規(guī)定一個(gè)齒輪的載體，即共同件。通常是和地面固連的構(gòu)件（如箱體等結(jié)構(gòu)），本文的共同件是箱體。

3.1.2 輔助部件的模擬設(shè)置

在推彈鏈頭和彈底、彈丸側(cè)面和彈倉(cāng)內(nèi)壁、轉(zhuǎn)彈筒外側(cè)和固定底座之間都設(shè)置為面接觸。在轉(zhuǎn)彈器旋轉(zhuǎn)軸位置設(shè)置旋轉(zhuǎn)副。

通過(guò)約束設(shè)置，得到轉(zhuǎn)彈器虛擬樣機(jī)，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)彈器動(dòng)力學(xué)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 轉(zhuǎn)彈器翻轉(zhuǎn)流程的仿真

通過(guò)分析下頁(yè)圖4可以得知，0～0.1 s之間，電機(jī)加速運(yùn)行；0.1 s～0.4 s時(shí)，電機(jī)勻速運(yùn)行。在該時(shí)間行程內(nèi)，大齒輪以恒定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，其速度為225 d/s。在之后的 0.4 s～0.5 s之內(nèi)，電機(jī)減速運(yùn)行。通過(guò)對(duì)速度曲線的分析，可以判斷出模擬電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與設(shè)計(jì)基本吻合。

圖4 大小齒輪角速度曲線

如圖5所示，在轉(zhuǎn)彈器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，彈丸隨轉(zhuǎn)彈筒一起做圓周運(yùn)動(dòng)。

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中彈丸質(zhì)心在各個(gè)軸上速度曲線

由于在虛擬樣機(jī)設(shè)置時(shí)，彈丸與轉(zhuǎn)彈筒之間有微小的間隙，在轉(zhuǎn)彈筒剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈丸會(huì)在重力作用下沿Y方向瞬間掉落，故圖中彈丸在Y軸方向剛開(kāi)始會(huì)有向下的速度。當(dāng)彈丸與轉(zhuǎn)彈筒正常接觸后，其在X和Y軸方向上的速度符合圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，與設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符。從圖中可以看出彈丸在Z軸方向上也存在微小的速度，這是由于彈丸在翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，存在微小震動(dòng)，故在Z軸方向上有微小的速度，符合實(shí)際情況，也不影響轉(zhuǎn)彈器的正常工作。

圖6 轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中彈丸在各個(gè)軸上的位移曲線

如圖6所示，經(jīng)過(guò)0.5 s，彈丸在X和Y軸方向上的位移距離都為150 mm，表明轉(zhuǎn)彈器能夠?qū)椡铚?zhǔn)確地運(yùn)送到指定位置。同時(shí)，在圖中也能發(fā)現(xiàn)彈丸在Z軸方向上有大約3 mm的位移，這是由于在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中彈丸震動(dòng)所造成的，屬于微小的誤差，可以接受，并不影響轉(zhuǎn)彈器的正常工作［2］。

在實(shí)際輸送過(guò)程中，彈丸外側(cè)會(huì)與筒壁產(chǎn)生持續(xù)的微小碰撞，通過(guò)定量分析，其產(chǎn)生的最大接觸力為3 846 N，可以將其作為后續(xù)強(qiáng)度校核的一個(gè)重要依據(jù)。

3.2.2 鏈頭強(qiáng)制位移彈丸動(dòng)作的仿真分析

圖7 推彈過(guò)程中彈丸和鏈頭的速度曲線及其碰撞力曲線

在動(dòng)作過(guò)程中，彈丸在轉(zhuǎn)彈筒的作用下，進(jìn)行指定程序的姿態(tài)改變，之后推彈鏈頭將彈丸強(qiáng)制位移，進(jìn)入自動(dòng)化彈倉(cāng)。在圖7曲線中，可以發(fā)現(xiàn)，其上有間斷和跳躍出現(xiàn)。其所對(duì)應(yīng)的實(shí)際情況為彈丸和推彈鏈頭之間持續(xù)不斷的接觸和分離，引起這種情況的主要原因是由于鏈頭對(duì)彈丸有沖量的作用，在接觸瞬間，彈丸底部與鏈頭之間會(huì)有比較大的碰撞力，因此，會(huì)賦予彈丸很大的加速度，使彈丸速度短時(shí)間內(nèi)迅速提升，從而與鏈頭分離。分離后，在摩擦力以及筒壁的碰撞作用下，其速度和相對(duì)鏈頭的距離逐漸減小。彈丸與鏈頭之間這種不斷接觸和分離的情況會(huì)嚴(yán)重影響彈丸的準(zhǔn)確輸送與推彈器鏈條的使用壽命［3］。

圖8 彈丸及鏈頭的位移曲線

對(duì)圖8中的曲線進(jìn)行分析，在彈丸的一個(gè)強(qiáng)制位移行程中，其位移為532 mm，與我們的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相比，其誤差很小，可以接受。

4 有限元分析

在彈丸姿態(tài)位置改變的整個(gè)過(guò)程中，由于重力和各種沖量載荷的存在，彈丸與筒壁之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種有害碰撞，這種碰撞對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是十分有害的。因此，采用有限元軟件對(duì)撥彈片進(jìn)行受力分析［4］。

4.1 模型的導(dǎo)入

文中采用ANSYS WOEKBENCH有限元軟件進(jìn)行分析，將在PROE中建立的轉(zhuǎn)彈筒的三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，然后進(jìn)行材料屬性設(shè)置，轉(zhuǎn)彈筒的材料為40 Cr，密度為7 850 kg/m^3，彈性模量為2.1E11，泊松比為 0.28。

4.2 靜力學(xué)分析

對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，施加載荷，之后進(jìn)行分析。其應(yīng)力和總變形云圖如圖9、圖10所示。

圖9 轉(zhuǎn)彈器應(yīng)力云圖

圖10 轉(zhuǎn)彈器總體變形云圖

從圖9可以看出，轉(zhuǎn)彈筒在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彈筒內(nèi)部偏上部位，最大應(yīng)力值為105 MPa，這主要是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彈筒翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于彈丸震動(dòng)，彈帶與此處接觸碰撞所造成的。由圖10變形云圖可以看出，位移較大的區(qū)域出現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸附近，最大變形在彈筒壁上端為0.28 mm。在實(shí)際設(shè)計(jì)中所選材料為40 Cr，其強(qiáng)度極限為785 MPa。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，得知該強(qiáng)度可以滿足設(shè)計(jì)要求。在之后的工作中，可以根據(jù)靜力學(xué)的分析結(jié)果進(jìn)行下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減輕其重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使其結(jié)構(gòu)更加合理優(yōu)化［5-7］。

5 結(jié)論

1）該轉(zhuǎn)彈器是利用齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)彈筒的方式進(jìn)行彈丸翻轉(zhuǎn)的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和輸送效率高的優(yōu)點(diǎn)。

2）通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析，可以得到轉(zhuǎn)彈筒與彈丸、推彈鏈頭與彈丸的接觸力。通過(guò)使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析可以得到轉(zhuǎn)彈筒的應(yīng)力、位移和總變形量的云圖，計(jì)算結(jié)果表明應(yīng)力及位移滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彈器的模擬研究，表明其整體工作過(guò)程可靠、穩(wěn)定，能夠完成其設(shè)計(jì)指標(biāo)，提高補(bǔ)彈效率，為轉(zhuǎn)彈器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。由于文中僅對(duì)轉(zhuǎn)彈器進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)與模擬研究，缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證的支撐，因此，下一步將會(huì)進(jìn)行實(shí)物加工與驗(yàn)證方面的工作。