姜曼　張亞新　徐華　董鴻飛　劉仍貴　李萬敏

摘 要：為解決野戰(zhàn)部隊彈殼回收時的計數(shù)問題，采用3D打印技術(shù)設(shè)計了一種鼠籠式彈殼計數(shù)器。通過理論計算和3D打印核心部件實驗，確定了鼠籠式彈殼計數(shù)器的卡彈槽傾角為31.3°，卡彈機構(gòu)的轉(zhuǎn)速為10r/min。采用3D打印技術(shù)設(shè)計的鼠籠式彈殼計數(shù)器結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)件數(shù)量少，大幅度降低了重量和功耗。實驗結(jié)果表明，彈殼計數(shù)效率為87.4個/分，計數(shù)精度為99.8%，滿足軍隊提出的計數(shù)效率和計數(shù)精度要求。該研究不僅為軍隊提供一種實用的彈殼計數(shù)工具，也為其他相近的機械設(shè)備采用3D技術(shù)進行設(shè)計和樣機制造提供了參考借鑒。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；彈殼回收；鼠籠式彈殼計數(shù)器

中圖分類號：TB16；U462.1；N94? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）02-0024-04

引言

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用粉末金屬或塑料等材料通過逐層粘合來構(gòu)造物體[1]。3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、藝術(shù)品加工、汽車制造、航空航天以及海軍艦艇等[2-8]。近年來，因3D打印技術(shù)出色的時效性，將其作為裝備研發(fā)和維修保障領(lǐng)域的技術(shù)手段，能快速提升裝備和研發(fā)維修保障能力，使各國不斷加大3D打印技術(shù)在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用。

子彈在戰(zhàn)時是保家衛(wèi)國的利器，在非戰(zhàn)時是提升軍事訓(xùn)練水平的重要物資[9，10]。一般的子彈由彈丸、彈殼、發(fā)射藥和火帽四部分組成。彈丸用來依靠快速飛行侵徹目標(biāo)，發(fā)射藥是通過燃燒賦予彈丸較高初速，火帽用來擊發(fā)，彈殼用來連接彈丸和保護發(fā)射藥及密閉火藥氣體。彈丸發(fā)射后，彈殼被槍械的拋殼機構(gòu)拋出。在日常訓(xùn)練中，彈殼需要全部回收，因此需要高效的彈殼計數(shù)裝置。為解決彈殼計數(shù)問題，采用3D打印技術(shù)設(shè)計了鼠籠式彈殼計數(shù)器。

1 整體設(shè)計

1.1 工作原理

3D打印鼠籠式彈殼計數(shù)器由卡彈機構(gòu)、容托機構(gòu)、滑槽、電機以及計數(shù)裝置組成。使用過程中，將彈殼放入容托機構(gòu)中，卡彈機構(gòu)內(nèi)嵌在容托機構(gòu)內(nèi)部，在電機的驅(qū)動下與容托機構(gòu)發(fā)生相對運動。彈殼在卡彈機構(gòu)和容托機構(gòu)共同作用下，卡入彈殼卡槽中，并隨卡彈機構(gòu)向上運動至排出口位置，在離心力與重力的作用下，脫離彈殼卡槽并掉落在滑槽中?；鄣撞恐虚g位置安裝傳感器，彈殼在滑槽中滑動中經(jīng)過傳感器，實現(xiàn)彈殼計數(shù)。

1.2 數(shù)字建模

3D打印的設(shè)計過程：先通過計算機輔助設(shè)計建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，從而指導(dǎo)打印機逐層打印[11]。鼠籠式彈殼計數(shù)器的核心部件卡彈機構(gòu)、容托機構(gòu)以及滑槽三部分由3D打印技術(shù)完成，其三維設(shè)計模型如圖1所示。

1.3 切片處理

將核心部件模型存儲為STL文件，并通過切片軟件將核心部件模型進行切片處理，制作成3D打印機能夠識別的文件格式，如圖2所示。

2 卡彈機構(gòu)轉(zhuǎn)速設(shè)計

3D打印核心部件的鼠籠式彈殼計數(shù)器在工作時，當(dāng)轉(zhuǎn)速低時，卡彈率高，排彈率低；當(dāng)轉(zhuǎn)速高時，排彈率高，卡彈率低。計數(shù)率與卡彈率和排彈率成正比；排彈率與轉(zhuǎn)速和卡彈槽數(shù)目成正比，因此卡彈機構(gòu)的轉(zhuǎn)速是決定計數(shù)率的重要因素。當(dāng)彈殼以團聚體的形式經(jīng)過光學(xué)計數(shù)器時，無法形成光柵，造成計數(shù)減少的現(xiàn)象[12-15]。為防止彈殼以團聚體形式進入滑槽，根據(jù)傳感器的分辨率，彈殼掉落間隙不小于0.1秒。轉(zhuǎn)速與卡槽數(shù)目滿足下式：

式中，n鼠籠卡彈機構(gòu)的轉(zhuǎn)速r/min；

k卡彈槽數(shù)目個/r。

卡彈槽數(shù)目越多，相同轉(zhuǎn)速下排彈率越高，由于打印材料的力學(xué)性能，選取不同卡槽數(shù)目進行測試，在滿足功能以及安全余量的基礎(chǔ)上，在直徑為270mm的鼠籠卡彈機構(gòu)上設(shè)置的最大卡槽數(shù)目為30個。由式（1）計算可知，在卡槽數(shù)目一周選為30個時，鼠籠卡彈機構(gòu)的轉(zhuǎn)速n≤20r/min。分別選用5r/min、8r/min、10r/min、12r/min、15r/min和六組轉(zhuǎn)速進行卡彈率試驗。

實驗中每種轉(zhuǎn)速測試50組，每組以掉落100個子彈殼記錄時間。卡彈率計算公式如式（2）所示

式中，ηk：卡彈率（%），

ti：第i次掉落100枚彈殼所需要的時間（s），

n：電機轉(zhuǎn)速（r/min）。

卡彈機構(gòu)的轉(zhuǎn)速與卡彈率試驗結(jié)果如表1所示。

由實驗結(jié)果可知，卡彈率隨卡彈機構(gòu)的轉(zhuǎn)速的增加而減小，卡彈機構(gòu)轉(zhuǎn)動越快，彈殼跳動越劇烈，越不容易卡入卡槽中。在不考慮其他因素的條件下，理論排彈率如公式（3）所示：

Qp＝３０nηk? （3）

式中，Qp：排彈率（個/min），

ηk：卡彈率（%），

ti：第i次掉落100枚彈殼所需要的時間（s），

n：電機轉(zhuǎn)速（r/min）。

經(jīng)計算，不同轉(zhuǎn)速下，理論排彈率如表2所示。

由表2可知，理論排彈率在卡彈機構(gòu)的轉(zhuǎn)速為10r/min出現(xiàn)最大值，因此轉(zhuǎn)速設(shè)置為10r/min。

3 卡彈槽傾角設(shè)計

卡彈槽傾角是卡彈槽推彈面與過此面外邊及圓柱形卡彈機構(gòu)柱線組成平面的夾角；容托機構(gòu)傾角是容托機構(gòu)前側(cè)上平面與支撐水平面之間的夾角；排彈角是彈殼從卡彈槽滑出切線方向與支撐水平面之間的夾角，如圖3所示。

3.1 排彈角試驗

最小排彈角是彈殼滑出卡彈槽所需要的最小傾斜角度。目前，尚無文獻報道3D打印PLA材料與彈殼的滑動摩擦角，需要通過試驗測得彈殼與打印材料的滑動摩擦角。3D打印PLA材料成型的平面因角度和結(jié)構(gòu)的不同，其表面粗糙度差異較大，我校實驗室使用的打印機為低端打印機，粗糙度最大的打印平面是圓盤形底部平面。以打印粗糙度最大的平面為測試平面，測試彈殼的滑動摩擦角和滾動摩擦角，如圖4所示。

通過試驗測得，彈殼軸線方向與下滑方向垂直時，彈殼以滾動的方式向勢能低的方向運動，滾動摩擦角為21.3°；彈殼軸線方向與下滑方向垂直時，彈殼以滑動的形式向勢能低的方向運動，滑動摩擦角為42.7°。在鼠籠式彈殼計數(shù)器中，彈殼以滾動形式脫離卡彈槽，同時考慮到彈殼滑出后速度過大會對計數(shù)精度產(chǎn)生不利影響，因此選擇21.3°為排彈角。

3.2 容托機構(gòu)傾角設(shè)計

容托機構(gòu)傾角通過試驗獲得，通過增加支撐座墊塊調(diào)整高度差的方式改變?nèi)萃袡C構(gòu)傾角。旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為10r/min，分別以3°、5°、8°、10°、12°、15°六種傾斜角度，測試異形掉落率，異形掉落率根據(jù)公式（4）所示：

式中，ηc：異形掉落率（%）。

λi：第i組試驗中未通過傳感器計數(shù)個數(shù)。

試驗對每種容托機構(gòu)傾斜角度測試50組，每組100枚彈殼，由試驗結(jié)果可知，在容托機構(gòu)傾角不足10°時，因彈殼未沿卡彈槽方向卡入卡彈槽中，呈異形卡入狀態(tài)，其在排彈口掉落軌跡復(fù)雜，容易造成計數(shù)誤差。當(dāng)容托機構(gòu)傾角大于10°時，異形卡入卡彈槽的彈殼在重力作用下，掉落在容托機構(gòu)內(nèi)部，不影響計數(shù)器工作，考慮到容托機構(gòu)中，彈殼的回落及彈殼容量等因素，選擇容托機構(gòu)傾角大于10°。

3.3 卡彈槽傾角設(shè)計

為擴大容托機構(gòu)的載彈量，需加大對卡彈機構(gòu)的包裹角度，但限于容托機構(gòu)以及三葉花鍵的的安裝和調(diào)試，容托機構(gòu)最大包裹范圍為180度，即容托機構(gòu)前側(cè)上平面為過圓柱形卡彈機構(gòu)柱心的直徑面。因此，卡彈槽傾角與排彈角和容托機構(gòu)傾角的關(guān)系如式（5）所示：

αk=αp+αd? （5）

式中，αk：卡彈槽傾角，

αp：排彈角，

αd：容托機構(gòu)傾角。

由式（6）計算得卡彈槽傾角為31.3°。

4 整機試驗及整機參數(shù)對比

4.1 整機試驗

3D打印整機裝配完成后，如圖5所示，分別對計數(shù)效率和計數(shù)精度個進行500組測試，每組測試200枚彈殼。

試驗結(jié)果表明，3D打印鼠籠式彈殼計數(shù)器的計數(shù)效率為87.4個/分，計數(shù)精度為99.8%。

4.2 性能參數(shù)

3D打印鼠籠式彈殼計數(shù)器的性能參數(shù)與軍隊提出的鼠籠式彈殼計數(shù)器設(shè)計要求如表3所示。

鼠籠式彈殼計數(shù)器的核心部件卡彈機構(gòu)、容托機構(gòu)以及滑槽均采用3D打印技術(shù)，結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積比最大的設(shè)計要求減小了85.15%；制作材料選擇質(zhì)輕耐磨的PLA材質(zhì)，外殼使用亞克力板，使整體重量減輕92.8%；輕質(zhì)材料配合填料加工的高加工精度使額外損耗大幅減小，采用的電機功率是最大設(shè)計要求值的12.5%，大幅度提高工作續(xù)航能力。

5 結(jié)論

3D打印技術(shù)大大地縮短了鼠籠式彈殼計數(shù)器的設(shè)計以及樣機的制作時間，并通過理論計算和樣機核心部件試驗，確定了3D打印鼠籠式彈殼計數(shù)器的卡彈槽傾角為31.3°以及卡彈機構(gòu)的轉(zhuǎn)速為10r/min。采用3D打印技術(shù)設(shè)計的鼠籠式彈殼計數(shù)器結(jié)構(gòu)簡單、構(gòu)件數(shù)量少，大幅度的降低重量和功耗。通過整機試驗表明，3D打印彈殼計數(shù)效率為87.4個/分，計數(shù)精度為99.8%，滿足了軍隊提出的計數(shù)效率和計數(shù)精度要求。

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參考文獻：

〔1〕王維，王克峰，張啟超.3D打印技術(shù)概論[M].沈陽：遼寧人民出版社，2015.5.

〔2〕崔厚學(xué)，高方勇，魏青松.3D打印在汽車制造中的應(yīng)用[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2017，30（02）：88-92.

〔3〕李方正.中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應(yīng)用情況綜述[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2017，4（04）：1-5.

〔4〕牟江.大數(shù)據(jù)剖析3D打印發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].軟件和集成電路，2017，34（05）：80-81.

〔6〕姚文靜.沈航3D打印鈦合金零部件助力鶻鷹2.0首飛[J].中國鈦業(yè)，2017，14（01）：39.

〔7〕長平，林楓，楊浩，等.增材制造技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用進展[J].船舶工程，2017，39（02）：80-87.

〔8〕李海濤，謝書凱，張亮，等.增材制造技術(shù)在航天制造領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展[J].中國航天，2017，40（01）：28-32.

〔9〕黎榮暉，鄭守柱，趙英杰，等.子彈殼尺寸高速光電自動檢驗儀的光學(xué)系統(tǒng)分析和設(shè)計[J].兵工學(xué)報，1997，18（03）：260-264.

〔10〕姚世鋒，柏彥奇，喬良.美國陸軍裝備維修保障及啟示[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報，2020，22（02）：51-56.

〔11〕中國機械工程學(xué)會.3D打印打印未來[M].北京：中國科技術(shù)出版社，2013.2-3.

〔12〕羅尊旺.一種基于ＴＤＣ的時間間隔測量方法的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

〔13〕趙侃，梁雙有，陳法喜，等.精密時間間隔計數(shù)器的研制[J]．中國科學(xué)：物理學(xué)2011，41（05）：602-606.

〔14〕閆菲菲，馬紅皎，何在民，等.基于FPGA和TDC芯片的高精度時間間隔計數(shù)器研制[J].時間頻率學(xué)報，2019，42（01）：33-42.

〔15〕王海，周渭，劉暢生，等.一種新的短時間間隔測量方法[J]．西安電子科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，35（02）：267-271.

收稿日期：2022-09-17

通訊作者：張亞新（1981-），男，內(nèi)蒙古赤峰市人，碩士，副教授。研究方向：現(xiàn)代機械設(shè)計理論及方法。

基金項目：赤峰市科研課題項目（SZR074）；赤峰學(xué)院服務(wù)地方重點項目（cfxyfd201806）