一種自動(dòng)供彈機(jī)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與仿真研究

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(1.軍械工程學(xué)院, 河北 石家莊　050003; 2.軍械技術(shù)研究所, 河北 石家莊　050003)

引言

隨著大口徑火炮自動(dòng)裝填系統(tǒng)不斷裝備世界各國(guó)炮兵，供彈機(jī)能否快速、高效、持久的為火炮提供彈藥，已經(jīng)成為決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的關(guān)鍵。目前世界各國(guó)列裝的供彈機(jī)在設(shè)計(jì)上采用了不同的風(fēng)格和模式，大部分供彈機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)快速可靠的彈藥裝填目標(biāo)，并且取得了較好的效果；而我國(guó)目前較為先進(jìn)的自動(dòng)供彈機(jī)還是采用自動(dòng)裝彈，半自動(dòng)裝藥的方式進(jìn)行彈藥的裝填，這種裝填方式在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)于自行火炮武器系統(tǒng)效能的發(fā)揮具有一定的局限性，很難對(duì)具備較高彈藥自動(dòng)裝填水平的敵方炮兵構(gòu)成壓倒性優(yōu)勢(shì)[1-5]。因此，研究一種更為快速可靠的自動(dòng)供彈機(jī)對(duì)于我軍未來(lái)在戰(zhàn)場(chǎng)上能夠充分掌握火力主動(dòng)權(quán)具有十分重要的意義。立足這一現(xiàn)狀，提出一種能夠?qū)椝庍M(jìn)行全自動(dòng)裝填的自動(dòng)供彈機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)方案對(duì)供彈機(jī)進(jìn)行建模和仿真分析，通過(guò)分析得出該供彈機(jī)比現(xiàn)役各類供彈機(jī)具有更快的彈藥裝填速度和更多樣的彈藥裝填功能。

1　設(shè)計(jì)方案及工作原理

通過(guò)分析某自行火炮炮塔的空間大小及彈丸和藥筒的結(jié)構(gòu)尺寸[6-8]可知，該自行火炮射擊所采用彈丸質(zhì)量選取范圍在27～29 kg之間，可以確定設(shè)計(jì)方案中彈丸整裝后的最大長(zhǎng)度為1342.7 mm，整裝彈的最大直徑為87.8 mm。彈藥裝填時(shí)采用“箱”式裝填模式，其中各部件的具體結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可以得出自動(dòng)供彈機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，該自動(dòng)供彈機(jī)由左側(cè)的16個(gè)4×4自動(dòng)化彈倉(cāng)， 右側(cè)的16個(gè)4×4自動(dòng)化藥倉(cāng)組成。 其基本的工作原理是：每個(gè)自動(dòng)化彈倉(cāng)和藥倉(cāng)的底端都有一個(gè)自動(dòng)開(kāi)門裝置， 該裝置由左右兩塊擋彈板和閉鎖裝置構(gòu)成一種“門”式結(jié)構(gòu)，當(dāng)托彈盤置于開(kāi)門裝置正下方時(shí)，感應(yīng)傳感器將信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令。

表1　自動(dòng)供彈機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1　自動(dòng)供彈機(jī)后視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在控制指令的作用下，彈倉(cāng)和藥倉(cāng)相應(yīng)的開(kāi)門裝置的閉鎖機(jī)構(gòu)打開(kāi)左右擋彈板，彈丸或藥筒在兩扇擋彈板的作用下逐漸下落直至放置于托彈盤上，再由托彈盤將彈藥運(yùn)送至待裝填位置，這一基本過(guò)程如圖2所示。

圖2　供彈機(jī)供彈過(guò)程圖

在位于最下方一層的彈藥裝填完畢以后，每一列彈藥對(duì)應(yīng)的上一層彈丸或藥筒依次以相同的方式放入下一個(gè)彈藥倉(cāng)，這一過(guò)程的動(dòng)作可由圖3、圖4表示。為了更好地說(shuō)明設(shè)計(jì)方案的工作原理，圖3、圖4模擬的是假設(shè)所有開(kāi)門裝置都打開(kāi)的情況下系統(tǒng)動(dòng)作過(guò)程圖，在現(xiàn)實(shí)情況下并不存在。圖5則表示將Pro/E中的三維模型充分簡(jiǎn)化后導(dǎo)入RecurDyn軟件中得出的供彈機(jī)的整體簡(jiǎn)化模型。

2　基本性能要求及動(dòng)力學(xué)分析

結(jié)合現(xiàn)階段戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)自動(dòng)供彈機(jī)的基本性能要求[9，10]以及所要達(dá)到的優(yōu)化目標(biāo)確定該供彈機(jī)的基本指標(biāo)，其中，持續(xù)供彈速度需達(dá)到15發(fā)/min，每發(fā)供彈時(shí)間為1.5 s，可以安裝四種型號(hào)的彈藥，這樣設(shè)計(jì)可以使得持續(xù)供彈速度比目前國(guó)內(nèi)外已列裝的先進(jìn)供彈裝置快出近5發(fā)/min，可安裝多種型號(hào)的彈藥也是現(xiàn)役該類系統(tǒng)還未能實(shí)現(xiàn)的。

圖3　供彈動(dòng)作過(guò)程圖

圖4　供彈動(dòng)作過(guò)程側(cè)視圖

圖5　供彈機(jī)簡(jiǎn)化模型

根據(jù)設(shè)計(jì)原理可得出供彈機(jī)供彈階段彈丸或藥筒的受力分析圖如圖6所示，F(xiàn)1、F2為左右擋彈板對(duì)彈丸的支持力，f1、f2為彈丸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的擋彈板的摩擦力，F(xiàn)0為空氣阻力，在這里可以近似于零， 忽略不計(jì)，G1為彈丸的重力。假設(shè)擋彈板與水平方向的夾角為θ，彈丸加速度為a，則對(duì)于質(zhì)量為m的彈丸有：

G-(F1+f1)cosθ-(F2+f2)sinθ=ma

圖6　供彈過(guò)程彈丸受力分析圖

根據(jù)設(shè)計(jì)方案中確定的彈丸尺寸及質(zhì)量并結(jié)合相應(yīng)的理論計(jì)算可以得出以下結(jié)論：彈丸位移變化范圍需控制在在50～190 mm之間，彈丸與托彈盤之間瞬間最大接觸力不大于7410 N，平衡接觸力不大于750 N。

3　仿真分析

由于供彈機(jī)供彈過(guò)程中包含兩個(gè)重要?jiǎng)幼?，一是最下方的彈藥落入托彈盤中；二是上層的彈藥落入下層的彈藥倉(cāng)中，所以在給出設(shè)計(jì)方案相關(guān)參數(shù)以后，需要分別對(duì)這兩個(gè)動(dòng)作進(jìn)行仿真分析以確定方案設(shè)計(jì)的合理性及可行性。

3.1　設(shè)計(jì)參數(shù)確定

由于仿真分析結(jié)果需要與設(shè)計(jì)方案的預(yù)期參數(shù)進(jìn)行比對(duì)方能證明方案是否合理，因此在進(jìn)行仿真分析前，先給出設(shè)計(jì)方案所要求的供彈機(jī)各重要部件工作參數(shù)取值范圍如表2所示。

表2　自動(dòng)供彈機(jī)設(shè)計(jì)方案相關(guān)參數(shù)

3.2　彈藥落盤動(dòng)作仿真分析

確定設(shè)計(jì)方案的相關(guān)參數(shù)以后，將彈藥落盤動(dòng)作過(guò)程的簡(jiǎn)化模型[13，14]導(dǎo)入RecurDyn軟件中建立虛擬樣機(jī)模型如圖7所示。

對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，結(jié)果如圖8所示，該圖表示彈丸的位移變化情況，從圖中可以看出，前0.6 s 內(nèi)彈丸處于裝彈的主要階段，速度、加速度變化較快，位移從495 mm變化至350 mm后處于平衡狀態(tài)，變化幅值為145 mm，小于最下方彈藥與托彈板的距離150 mm，符合要求。

圖7　供彈動(dòng)作虛擬樣機(jī)模型

圖8　彈丸位移變化曲線

圖9為右擋彈板的位移變化情況，其位移變化范圍在456.000～503.000 mm，變化幅值47 mm， 小于該方案設(shè)計(jì)范圍80 mm。

圖9　右擋彈板位移變化曲線

圖10及圖11為右擋彈板的速度及加速度變化情況，從圖中可以看出，在左右擋板夾持著彈丸或藥筒緩緩降落時(shí)，擋板速度不斷減小，在彈丸放置到位以后，擋板開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng)再減速運(yùn)動(dòng)直至兩擋板閉合，中間經(jīng)歷時(shí)間約為0.9 s，擋板閉合后，系統(tǒng)確認(rèn)彈丸已經(jīng)完全放置于托彈板之上，位于托彈盤前后位置的兩個(gè)卡彈槽閉合將彈丸夾緊固定，所需時(shí)間約為0.6 s，到此，供彈動(dòng)作全部完成，彈丸供彈總共用時(shí)1.5 s，這符合所設(shè)計(jì)的裝彈時(shí)間要求。

圖10　右擋彈板速度變化曲線

圖11　右擋彈板加速度變化曲線

圖12表示彈丸與托彈盤接觸力變化情況，從設(shè)計(jì)及計(jì)算值可以看出，彈丸落盤時(shí)，彈丸與托彈盤之間瞬間最大接觸力不大于7410 N，平衡接觸力不大于750 N，圖中最大接觸力約為7300 N，平衡狀態(tài)在0.8～2.8 s，作用力基本保持在600 N左右，符合設(shè)計(jì)要求。

圖12　彈丸與托彈盤接觸力變化曲線

從圖13中可以看出彈丸與擋彈板作用力變化情況，最大值為790 N，當(dāng)彈丸被完全釋放以后，接觸力變?yōu)?。圖14和圖15分別表示彈丸放入托彈盤以后，彈丸與前后卡彈槽作用力變化曲線，圖中分別出現(xiàn)三個(gè)較為明顯的波峰：第一個(gè)波峰是彈丸與托彈盤接觸瞬間產(chǎn)生的，發(fā)生在0.5 s左右，此時(shí)受力最大；第二個(gè)波峰是緩沖階段由于彈丸慣性導(dǎo)致的，設(shè)計(jì)要求其最大值不超過(guò)500 N，圖中數(shù)值大約處于400～450 N之間；第三個(gè)波峰是彈丸固定階段推彈器對(duì)彈丸的作用力，大約為120 N，這個(gè)力遠(yuǎn)小于卡彈槽對(duì)彈丸的固定力，不可能使彈丸發(fā)生明顯運(yùn)動(dòng)，符合實(shí)際要求。

圖13　彈丸與擋彈板作用力變化曲線

圖14　彈丸與前卡彈槽作用力曲線

圖15　彈丸與后卡彈槽作用力曲線

3.3　上層彈藥落入下層彈藥倉(cāng)動(dòng)作仿真分析

建立上層彈藥落入下層彈藥倉(cāng)時(shí)的虛擬樣機(jī)模型[15]如圖16所示，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析得出彈丸速度及位移曲線如圖17、圖18所示。從曲線中可以看出，彈丸從上層落入下層用時(shí)約0.3 s時(shí)間，位移從500 mm變至380 mm,變化幅值為120 mm，大于彈藥整裝直徑87.8 mm，速度在1.2 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值，不會(huì)影響下一步動(dòng)作的進(jìn)行，仿真結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，仿真分析結(jié)果均能達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)及性能指標(biāo)的相關(guān)要求，證明所設(shè)計(jì)的方案是正確可行的。

圖16　上層彈丸落入下層虛擬樣機(jī)模型

圖17　彈丸位移變化曲線

圖18　彈丸速度變化曲線

4　結(jié)論

(1) 提出了一種“箱”式自動(dòng)供彈機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真分析證明了方案的合理性；該供彈機(jī)具備能夠同時(shí)容納四種不同類型的彈藥并且能夠?qū)崿F(xiàn)上層彈藥至下層彈藥逐層遞推式裝填的獨(dú)特功能，在彈藥的存儲(chǔ)和裝填結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面是一種全新的嘗試；

(2) 與現(xiàn)役較為先進(jìn)的自動(dòng)供彈機(jī)相比，所設(shè)計(jì)的“箱”式自動(dòng)供彈機(jī)能夠?qū)⑵骄椝俣忍岣叽蠹s5發(fā)/min， 能夠較大程度的提高供彈速度從而大幅提高自行火炮的射速；

(3) 從彈藥的裝填動(dòng)作來(lái)看，供彈機(jī)各彈藥裝填子模塊相互獨(dú)立，互不干擾，與傳統(tǒng)的鏈?zhǔn)交剞D(zhuǎn)彈倉(cāng)比較，該供彈機(jī)在選彈和供彈時(shí)具有更好的穩(wěn)定性；

(4) 可同時(shí)容納四種類型的彈藥這一重要功能讓自行火炮在面臨復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境時(shí)，彈藥選擇更加靈活和多樣化，對(duì)于提高自行火炮的作戰(zhàn)能力和生存能力具有重大意義。

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