轉(zhuǎn)鼓式無(wú)鏈供彈液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

續(xù)彥芳，蘇鐵熊，顧亮先，崔俊杰

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099）

供彈系統(tǒng)是高炮自動(dòng)機(jī)的重要組成部分，它對(duì)提高射速和可靠性起著重要的作用。因此世界各國(guó)都在不斷的研究開(kāi)發(fā)新的供彈系統(tǒng)，以提高和改進(jìn)其高炮的戰(zhàn)斗性能。本文介紹的轉(zhuǎn)鼓式無(wú)鏈供彈系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)研制和試驗(yàn)己經(jīng)取得了初步成果，整個(gè)供彈系統(tǒng)的彈鼓轉(zhuǎn)動(dòng)、定位、推彈、更換彈種等動(dòng)作都由液壓系統(tǒng)通過(guò)準(zhǔn)確的控制來(lái)完成。它可以根據(jù)不同的打擊目標(biāo)快速更換彈種，對(duì)提高射速降低故障率起到了良好的效果。對(duì)今后的推廣應(yīng)用有著重要的參考價(jià)值。

1 供彈系統(tǒng)的工作特點(diǎn)

供彈系統(tǒng)是為自動(dòng)機(jī)服務(wù)的，自動(dòng)機(jī)是根據(jù)指揮系統(tǒng)的指令確定進(jìn)行點(diǎn)射還是連射的，這些指令在戰(zhàn)場(chǎng)上都是隨機(jī)的。因此供彈系統(tǒng)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（120.3kg·m2）的彈鼓傳動(dòng)的間歇周期（200ms轉(zhuǎn)停1個(gè)工位）必須能滿足最高射速的要求；推彈機(jī)構(gòu)在射擊時(shí)要跟上射頻，在停止射擊時(shí)還必須把炮彈緊緊的推在自動(dòng)機(jī)接彈口上。這種工作性質(zhì)就決定了供彈系統(tǒng)的工況必須是：

1）大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的彈鼓快速頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、停止和準(zhǔn)確定位，瞬時(shí)需要很大的功率。

2）推彈機(jī)構(gòu)既能快速轉(zhuǎn)動(dòng)又能滿足速度為零的堵轉(zhuǎn)工況。

2 供彈液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 供彈液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供彈節(jié)能液壓系統(tǒng)如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)上述要求，釆用帶蓄能裝置的液壓傳動(dòng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)響應(yīng)速度快、便于控制、易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速、瞬時(shí)流量大節(jié)省能源。

系統(tǒng)中的蓄能器，既可吸收管路中的沖擊和脈動(dòng)，還可不斷地儲(chǔ)存和快速釋放壓力油，滿足系統(tǒng)瞬時(shí)大流量的要求。這種原理在車(chē)輛液壓節(jié)能、能量再生系統(tǒng)、活塞式液壓發(fā)動(dòng)機(jī)、輸送機(jī)及挖掘機(jī)等工程機(jī)械上已得到成功應(yīng)用［1－4］。

2.2 工作原理

由單泵驅(qū)動(dòng)3個(gè)并聯(lián)液壓馬達(dá)，按一定的順序協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)供彈過(guò)程中供彈系統(tǒng)機(jī)械部件的轉(zhuǎn)動(dòng)、定位、推彈、更換彈種等動(dòng)作。馬達(dá)3驅(qū)動(dòng)大容量轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)的迅捷啟動(dòng)、制動(dòng)，馬達(dá)6和6a的供彈速度適應(yīng)自動(dòng)機(jī)射頻要求，能夠快速供彈，并且在堵轉(zhuǎn)工況下正常工作。

在射擊準(zhǔn)備階段，調(diào)定系統(tǒng)供油壓力，給蓄能器充油，蓄能器的壓力將保持在主路供油壓力p附近；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入射擊狀態(tài)，蓄能器作為“油泵”將儲(chǔ)存在其中的壓力油釋放出來(lái)，與液壓泵同時(shí)給系統(tǒng)提供壓力油，驅(qū)動(dòng)彈鼓轉(zhuǎn)動(dòng)及供彈機(jī)構(gòu)向自動(dòng)機(jī)供彈，彈鼓轉(zhuǎn)停一個(gè)工位及供彈堵彈時(shí)，油泵將直接給蓄能器充油直至壓力到達(dá)p2后停止。利用蓄能器循環(huán)充放油的過(guò)程，使蓄能器與泵同時(shí)把能量傳給系統(tǒng)，滿足供彈系統(tǒng)短時(shí)大流量之需求。這樣在降低液壓泵的排量和驅(qū)動(dòng)功率的條件下，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、多路執(zhí)行機(jī)構(gòu)和頻繁快速啟動(dòng)、制動(dòng)的間歇式工作，適應(yīng)高速供彈系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，使整個(gè)液壓系統(tǒng)尺寸小、質(zhì)量輕，達(dá)到節(jié)能的目的。

3 液壓系統(tǒng)分析

3.1 液壓系統(tǒng)工作壓力分析

液壓系統(tǒng)的最低工作壓力是滿足火炮射擊情況下，各執(zhí)行元件能夠克服各自工作阻力并按照時(shí)序要求，各自獨(dú)立工作時(shí)所對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)最低工作壓力，是確定蓄能器、油源液壓泵、泵電機(jī)等工作參數(shù)的基礎(chǔ)，一般可根據(jù)實(shí)驗(yàn)或參照相關(guān)型號(hào)研制的經(jīng)驗(yàn)值來(lái)確定。

本系統(tǒng)中帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)的液壓馬達(dá)是需要功率最大的執(zhí)行元件，根據(jù)其載荷特點(diǎn)來(lái)確定液壓系統(tǒng)的工作壓力p。

3.1.1 轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)馬達(dá)負(fù)載

轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)負(fù)載主要由負(fù)載力矩、軸頸摩擦力矩和慣性力矩3部分組成［5］。炮彈在發(fā)射過(guò)程中是一個(gè)變動(dòng)量，使存儲(chǔ)炮彈的轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)的質(zhì)量和質(zhì)心發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)負(fù)載隨著炮彈的發(fā)射而發(fā)生變化。

1）負(fù)載力矩

主要由炮彈的偏置組成，當(dāng)炮彈偏置最嚴(yán)重時(shí)其負(fù)載力矩M1達(dá)到最大。

2）軸頸摩擦力矩

式中：m為運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量；μ為摩擦因數(shù)；g為重力加速度；r為軸半徑。

3）慣性力矩

式中：ε為角加速度；ω為角速度；t為啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)負(fù)載圖如圖2所示。

當(dāng)炮彈偏置最嚴(yán)重時(shí)其負(fù)載力矩M1達(dá)到最大。軸頸摩擦力矩隨著載荷的增加而增大，當(dāng)滿載時(shí)軸頸摩擦力矩最大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨著炮彈數(shù)目的增加而變大，假定馬達(dá)的啟動(dòng)、制動(dòng)為勻加速且時(shí)間相同，則滿載時(shí)馬達(dá)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)慣性力矩最大。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)力矩

啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)負(fù)載為：

工作時(shí)轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)負(fù)載為：

制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)鼓彈倉(cāng)轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)負(fù)載為：

假定馬達(dá)的啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間相同，則馬達(dá)啟動(dòng)時(shí)工作負(fù)載最大，因此，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的力矩為：

式中：i為傳動(dòng)比；ηm為機(jī)械效率。

3.1.3 液壓系統(tǒng)工作壓力

轉(zhuǎn)鼓液壓馬達(dá)工作壓力為：

式中，v為液壓馬達(dá)排量。

液壓系統(tǒng)的工作壓力：

式中，pb為系統(tǒng)背壓。

鑒于液壓回路復(fù)雜，管路損失與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管路布罝等因素有關(guān)，在計(jì)算中尚難于確定，因此系統(tǒng)工作壓力設(shè)計(jì)為一個(gè)可調(diào)范圍10～16MPa。

3.2 液壓泵流量的確定

在一個(gè)工作循環(huán)中，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)4、6和6a分別按一定的順序協(xié)同動(dòng)作，在啟動(dòng)、勻速、減速、制動(dòng)、保壓等階段，系統(tǒng)中3個(gè)馬達(dá)的輸入流量在12個(gè)時(shí)間段內(nèi)相互交錯(cuò)、重疊分布，如圖3所示。

根據(jù)其輸入流量的瞬態(tài)變化情況，進(jìn)行流量疊加而得到循環(huán)的總耗油量∑Q與時(shí)間t的函數(shù)圖［6］，取系統(tǒng)的平均耗油量作為泵站容量，即：

式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)（一般為1.1～1.3）；Vi為系統(tǒng)在整個(gè)周期中第i個(gè)階段內(nèi)的用油量；T為周期。

3.3 蓄能器參數(shù)確定

蓄能器的選用原則是結(jié)構(gòu)盡量小，供油容積盡可能大，響應(yīng)時(shí)間短，儲(chǔ)存能量多。系統(tǒng)要求蓄能器作為輔助動(dòng)力源參與到供彈系統(tǒng)的工作循環(huán)中，在不增加泵站功率的條件下，能瞬時(shí)輸出系統(tǒng)所要求的大流量。綜合考慮選擇隔膜式蓄能器比較適合。

1）蓄能器工作容積的計(jì)算

為保證蓄能器工作容積的充分利用，不考慮其容積變化量和變化次數(shù)［7］。在系統(tǒng)壓力建立起來(lái)后，蓄能器和液壓泵同時(shí)供液應(yīng)滿足供彈系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)中峰值流量的需求，即保證鼓形彈倉(cāng)快速旋轉(zhuǎn)一個(gè)彈室和推彈機(jī)構(gòu)連續(xù)供彈n發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)在一個(gè)工作循環(huán)中，各執(zhí)行元件輸入流量的瞬態(tài)變化情況以及效率，確定供彈系統(tǒng)峰值流量，由峰值流量與液壓泵流量之凈差確定蓄能器工作容積ΔV。

2）充氣壓力p0的確定

從使蓄能器總?cè)莘e（也稱充氣容積）V0最小，單位容積儲(chǔ)存能量最大的角度出發(fā)選擇充氣壓力p0。若蓄能器工作在絕熱過(guò)程，則：

3）蓄能器總?cè)莘eV0的計(jì)算

根據(jù)波義耳定律：

得：

式中：C為常數(shù)；p1為最低工作壓力；V1為壓力為p1時(shí)氣體的容積；p2為最高工作壓力；V2為壓力為p2時(shí)氣體容積；ΔV為有效排油量；n為多變指數(shù)。

3.4 系統(tǒng)參數(shù)

依據(jù)某高炮系統(tǒng)給定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，火炮射擊頻率指標(biāo)為600發(fā)／分鐘，分配給供彈系統(tǒng)的電源功率P≤5kW。蓄能器在絕熱狀態(tài)下工作，多變指數(shù)n＝1.4。結(jié)合上述參數(shù)的選取，計(jì)算得出某高炮供彈系統(tǒng)液壓系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 供彈液壓系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of feeding hydraulic system

取液壓泵的總效率η為0.90，則泵輸入功率Pb為：

若采用獨(dú)立配泵系統(tǒng)，則系統(tǒng)輸入總功率為：

與獨(dú)立配泵系統(tǒng)比較，采用儲(chǔ)能裝置的單泵多執(zhí)行器系統(tǒng)節(jié)能效率ηz為：

由計(jì)算可知，理論供彈速度值為600發(fā)／分鐘時(shí)，該液壓動(dòng)力系統(tǒng)輸入功率最大為4.75kW，低于系統(tǒng)給定的指標(biāo)要求，相當(dāng)于總輸入功率為8.31 kW的3個(gè)獨(dú)立泵動(dòng)力源，能滿足火炮射擊頻率需要，與獨(dú)立配泵系統(tǒng)比較，節(jié)約能量達(dá)42.8%。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本系統(tǒng)進(jìn)行了高炮供彈系統(tǒng)接自動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)選擇自動(dòng)機(jī)1、3、7、10和15發(fā)等不同射長(zhǎng)進(jìn)行點(diǎn)射和連發(fā)射擊試驗(yàn)，共射彈200余發(fā)。理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

在液壓動(dòng)力系統(tǒng)輸入功率為4.75kW的條件下，轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、彈鼓推彈馬達(dá)6和中間推彈馬達(dá)（6）試驗(yàn)轉(zhuǎn)速分別為144.7，531和1 261r／min，比理論速度提高7.98%、10.6%和7.8%，彈鼓在184 ms轉(zhuǎn)停一個(gè)工位，比理論時(shí)間縮短8%，供彈速度可達(dá)680發(fā)／分鐘，比理論供彈速度可提高13.3%。

表2 理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison between theoretical calculation and test results

試驗(yàn)結(jié)果表明，供彈液壓系統(tǒng)在低供彈功率條件下，可提供瞬時(shí)大流量輸出功率，能夠快速頻繁啟停和適應(yīng)堵轉(zhuǎn)工況，較好地解決了高速供彈瞬間大功率輸出要求與系統(tǒng)分配的小功率電源之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的柔性工作，且節(jié)能效果顯著。同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)快，易控制，且液壓泵站結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。

5 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)供彈液壓系統(tǒng)，利用蓄能器儲(chǔ)存的能量，在較低的功率條件下，可提供瞬時(shí)大流量的功率輸出，較好地解決了高速供彈瞬間大功率輸出要求與系統(tǒng)分配的小功率電源之間的矛盾，且節(jié)能效果顯著。

2）液壓系統(tǒng)泵的排量和蓄能器及系統(tǒng)壓力參數(shù)匹配合理，響應(yīng)快，控制方便，適應(yīng)供彈系統(tǒng)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量短間歇周期內(nèi)的快速頻繁啟停和柔性工作的特性，為火炮供彈動(dòng)力源的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

（References）

［1］曹鵬舉，李曉峰.液壓節(jié)能系統(tǒng)中蓄能器的參數(shù)選配和安裝研究［J］.空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23（6）：443－445.CAO Peng－ju，LI Xiao－feng.Parametric selection and installation of accumulator in a hydraulic energy saving system［J］.Journal of Air Force Radar Academy，2009，23（6）：443－445.（in Chinese）

［2］丁左武，趙東標(biāo).小型汽車(chē)制動(dòng)能量再生系統(tǒng)液壓蓄能器計(jì)算與選擇［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，26（7）：926－930.DING Zuo－wu，ZHAO Dong－biao.Mechanical science calculation and selection of a car’s hydraulic accumulator in its regenerative energy braking system［J］.Mechanical Science and Technology for a Erospace Engineering，2007，26（7）：926－930.（in Chinese）

［3］苑士華，吳維，荊崇波，等.單活塞式液壓自由活塞柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，31（8）：1009－1013.YUAN Shi－h(huán)ua，WU Wei，JING Chong－bo，et al.Analysis for starting procedure of single piston hydraulic free－piston diesel engine［J］.ACTA Armamentarii，2010，31（8）：1009－1013.（in Chinese）

［4］李海林，李艾民，周樹(shù)生，等.蓄能器在帶式輸送機(jī)張緊裝置中的應(yīng)用［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2010（4）：50－52.LI Hai－lin，LI Ai－ming，ZHOU Shu－sheng，et al.Application of energy accumulator for belt conveyor［J］.Handing Equipment，2010（4）：50－52.（in Chinese）

［5］鄧起孝，戚昌滋.流體液壓系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1985.DENG Qi－xiao，QI Chang－zi.Design methodogy for fluid pressure［M］.Beijing：China Architecture and Bulding Press，1985：86－88.（in Chinese）

［6］孫以澤.使用蓄能器的泵站容量的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算［J］.機(jī)床與液壓，1999（5）：46－47.SUN Yi－ze.Computer－aided calculation of the capacity of pump unit with accumulator［J］.Machine Tool ＆Hydraulics，1999（5）：46－47.（in Chinese）

［7］陳鐵民，荊寶德.皮囊式液壓蓄能器的選擇與計(jì)算［J］.建筑機(jī)械，1995（8）：21－22.CHEN Tie－ming，JIN Bao－de.Analyse and selection parameter on bladdery accumulator［J］.Construction Machinery，1995（8）：21－22.（in Chinese）