一種彈藥協(xié)調(diào)器設計與動力學分析

信義兵，高躍飛，劉海濤

（中北大學機電工程學院，山西太原 030051）

一種彈藥協(xié)調(diào)器設計與動力學分析

信義兵，高躍飛，劉海濤

（中北大學機電工程學院，山西太原 030051）

針對坦克彈藥協(xié)調(diào)機構的功能和要求，設計了一種由鏈條和液壓缸組成的新型彈藥協(xié)調(diào)器方案。利用動力學仿真軟件ADAMS建立協(xié)調(diào)器動力學模型并進行優(yōu)化以及仿真分析，得到其相應的動力學曲線和運動規(guī)律。對回轉(zhuǎn)機構進行動力學優(yōu)化使液壓缸的最大作用力降低7.8%。提升機構在對彈藥進行提升的過程中鏈條的位移量會有一定的波動，但大體上保持在±0.5 mm范圍內(nèi)。安裝板運動的速度也會在一定范圍內(nèi)跳動，但整體上保持為活塞桿移動速度的2倍，設計方案同時也對協(xié)調(diào)器機構的研究與分析具有一定的理論指導意義。

兵器科學技術；彈藥協(xié)調(diào)器；動力學；運動規(guī)律

彈藥自動裝填技術是提高火炮速射性的有效途徑之一。該技術可有效保證大口徑火炮持續(xù)恒定的射速，有利于提高火炮射擊密集度并能降低炮手的勞動強度。隨著火炮爆發(fā)射速和多發(fā)同時彈著概念的提出，對自動裝填技術的研究具有重要的意義［1］。其中彈藥協(xié)調(diào)器是坦克彈藥自動裝填系統(tǒng)的重要部件，它安裝在坦克底盤上，接受來自彈藥倉的彈藥，然后在控制器的作用下進行彈藥協(xié)調(diào)，使得彈藥軸線與待發(fā)射狀態(tài)下的炮管軸線平行［2］。在進行協(xié)調(diào)器設計時，除了要求其滿足規(guī)定的功能外，還要求協(xié)調(diào)器具有質(zhì)量小、振動小以及定位準確，它工作性能的好壞直接影響到彈丸裝填的質(zhì)量和效率［3］。筆者根據(jù)坦克的自動裝填方式設計了一種協(xié)調(diào)器，并在剛體動力學軟件ADAMS中進行了仿真分析，得出了協(xié)調(diào)器運動參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。

筆者首先通過UG三維建模軟件對協(xié)調(diào)器進行虛擬建模，以ADAMS動力學仿真軟件作為分析平臺，對協(xié)調(diào)器回轉(zhuǎn)機構的關鍵技術參數(shù)進行參數(shù)設計，得到回轉(zhuǎn)機構關鍵的參數(shù)運動曲線；并運用ADAMS參數(shù)化的設計理念對其中的部分進行優(yōu)化設計，得到最佳的參數(shù)值組合［4］。最終對協(xié)調(diào)器整體進行仿真分析，得到關鍵零件的運動曲線。

1 彈藥協(xié)調(diào)器設計

彈藥協(xié)調(diào)器由兩大部分組成：一是回轉(zhuǎn)機構，實現(xiàn)彈丸角度的變化；二是提升機構，實現(xiàn)彈丸高度的變化。

1.1 回轉(zhuǎn)機構設計與優(yōu)化

1.1.1 回轉(zhuǎn)機構位置參數(shù)計算

如圖1所示，設安裝板上鉸鏈點AO長度為f，機械臂上鉸鏈點AB的長度為S，l1為初始位置是鉸鏈點B1到回轉(zhuǎn)液壓缸鉸鏈點O的距離，l2為終止位置是鉸鏈點B2到回轉(zhuǎn)液壓缸鉸鏈點O的距離，l為任意位置時鉸鏈點B到回轉(zhuǎn)液壓缸鉸鏈O的距離。令λ＝l2／l1，ξ＝S／f，η1＝l1／f，η2＝l2／f＝λη1，η＝l／f，其中λ為液壓缸活塞桿伸出系數(shù)。

根據(jù)幾何關系可知，機械臂的初始角度φ1應該滿足

機械臂的終止角度φ2應該滿足

機械臂的工作擺角

由于坦克注重低彈道射擊，所以機械臂的最大擺角取45°，選取安裝板上兩鉸鏈之間的距離f＝ 200 mm，φ1＝45°，φ2＝90°。

活塞桿伸出系數(shù)λ應根據(jù)活塞桿伸出的穩(wěn)定性的要求來確定，一般取λ在1.5～1.7范圍內(nèi)，本文取λ＝1.6。

式中：A＝C＝λ2－1；B＝－2（λ2cosφ1－cosφ2）；

根據(jù)以上參數(shù)就可以確定回轉(zhuǎn)機構其他參數(shù)。

1.1.2 液壓缸的選擇

選擇雙作用液壓缸作為回轉(zhuǎn)機構的動力源［2］，缸筒可以繞固定在安裝板上的鉸鏈點O旋轉(zhuǎn)，由活塞桿實現(xiàn)載荷的驅(qū)動。工作原理如圖2所示，當A口進油B口出油時，活塞桿伸出；當B口進油A口出油時，活塞桿收回，從而實現(xiàn)活塞桿的正反兩個方向的運動，并帶動機械臂旋轉(zhuǎn)相應的角度。

選取總負載F為230 N，液壓缸的工作壓力p取1 MPa，活塞桿的直徑d根據(jù)液壓缸的總負載力F和工作壓力p來計算。

選取液壓缸內(nèi)徑D＝2d，最后確定d＝18 mm（經(jīng)圓整后），D＝36 mm。回轉(zhuǎn)機構三維圖如圖3所示。

1.1.3 回轉(zhuǎn)機構的優(yōu)化設計

回轉(zhuǎn)液壓缸所能提供的最大驅(qū)動力與鉸鏈點的空間安裝位置有直接的關系［5］。因此，將圖1中所示的鉸鏈點A、B、O在ADAMS仿真模型坐標系中沿x和y方向的變化量DV_AX、DV_AY、DV_ BX、DV_BY、DV_OX、DV_OY作為參數(shù)變量，并在滿足回轉(zhuǎn)液壓缸制作距、安裝距、行程及各部件間不產(chǎn)生干涉的前提下，只考慮平面內(nèi)坐標點的變化以及合理約束變量的變化范圍，將液壓缸載荷的最大值作為研究目標，通過ADAMS優(yōu)化計算確定一組使得液壓缸載荷的最大值為最小的設計變量參數(shù)。

為了使活塞桿移動的速度不發(fā)生突變并能反映回轉(zhuǎn)機構真實的運動情況，液壓缸驅(qū)動采用Step位移函數(shù)，并添加在液壓缸缸筒與活塞桿之間的滑移副上，用以控制液壓缸單個行程的動作，認為將彈丸由水平位置擺到與炮膛軸線重合位置所需時間不超過1 s，速度驅(qū)動函數(shù)為

step（time，0，0，0.25，－185.33）+step（time，0.25，0，0.75，0）+step（time，0.75，0，1.0，185.33）。

如圖4所示，優(yōu)化前液壓缸的最大載荷為244.7 N，優(yōu)化后液壓缸的最大載荷為225.5 N，整體降低了7.8%。優(yōu)化前后各關鍵參數(shù)化點坐標值如表1所示。

1.2 提升機構設計

本設計實例通過一液壓缸與鏈輪相結(jié)合的提升機構來實現(xiàn)彈藥的升降動作，如圖5、6所示。

支架固定在坦克底盤上，鏈輪與提升液壓缸在同一鉛垂面內(nèi)，并將其安裝在活塞桿的端部，鏈條的一端繞過鏈輪與提升液壓缸缸體上的接口連接，鏈條的另一端與安裝板上的接口相連，安裝板上的導向滾子可以沿著導軌上下滑動。采用左右對稱的結(jié)構來保證其工作穩(wěn)定性。

設活塞桿的移動速度和位移分別為v1、s1，鏈輪的角速度為ω，鏈條移動的速度和位移分別為v2、s2，液壓缸總行程為L，鏈輪的節(jié)圓直徑為dc。

由理論力學知識可知：O點為速度瞬心，ω＝2v1／dc，v2＝ωdc＝2v1，所以s2＝2s1。

根據(jù)分析結(jié)果可以看出，采用這樣的傳動方式可以使液壓缸行程減小一半，但同時也要求液壓缸輸出的作用力為原來的2倍。對于提升液壓缸的設計這里將不再贅述。

2 仿真分析

2.1 模型的基本假設

彈藥協(xié)調(diào)機構的運動和受力是非常復雜的，對機構模型合理的簡化和正確假設，不僅能將復雜的問題簡單化，而且還有助于抓住其本質(zhì)。由此，對彈藥協(xié)調(diào)機構作以下假設。

1）ADAMS仿真模型按照實際的協(xié)調(diào)情況進行建模，不考慮尺寸公差以及各種誤差［6］。

2）協(xié)調(diào)機構的各組件均視為剛體，各連接部位均視為剛性連接，忽略柔性體對運動的影響。

3）不考慮推彈、輸彈的過程，仿真只對協(xié)調(diào)機構的位移、速度作研究，分析其設計是否合理。

4）合并構件，忽略一些小質(zhì)量而非關鍵的零件。

2.2 基于ADAMS軟件的接觸力理論

本文中鏈條與鏈輪之間動作和能量的傳遞是通過接觸與碰撞實現(xiàn)的，在ADAMS軟件中，碰撞問題的計算方法采用的是彈簧-阻尼接觸正壓鉸理論［7］，接觸正壓力公式為

式中：k為彈簧剛度系數(shù)；g為某時刻兩接觸面的滲透量；e為作用力指數(shù)；c為阻尼系數(shù)。

在定義接觸時，摩擦力的定義對仿真的結(jié)果有很大影響。用Coulomb摩擦定律計算鏈輪與鏈條滾輪之間的切向摩擦力

式中，μ為摩擦系數(shù)，由下式確定：

式中：vs為靜摩擦轉(zhuǎn)變速度；vd為動摩擦轉(zhuǎn)變速度；μs為最大靜摩擦系數(shù)；μd為最大動摩擦系數(shù)；v為相對滑移速度。這些參數(shù)的取值取決于相互接觸材料的類型和尺寸。

接觸副施加在鏈輪與鏈條上的滾輪之間，根據(jù)實踐經(jīng)驗，具體接觸參數(shù)為彈簧剛度系數(shù)k取100 k N／mm。另外，碰撞指數(shù)e取1.5，阻尼系數(shù)c取50 N／（s·mm），滲透深度g取0.1 mm?？紤]碰撞接觸時的摩擦，取靜摩擦轉(zhuǎn)變速度vs為0.1 mm／s，動摩擦轉(zhuǎn)變速度vd為10 mm／s，最大靜摩擦系數(shù)μs為0.3，動摩擦系數(shù)μd為0.25。

2.3 動力學模型的建立

為了保證模型在仿真時的精度，并考慮到協(xié)調(diào)機構結(jié)構的復雜性，決定使用UG三維建模軟件建立模型，并保存成Parasolid（x_t）格式，導入機械系統(tǒng)動力學仿真軟件ADAMS中，根據(jù)實際情況添加材料的屬性、構件的約束、參數(shù)變量等，協(xié)調(diào)器拓撲關系圖如圖7所示。桿1，回轉(zhuǎn)液壓缸的活塞桿表示為活塞桿2。鏈條的一端與安裝板上的接口之間為旋轉(zhuǎn)副，另一端與液壓缸缸體上的接口之間為旋轉(zhuǎn)副。各組件重力的設置均與實際情況相同。

建立模型后的協(xié)調(diào)器動力學模型如圖8所示。

2.4 仿真結(jié)果

提升機構不僅自身要有較小的質(zhì)量，而且還要具有一定的提升速度以及較小的定位誤差，筆者只針對安裝板向上移動400 mm（非實際移動距離）進行了仿真，將驅(qū)動力施加在活塞桿與提升液壓缸之間的滑移副上，為了使活塞桿的速度不產(chǎn)生突變，提升液壓缸的驅(qū)動采用step函數(shù)，認為提升時間不超過2 s，驅(qū)動函數(shù)為

step（time，0，0，0.2，111.111）+step（time，0.2，0，1.8，0）+step（time，1.8，0，2，－111.111）。

理論上安裝板移動的位移是活塞桿移動位移的2倍，但由于鏈條傳動的多邊形效應以及接觸力的影響，導致安裝板的位移和速度會有一定的波動偏差，如圖9～11所示。圖9中，當活塞桿移動200 mm時，安裝板移動的位移為400.045 1 mm，滿足定位偏差小于0.5 mm的要求。從圖10中可以看出安裝板移動的速度大體上保持為活塞桿速度的2倍。

其中H1為滑移副，H2為固定副，H3為旋轉(zhuǎn)副，H4為接觸副，提升液壓缸的活塞桿表示為活塞

由圖11可以看出，鏈條正向跳動的最大位移為0.334 9 mm，反方向最大跳動位移為0.362 4 mm，也保持在±0.5 mm的范圍內(nèi)變化，滿足設計要求。

3 結(jié)論

筆者提出由鏈傳動和液壓缸組成的彈藥協(xié)調(diào)方案，具有結(jié)構簡單、技術成熟等優(yōu)點。研究主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，通過利用ADAMS參數(shù)化優(yōu)化設計功能對回轉(zhuǎn)機構進行仿真分析，不僅避免了復雜數(shù)學模型的建立和推導計算，還準確地得到了回轉(zhuǎn)機構的運動規(guī)律以及最佳參數(shù)組合；第二，對整體結(jié)構進行了仿真分析，得到安裝板、鏈條以及活塞桿運動曲線。最終可知，在協(xié)調(diào)機構滿足自動裝填系統(tǒng)的要求情況下，采用鏈傳動和液壓缸組合的彈藥協(xié)調(diào)器方案會使彈丸定位有一定的偏差，但大體上滿足要求，故該方案設計合理，可為協(xié)調(diào)器機構的設計研究提供一定的參考。

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Design and Dynamics Analysis of a Ammunition Coordinator

XIN Yibing，GAO Yuefei，LIU Haitao

（Electromechanical Engineering College，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

A new type of ammunition coordinator composed of chain and the hydraulic cylinder was designed in accordance with the requirement and the function of the tank ammunition coordinator.The dynamic model of the ammunition coordinator had been established by use of the Adams software before the simulation analysis and the dynamic optimization were conducted to obtain the corresponding dynamics curves and motion patterns.The dynamic optimization of rotary mechanism makes the maximum force of hydraulic cylinder reduced by 7.8%.The displacement of chain showed a certain fluctuation in the process of lifting ammunition，but it was generally kept within plus-minus 0.5 mm range.The motion velocity of the mounting plate will also fluctuate within a certain range，but on the whole it was two times the motion velocity of the piston rod.At the same time，the research of this paper is a certain degree of significance in theoretical guidance for the design and analysis of the mechanism of the ammunition coordinator.

ordnance science and technology；ammunition coordinator；dynamics；motion patterns

TJ303+.3

A

1673-6524（2015）03-0039-05

2015- 01- 13；

2015- 04- 09

信義兵（1989－），男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)動力學與仿真技術研究。E-mail：547232634＠qq.com