外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)驅(qū)動功率分析與估算

李 勇，陳永剛，謝楊楊，史陽東

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

轉(zhuǎn)管炮自動機(jī)由機(jī)匣、機(jī)心、身管、炮箱、供彈機(jī)、緩沖器和驅(qū)動裝置等零部件組成。外能源轉(zhuǎn)管炮自動機(jī)的主要機(jī)構(gòu)包括帶回轉(zhuǎn)部件的身管組合體，供彈接口機(jī)構(gòu)和拋殼機(jī)構(gòu)等。轉(zhuǎn)管炮自動機(jī)被驅(qū)動的質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高、射速高和消耗功率大，外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)的驅(qū)動功率是其武器系統(tǒng)的重要參數(shù)指標(biāo)，電源和驅(qū)動電機(jī)要具有所需的功率以滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的要求（如射速指標(biāo)和啟動時間指標(biāo)）。由于轉(zhuǎn)管自動機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性和動力特性比較復(fù)雜，其消耗功率的因素較多，在轉(zhuǎn)管炮自動機(jī)的方案設(shè)計中難以有效地估算驅(qū)動功率［1－3］。通過詳細(xì)分析轉(zhuǎn)管自動機(jī)的功率消耗因素，建立了計算驅(qū)動功率的動力學(xué)模型，將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)結(jié)果對比，結(jié)果表明：理論計算值能滿足外能源轉(zhuǎn)管炮自動機(jī)方案設(shè)計的驅(qū)動功率估算。

1 消耗功率因素分析

轉(zhuǎn)管自動機(jī)炮箱上的曲線槽與閂體和星形體組成空間凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)星形體轉(zhuǎn)動時，帶動閂體后坐、復(fù)進(jìn)以及前后停留，在一次射擊循環(huán)中，閂體有兩次加速和兩次減速，閂體的加速減速運(yùn)動循環(huán)是消耗功率的主要因素之一。轉(zhuǎn)管自動機(jī)供彈過程中除鏈力和彈帶阻力以及拋殼過程中拋殼力都消耗一部分自動機(jī)的驅(qū)動功率［4］。除此之外，消耗功率主要是由射擊狀態(tài)下轉(zhuǎn)管自動機(jī)的零部件之間相互運(yùn)動的滾動摩擦阻力矩造成的，因此，在進(jìn)行驅(qū)動功率估算時應(yīng)考慮以下主要消耗功率因素。

1.1 身管組重力引起的滾動摩擦力矩Mf

身管組主要包括身管、炮箍、彈膛本體和星形體等零部件，其質(zhì)量是整個轉(zhuǎn)管自動機(jī)質(zhì)量的大部分，其重力作用給身管組支承球軸承以作用力，其由身管組重力產(chǎn)生的身管組的摩擦力矩Mf為：

式中：m1為身管組的質(zhì)量；f為身管組與炮箱及前支點(diǎn)的滾動摩擦系數(shù)；R1為身管組前端滾道半徑。

1.2 身管組偏心產(chǎn)生的離心力引起的滾動摩擦力矩Mr

身管組轉(zhuǎn)動過程中，由于身管組結(jié)構(gòu)的質(zhì)心不在其回轉(zhuǎn)中心線上，因此產(chǎn)生離心力給身管組支承軸承的滾動摩擦阻力矩，其滾動摩擦阻力矩Mr的大小隨身管組的轉(zhuǎn)速變化而變化，其計算公式為：

1.3 閂體和彈繞身管組軸線產(chǎn)生的離心力引起身管組的滾動摩擦力矩Trc

身管組轉(zhuǎn)動時，帶動閂體和炮彈一起轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力，由此產(chǎn)生的身管組滾動摩擦阻力矩為：

式中：Mb為閂體的質(zhì)量；Md為彈的質(zhì)量；Rb為上下曲線槽的中徑之半；Rr為閂體質(zhì)心到身管組回轉(zhuǎn)中心線的距離。

1.4 抽殼力產(chǎn)生的阻力矩Tec

由于抽殼過程很短，故在自動機(jī)運(yùn)動計算中可取平均抽殼力Fec，平均抽殼力近似為最大抽殼力的一半進(jìn)行計算，由此產(chǎn)生的阻力矩與閂體、星形體之間的傳動比和傳動效率相關(guān)，抽殼力產(chǎn)生的阻力矩為：

1.5 膛壓引起彈膛本體與炮箱間的軸承產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動摩擦力矩Txc

轉(zhuǎn)管自動機(jī)在射擊過程的瞬間，其最高膛壓對閂體的作用力傳遞到彈膛本體與炮箱支承軸承產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動摩擦阻力矩，其阻力矩Txc為：

1.6 拋殼力產(chǎn)生的阻力矩Mck

拋殼過程中，拋殼臂撞擊彈殼并帶動彈殼產(chǎn)生的阻力矩，計算中可以按照其他轉(zhuǎn)管自動機(jī)拋殼力的試驗結(jié)果類比獲得阻力矩。

1.7 開閂產(chǎn)生的阻力矩Tobc

炮彈擊發(fā)后，膛底的壓力降低到開閂壓力時，閂體轉(zhuǎn)動進(jìn)行開閂，因此在開閂壓力的作用下轉(zhuǎn)動閂頭需要消耗功率，其開閂產(chǎn)生的阻力矩為：

式中：Sb為彈底面積；Pt1為開閂壓力；Rc為閂頭閉鎖齒半徑（中徑位置）；R′c為閂頭開閉鎖轉(zhuǎn)動半徑。

1.8 除鏈阻力矩Mk

炮彈進(jìn)入輸彈線前，通過除鏈機(jī)構(gòu)將彈鏈與炮彈分離，產(chǎn)生除鏈力，消耗自動機(jī)的功率，也影響自動機(jī)的射速［5］，因此，由除鏈力帶來的除鏈阻力矩為：

式中：Fcm為除鏈力；Rd為撥彈輪半徑。

1.9 彈帶阻力矩TDL

炮彈與彈帶一起運(yùn)動產(chǎn)生的彈帶阻力［6］為FD，由此產(chǎn)生的彈帶阻力矩TDL為：

式中：CL為一節(jié)彈鏈的剛度；ML為彈鏈的質(zhì)量；g為重力加速度；n為彈帶的炮彈數(shù)；Rs為彈帶運(yùn)動半徑；θ為輸彈導(dǎo)引與水平面之間的夾角。

2 動力學(xué)建模

外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)驅(qū)動穩(wěn)定，并可以實現(xiàn)變射速，但是隨著射速的提高，其所需的驅(qū)動功率隨之增大，因此，在方案設(shè)計過程中，比較準(zhǔn)確地估算其驅(qū)動功率意義顯而易見。轉(zhuǎn)管自動機(jī)在外能源驅(qū)動過程中，驅(qū)動力是電機(jī)提供的力矩，根據(jù)自動機(jī)的供彈方式（無鏈供彈和彈鏈供彈），確定是否考慮除鏈阻力矩和彈帶阻力矩消耗的功率，因此，總阻力矩主要是以上分析的各種阻力矩，將這些阻力矩通過傳速比和傳動效率等效作用到轉(zhuǎn)管自動機(jī)的身管組上，以身管組為基礎(chǔ)構(gòu)件，運(yùn)動方向為繞身管組軸線轉(zhuǎn)動，建立外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)的動力學(xué)計算方程如下：

式中：J1為身管組的轉(zhuǎn)動慣量，Jb為一個閂體繞身管組軸線的轉(zhuǎn)動慣量；J14為供彈齒輪繞其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；J15為拋殼齒輪繞其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；mbi為一個閂體的質(zhì)量；mpi為一個彈的質(zhì)量；˙φ為身管組的轉(zhuǎn)動角速度；¨φ為身管組的轉(zhuǎn)動角加速度；i14為身管組到供彈齒輪之間的傳速比；η14為身管組到供彈齒輪之間的傳動效率；i15為身管組到拋殼齒輪之間的傳速比；η15為身管組到拋殼齒輪之間的傳動效率；ibi為身管組到閂體之間的傳速比；i′bi為身管組到閂體之間的傳速比對身管組角位移的偏導(dǎo)數(shù)；ηbi為身管組到閂體之間的傳動效率；MD為驅(qū)動身管組的轉(zhuǎn)矩。

3 估算與試驗結(jié)果分析

外能源轉(zhuǎn)管炮自動機(jī)工作過程是多個閂體同時連續(xù)運(yùn)動，計算過程中必須考慮這些因素。利用建立的外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)的動力學(xué)模型，為了進(jìn)行比較，計算了某轉(zhuǎn)管炮自動機(jī)在不同射速下的空載最大驅(qū)動功率和射擊狀態(tài)下的最大驅(qū)動功率，將其計算的相關(guān)參數(shù)輸入到計算程序中；為了提高計算精度，采用圖1所示的計算程序框圖，并取自動機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時的最大計算值。

試驗狀態(tài)：外能源轉(zhuǎn)管自動機(jī)安裝在試驗臺架上進(jìn)行試驗，測試輸入電機(jī)的電流和反饋電流以及轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，通過電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系，計算出自動機(jī)的最大驅(qū)動功率。由于該自動機(jī)是無鏈供彈，因此，不考慮除鏈阻力矩和彈帶阻力矩。試驗測試的空載的輸入電機(jī)電流和反饋電流和轉(zhuǎn)速如圖2所示。試驗測試射擊狀態(tài)下的輸入電機(jī)電流和反饋電流和轉(zhuǎn)速如圖3所示。計算出的轉(zhuǎn)速與空載消耗功率擬合關(guān)系曲線和試驗獲得轉(zhuǎn)速與空載消耗功率擬合關(guān)系曲線如圖4所示。射擊狀態(tài)下，計算出的轉(zhuǎn)速與消耗功率擬合關(guān)系曲線和試驗獲得轉(zhuǎn)速與消耗功率擬合關(guān)系曲線如圖5所示。

通過分析以上計算和試驗獲得消耗功率曲線圖4可以看出，理論計算出的空載最大驅(qū)動功率和試驗得出的空載最大驅(qū)動功率較為接近。

根據(jù)圖5所示的消耗功率曲線分析，射擊狀態(tài)下，射速在0～300發(fā)／分時，理論計算出驅(qū)動功率數(shù)值與試驗測試驅(qū)動功率數(shù)值較為接近；當(dāng)射速300發(fā)／分以上時已經(jīng)滿載，以上射速理論計算和試驗測試值對比沒意義。

4 結(jié)束語

通過分析了外能源轉(zhuǎn)管炮自動機(jī)消耗功率的因素，將引起消耗功率的多種阻力矩因素考慮到動力學(xué)模型中，編制計算程序進(jìn)行計算，計算出的空載和射擊狀態(tài)下的最大驅(qū)動功率和試驗測試的自動機(jī)最大驅(qū)動功率能滿足工程估算需要，所建立的動力學(xué)模型對自動機(jī)方案設(shè)計時功率估算具有很好的參考意義。

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