撥彈輪轉(zhuǎn)速匹配對射速的影響分析

曹廣群，曾志銀，王建中，夏吉龍，寧變芳

( 1.北京理工大學(xué)，北京 100081；2.中北大學(xué), 山西 太原 030051；3.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099； 4.中國機(jī)械裝備研究院，北京 100089)

隨著高速、超高速空中來襲目標(biāo)的出現(xiàn)，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對防空高炮射速的要求也越來越高,未來以反“三彈”等高速(超聲速)小目標(biāo)為主[1]。所有高炮自動(dòng)武器均需提高理論射速以增強(qiáng)作戰(zhàn)效能[2]，來滿足未來低空防空的需求。為了滿足該需求，某高炮在原有供彈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了輔助撥彈機(jī)構(gòu)來克服拖彈造成的過大彈帶阻力，這樣不僅可以提高射速，而且能夠延長后坐時(shí)間，減小自動(dòng)機(jī)零部件的受力，延長其使用壽命。

撥彈輪、輔助撥彈輪按照理論設(shè)計(jì)有利于提高射速，但在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)增加了輔助撥彈機(jī)構(gòu)后，實(shí)際射速?zèng)]有達(dá)到預(yù)期值。為了尋找實(shí)際射速偏低的原因，采用理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對某高炮自動(dòng)機(jī)供彈系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

1 射擊過程中撥彈輪受力分析

某高炮采用了彈帶供彈。供彈過程中，彈帶受彈帶阻力和3個(gè)撥彈輪提供的動(dòng)力的作用。射擊過程中，彈帶首先經(jīng)揚(yáng)彈機(jī)的主撥彈輪揚(yáng)彈，然后在輔助撥彈輪的牽引下先后經(jīng)過柔性導(dǎo)引和剛性導(dǎo)引到達(dá)撥彈輪，最后由撥彈輪將炮彈送入進(jìn)彈口。在自動(dòng)機(jī)射擊期間，主撥彈輪、輔撥彈輪分別由兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，撥彈輪的轉(zhuǎn)速由自動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)件通過聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。揚(yáng)彈機(jī)的主撥彈輪始終處于涌彈狀態(tài)，因此自動(dòng)機(jī)的實(shí)際射速主要取決于撥彈輪和輔助撥彈輪的轉(zhuǎn)速匹配是否合理。當(dāng)輔助撥彈輪與撥彈輪轉(zhuǎn)速匹配合理時(shí)，在輔助撥彈輪驅(qū)動(dòng)力作用下供彈處于涌彈狀態(tài)，有利于射速的提高。否則，會(huì)導(dǎo)致射速的降低。

1.1 彈帶阻力Fdz

射擊時(shí)，彈帶運(yùn)動(dòng)對自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，此阻力直接作用在撥彈輪上，并傳給自動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)構(gòu)件，此阻力很大，影響基礎(chǔ)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)速度和自動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)間。彈帶運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，很難精確計(jì)算只能采用簡化原理近似計(jì)算[3-4]。根據(jù)供彈系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，彈帶阻力計(jì)算模型簡化為圖1。

在不考慮彈帶主動(dòng)端反射波前提下，彈帶阻力Fdz的簡化計(jì)算公式[4-5]為：

fsinα)

(1)

式中：K為一個(gè)鏈節(jié)的剛度(由試驗(yàn)測定)；m為一發(fā)炮彈和一節(jié)鏈節(jié)的質(zhì)量；Rc為彈軸到撥彈輪軸線之距離；ω為撥彈輪的角速度；n1為平置部分的炮彈數(shù)量；n2為懸掛部分的炮彈數(shù)；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；α為彈帶與水平面之間的夾角；f為彈帶與導(dǎo)引之間的摩擦因數(shù)。

論婦女事業(yè)不斷進(jìn)步背景下女貪官腐敗的主觀動(dòng)機(jī)和客觀環(huán)境因素…………………………………………………陳出新，陳延慶（4，82）

1.2 作用于輔助撥彈輪的主動(dòng)力

根據(jù)自動(dòng)機(jī)的特性分析，設(shè)計(jì)輔助撥彈輪撥彈速率為1 300～1 400發(fā)/分。輔助撥彈輪液壓馬達(dá)與輔助撥彈輪的增速比為λ1。

輔助撥彈輪液壓馬達(dá)所能提供的扭矩[6]為:

(2)

式中：Δp為液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差；M為液壓馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；V為液壓馬達(dá)排量；ηm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率，ηm=0.95。

作用于輔助撥彈輪上的扭矩M′為：

(3)

輔助撥彈輪彈軸中心到軸線距離為RF，代入?yún)?shù)得作用于炮彈軸線上的撥彈力為：

(4)

在首發(fā)射擊前，輔助撥彈輪要先于自動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，拖動(dòng)彈帶運(yùn)動(dòng)，使撥彈輪與輔助撥彈輪之間的炮彈(約5發(fā)彈)處于涌彈狀態(tài)，因此輔助撥彈輪撥彈力需克服此時(shí)的彈帶阻力。該狀態(tài)時(shí)速度為零，由式(1)得彈帶阻力為：

Fdz=n2mg(cosα+fsinα)=392.8 N

Fdz

可見輔助撥彈輪能滿足工作要求。

在連續(xù)射擊過程中，彈帶阻力的計(jì)算需要撥彈輪的角速度，因此需要對撥彈輪及輔助撥彈輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行測試。

2 撥彈輪、輔助撥彈輪轉(zhuǎn)角測試

采用角位移傳感器測試了撥彈輪和輔助撥彈輪轉(zhuǎn)角位移。

2.1 測試結(jié)果

2.2 測試結(jié)果處理及分析

由于試驗(yàn)測試采用的是角位移傳感器，只能直接測試到撥彈輪和輔助撥彈輪的角位移，為了獲得撥彈輪和輔助撥彈輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而獲得兩彈窩中心線速度，對實(shí)測的角位移進(jìn)行了濾波、微分等處理。同時(shí)，考慮到撥彈輪和輔助撥彈輪(見圖1)，兩者的轉(zhuǎn)軸距各自的彈窩中心距離不同(相同角速度時(shí)其彈窩中心線速度不同)，因此，在得到兩者各自的角速度后，根據(jù)撥彈輪半徑和輔助撥彈輪半徑，將其各自角速度轉(zhuǎn)化為各自彈窩中心的線速度，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖2～圖5和表1～表2。第2次試驗(yàn)曲線見圖2～圖3，其中圖2為撥彈輪及輔助撥彈輪角位移曲線、圖3為撥彈輪及輔助撥彈輪彈窩中心線速度曲線。第3次試驗(yàn)曲線見圖4～圖5，圖4為撥彈輪及輔助撥彈輪角位移曲線、圖5為撥彈輪與輔助撥彈輪彈窩中心線速度對比曲線。通過濾波處理，在獲得撥彈輪和輔助撥彈輪角速度后通過對角速度微分，得到相應(yīng)的角加速度值。

表1 第1次撥彈輪和輔助撥彈輪角加速度、彈窩中心線速度

導(dǎo)致射速偏低的原因有多個(gè)，對于某高炮自動(dòng)機(jī)射速偏低主要原因：一是拖彈阻力過大影響了基礎(chǔ)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)；二是因?yàn)閾軓椵喤c輔助撥彈輪轉(zhuǎn)速匹配不合適。為此，對第1次的測試結(jié)果進(jìn)行了分析計(jì)算。

由式(1)可見，當(dāng)撥彈輪角速度最大時(shí)彈帶阻力為最大：

Fdzlmax=5 072.6 N

射擊時(shí)，撥彈輪提供的動(dòng)力來源于火藥氣體，直接計(jì)算比較困難，可間接通過慣性力計(jì)算得出，該力分為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的慣性力和平動(dòng)引起的慣性力兩部分。計(jì)算公式如下：

(5)

通過計(jì)算，得出撥彈輪的動(dòng)力為：Fbd1=5 429.7 N,可見Fbd1>Fbd1max。

計(jì)算結(jié)果說明：在正常工作情況下，撥彈輪、輔助撥彈輪作用于炮彈上的撥彈力能夠克服根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算出的最大彈帶阻力，足以拖動(dòng)長度30發(fā)彈帶的及時(shí)運(yùn)動(dòng)。通過受力分析可以排除因撥彈而增加自動(dòng)機(jī)的負(fù)載導(dǎo)致射速降低的可能性。

根據(jù)該高炮自動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)，供彈過程中當(dāng)輔助撥彈輪與撥彈輪之間處于涌彈狀態(tài)時(shí)，輔助撥彈輪才會(huì)對撥彈輪提供助力，有利于提高射速。相反，則會(huì)對撥彈輪造成附加阻力，降低自動(dòng)機(jī)射速。第1次29連發(fā)試驗(yàn)測試結(jié)果中，輔助撥彈輪全部低于撥彈輪彈窩中心線速度峰值，輔助撥彈輪與撥彈輪彈窩中心線速度峰值相差較大，其峰值平均值相差2.75 m·s-1，射速僅達(dá)到960發(fā)/分(見表1)。

3 采取的措施及效果

3.1 采取的措施

通過對第1次測試數(shù)據(jù)的計(jì)算分析后，采取了以下措施：

加大了蓄能器，保證在一定的射長內(nèi)射速能夠保持穩(wěn)定；通過將供彈導(dǎo)引與輔助撥彈輪傳動(dòng)軸脫開以及調(diào)整傳動(dòng)鏈之間的間隙兩種方式減少了輔助撥彈輪的阻力矩，使阻力矩由5 N·m減小到0.5 N·m。

3.2 采取措施后效果分析

對調(diào)整后的第2次和第3次測試結(jié)果，最大彈帶阻力也進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算(公式同第1次)，其撥彈輪力均大于最大彈帶阻力。

Fbd2=5 523.8 NFdz2max=5 263.1 N

Fbd3=3 815.6 NFdz3max=3 502.9 N

因此，F(xiàn)bd2>Fdz2max,Fbd3>Fdz3max。

第2次10連發(fā)試驗(yàn)測試結(jié)果中，輔助撥彈輪有9發(fā)低于撥彈輪彈窩中心線速度峰值，且輔助撥彈輪與撥彈輪彈窩中心線速度峰值差值小于第1次試驗(yàn)，但是相差依然較大(見圖3)，其峰值平均值相差2.09 m·s-1，射速為991發(fā)/分，離技術(shù)指標(biāo)十分接近；從第3次9連發(fā)試驗(yàn)測試結(jié)果看出(見圖5)，輔助撥彈輪有6發(fā)低于撥彈輪彈窩中心線速度峰值，但總體基本接近，其峰值平均值相差僅為0.34 m·s-1，射速也達(dá)到了1 074發(fā)/分，滿足了技術(shù)指標(biāo)要求。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，盡管輔助撥彈輪與撥彈輪彈彈窩中心線速度瞬時(shí)峰值有差別，但當(dāng)兩者差值相對較小時(shí)，仍能保障射速指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，見表2。

表2 3次試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)對比表

4 結(jié) 論

在某自動(dòng)機(jī)供彈系統(tǒng)上，加裝輔助撥彈機(jī)構(gòu)后，由于實(shí)際射速?zèng)]能達(dá)到預(yù)期的值，為尋求射速偏低原因，對實(shí)彈射擊過程中撥彈輪及輔助撥彈輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行了測試，并通過對彈帶及撥彈輪受力理論計(jì)算，排除了因撥彈而增加自動(dòng)機(jī)負(fù)載導(dǎo)致射速偏低的可能性。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后得出，在自動(dòng)機(jī)工作過程中，當(dāng)輔助撥彈輪與撥彈輪彈窩中心線速度差值較小時(shí)，兩者匹配較好，實(shí)際射速較高。在該結(jié)論的指導(dǎo)下，通過對某高炮供彈系統(tǒng)采取措施后，不僅使實(shí)際射速達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，而且延長了后坐時(shí)間，使后坐時(shí)間由占自動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的20%提高到了30%，從而減小了自動(dòng)機(jī)零部件所受的沖擊力，延長了其使用壽命。

[1] 朱森元．小口徑速射火炮武器系統(tǒng)發(fā)展展望[J]．兵工自動(dòng)化，2008，27(6)：1-4，8．

ZHU Sen-yuan．Development forecasting for small caliber rapid firing artillery system[J]．Ordnance Industry Automation, 2008,27(6):1-4,8．(in Chinese)

[2] 馬福球，陳運(yùn)生，朵英賢．火炮與自動(dòng)武器[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2003：158-159．

MA Fu-qiu, CHEN Yun-sheng, DUO Ying-xian． Artillery and automatic weapons[M]．Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2003:158-159．(in Chinese)

[3] 張相焱．火炮自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2010：202-216．

ZHANG Xiang-yan．Artillery automatic mechanism design[M]．Beijing:Beijing Institute of Technology Press, 2010:202-216．(in Chinese)

[4] 華恭，伊玲益．火炮自動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1976：206-212．

HUA Gong, YI Ling-yi．Artillery automatic mechanism design[M].Beijing：National Defense Industry Press, 1976:206-212．(in Chinese)

[5] 戴成勛，靳天佑，朵英賢．自動(dòng)武器設(shè)計(jì)新編[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1990：12-19．

DAI Cheng-xun, JIN Tian-you, DUO Ying-xian．New design of automatic weapons[M] ．Beijing: National Defense Industry Press, 1990:12-19．(in Chinese)

[6] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì)．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]．5版,4卷,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：22-65, 22-66．

Mechanical Design Handbooks Editorial Board. Mechanical design handbook[M]． 4th vol.5th ed. Beijing: China Machine Press, 2010:22-65, 22-66．(in Chinese)