差動(dòng)輪系在火炮補(bǔ)彈系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析*

楊 臻，原永亮，王圣輝，高驍波

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

差動(dòng)輪系在火炮補(bǔ)彈系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析*

楊 臻，原永亮，王圣輝，高驍波

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051）

描述了某小口徑火炮補(bǔ)彈系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的差動(dòng)輪系翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。通過使用ADAMS機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立動(dòng)力學(xué)模型并仿真分析計(jì)算，得到翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)曲線和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，仿真數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)相一致，結(jié)果表明ADAMS軟件對(duì)復(fù)雜模型的仿真準(zhǔn)確可靠，對(duì)以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

補(bǔ)彈系統(tǒng)，差動(dòng)輪系，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，ADAMS

0 引言

火炮是一種低空防衛(wèi)武器，是現(xiàn)在和未來戰(zhàn)爭(zhēng)中重要武器之一，火炮性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系著陸軍作戰(zhàn)的勝負(fù)。因此，火炮的研究仍然是我國(guó)軍工界研究的熱點(diǎn)。

提高火炮發(fā)射速率是國(guó)內(nèi)外火炮專家研究的重要課題［1］。目前我國(guó)的部分火炮發(fā)射速率普遍比較低，其中重要的原因就是我國(guó)火炮的補(bǔ)彈系統(tǒng)滿足不了火炮高速發(fā)射的要求。通過對(duì)整個(gè)補(bǔ)彈系統(tǒng)分析可知，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)補(bǔ)彈系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵性的作用。本文主要通過對(duì)火炮自動(dòng)補(bǔ)彈系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，最終得到能夠滿足快速補(bǔ)彈、快速發(fā)射等特點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

本文主要利用差動(dòng)輪系來實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)快速補(bǔ)彈的特點(diǎn)。根據(jù)輪系運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各齒輪軸線的相對(duì)位置是否固定，可分為定軸輪系、周轉(zhuǎn)輪系和復(fù)合輪系。周轉(zhuǎn)輪系根據(jù)所具有的自由度的不同，可分為差動(dòng)輪系和行星輪系［2］。差動(dòng)輪系由行星輪、中心輪和行星架組成，其自由度為2，即該輪系的傳動(dòng)必須有兩個(gè)相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。本文介紹一種在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中簡(jiǎn)便易行的結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)彈、提高射速的功能。差動(dòng)輪系在本設(shè)計(jì)中具有以下特點(diǎn)：

（1）差動(dòng)輪系體積小，傳動(dòng)比范圍大，組成差動(dòng)輪系的零部件簡(jiǎn)單、常用，不需特制；

（2）可以利用差動(dòng)輪系既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的特性來滿足本設(shè)計(jì)的要求；

（3）可以通過控制差動(dòng)輪系的轉(zhuǎn)速差和傳動(dòng)比來控制裝在差動(dòng)輪系上機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的角度。

圖1 差動(dòng)輪系的簡(jiǎn)圖

1 差動(dòng)輪系的理論基礎(chǔ)

根據(jù)機(jī)械原理輪系中的知識(shí)可知，在差動(dòng)輪系中，由于有兩個(gè)自由度，即對(duì)行星輪而言，既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)，所以在計(jì)算該輪系時(shí)，不能直接利用定軸輪系的知識(shí)計(jì)算，需要用轉(zhuǎn)化輪系的思路來計(jì)算。

差動(dòng)輪系中的行星輪既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)，歸根結(jié)底的原因是輪系中有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的行星架。如果能夠設(shè)法使行星架固定不動(dòng)，那么差動(dòng)輪系就可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)定軸輪系了［2］。因此，假設(shè)給予差動(dòng)輪系整體一個(gè)角速度（-ωH），根據(jù)力學(xué)中相對(duì)原理可知，原來的構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系并沒有發(fā)生變化，只是此時(shí)行星架的角速度變?yōu)椋害豀H=ωH-ωH=0［2］，然后再利用定軸輪系的知識(shí)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的原理及特點(diǎn)

2.1 工作原理

在自動(dòng)補(bǔ)彈系統(tǒng)中，彈從彈箱中出來，在撥彈齒的撥動(dòng)下，彈沿著導(dǎo)軌在水平方向上運(yùn)動(dòng)，最終需要將彈由彈箱輸送至火炮發(fā)射系統(tǒng)位置。為了滿足這一需求，在水平導(dǎo)軌和軟導(dǎo)之間需要設(shè)計(jì)一個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能就是將彈由原來的水平軌道傳輸至軟導(dǎo)中。由于空間位置的限制，需要保證彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前后傳送方向的一致性。本文利用輪系來實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的功能，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在翻轉(zhuǎn)的過程中，必須保證彈的平穩(wěn)、安全、可靠。

2.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

為了滿足以上的要求，在直線導(dǎo)軌與軟導(dǎo)之間需要設(shè)計(jì)一個(gè)90°的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是必不可少的。由于受到工作速度的影響，因此，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便，要實(shí)現(xiàn)以上要求，該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有以下幾項(xiàng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

（1）差動(dòng)輪系在該工作過程中，翻轉(zhuǎn)彈的速度高，可用空間小，故結(jié)構(gòu)和尺寸受到很大的限制；

（2）彈在經(jīng)過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的前后傳輸?shù)姆较虿蛔儯?/p>

（3）彈經(jīng)過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)后必須準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)與軟導(dǎo)及等其他機(jī)構(gòu)的對(duì)接。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在總體中的布局如圖2所示：

圖2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在總體結(jié)構(gòu)中的布局

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

彈在經(jīng)過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)后需要由豎直方向翻轉(zhuǎn)90°變成水平位置，由于翻轉(zhuǎn)的空間軌跡復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有很大難度?？紤]到彈傳輸方向一致性，為了能實(shí)現(xiàn)以上所述動(dòng)作，本機(jī)構(gòu)最終決定采用在差動(dòng)輪系上裝夾撥彈齒來實(shí)現(xiàn)。由于彈需要翻轉(zhuǎn)90°，為了能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)補(bǔ)彈，因此，本設(shè)計(jì)采用在行星架轉(zhuǎn)動(dòng)平面同一圓周均布4個(gè)裝有撥彈齒的雙聯(lián)齒輪組成的差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)。

3.1 差動(dòng)輪系的設(shè)計(jì)

由于撥彈齒安裝在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，撥彈齒相對(duì)地面而言需要具有兩個(gè)自由度。為了保證撥彈齒在撥動(dòng)彈的過程中不與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，因此，撥彈齒在撥動(dòng)彈的同時(shí)，還需要自轉(zhuǎn)。差動(dòng)輪系的結(jié)構(gòu)布局如圖3所示：

圖3 差動(dòng)輪系的結(jié)構(gòu)

3.2 差動(dòng)輪系的計(jì)算

在本機(jī)構(gòu)中，主要用到齒輪的主要參數(shù)如下：

表1 差動(dòng)輪系齒輪主要參數(shù)

結(jié)合設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)中：

根據(jù)機(jī)械原理知識(shí)可知，其轉(zhuǎn)化輪系的傳動(dòng)比計(jì)算的公式為［3］：

在使用上述公式時(shí)，還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）周轉(zhuǎn)輪系中的兩個(gè)中心輪的軸線應(yīng)該與行星架軸線平行；

（2）iH1K是轉(zhuǎn)化輪系中中心輪1是主動(dòng)輪，輪K是從動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)比；

（3）ω1、ωK和ωH真實(shí)的角速度。

由上述公式可以計(jì)算出本機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，其傳動(dòng)比為：

實(shí)現(xiàn)以上的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速n3需要滿足：

經(jīng)過以上計(jì)算，n3=25 r/min，“+”表示n1、n3兩個(gè)轉(zhuǎn)速方向相同。

綜上計(jì)算，該機(jī)構(gòu)的兩個(gè)動(dòng)力源的轉(zhuǎn)速分別是n1=50 r/min，n3=25 r/min。

4 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真

為了進(jìn)一步掌握差動(dòng)輪系中的各個(gè)齒輪以及撥彈齒與彈接觸力的情況，本文采用ADAMS軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并對(duì)差動(dòng)輪系中的齒輪進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)分析。

4.1 ADAMS模型的導(dǎo)入

把Solid works建好的三維模型保存成Parasolid格式，然后導(dǎo)入到ADAMS/View仿真軟件。按照差動(dòng)輪系實(shí)際的嚙合情況進(jìn)行添加材質(zhì)約束，最后完成動(dòng)力學(xué)仿真模型。

4.2 仿真分析

完成上述仿真模型后，準(zhǔn)確的計(jì)算出齒輪的嚙合線，由于差動(dòng)輪系有兩個(gè)自由度，所以需要添加兩個(gè)動(dòng)力源，具體數(shù)值如表2所示。

本文中采用在行星架轉(zhuǎn)動(dòng)平面同一圓周均布4個(gè)裝有撥彈齒的雙聯(lián)齒輪組成的差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)，目的是為了滿足每分鐘內(nèi)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)200個(gè)90°的彈。彈的位移大小以及撥彈齒與彈的接觸力大小則是評(píng)價(jià)本機(jī)構(gòu)性能優(yōu)劣的一個(gè)重要標(biāo)志。使用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可行性。彈的位移曲線以及撥彈齒與彈的接觸力曲線如圖4和圖5所示：

表2 動(dòng)力源參數(shù)

圖4 彈的位移曲線

圖5 撥彈齒與彈接觸力曲線

通過使用ADAMS軟件對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型動(dòng)力學(xué)分析，由上圖顯然可知：彈在被輸送的過程中，由于撥彈齒繞著翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，彈的位移曲線呈現(xiàn)波浪形。撥彈齒與彈剛接觸時(shí)，接觸力較大。在彈被傳輸?shù)倪^程中，撥彈齒與彈的接觸力在80 N左右波動(dòng)。齒輪在這期間是平穩(wěn)的傳動(dòng)，沒有大幅度的跳動(dòng)，能滿足該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

在實(shí)際工程中，成熟的設(shè)備和機(jī)構(gòu)常常是需要在一個(gè)反復(fù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)中取得的，這樣帶來更多的則是人力和財(cái)力的投入，并且最后還不一定能得到預(yù)期的效果［4］。經(jīng)過使用solid works三維軟件建模和ADAMS軟件對(duì)差動(dòng)輪系仿真，不僅可以形象地得到差動(dòng)輪系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和撥彈齒與彈的接觸力，還可以對(duì)差動(dòng)輪系組成的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)分析，進(jìn)一步揭示差動(dòng)輪系在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的特性和優(yōu)點(diǎn)，為以后的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

［1］王鋼，王立權(quán)，孟祥偉，等.某火炮供彈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2009，32（5）:518-524.

［2］彭文生，李志明，黃華梁.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］李瑞琴.機(jī)械原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［4］田會(huì)方，林喜鎮(zhèn)，趙恒.基于Pro/E和ADAMS齒輪嚙合的動(dòng)力學(xué)仿真［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2006，30（6）:66-69.

［5］李紹青.差動(dòng)輪系指南車的設(shè)計(jì)與分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2012，36（6）:44-46.

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［7］張?jiān)鎏烤笆?某雷達(dá)天線舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2009，4（8）:312-315.

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Application and Analysis of Differential Gear Train in the Artillery Shells Complement System

YANG Zhen，YUAN Yong-liang，WANG Sheng-hui，GAO Xiao-bo
（School of Mechanical and Electronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

This article describes the characteristics of a small caliber artillery shells complement system，and a new type of differential gear trains revering mechanism.Using simulation software of ADAMS mechanical system dynamics astablish the dynamics model and simulation analysis and calculation are parformed dynamic curves and the law of motion are obtained，and simulation data with the theoretical calculated data in a consistent and the results show that ADAMS software to complex models of emulation is accurate and reliable，and guaranteed further has the certain reference value.

feed system，differential gear train，turnover mechanism，ADAMS

TH112.3

A

1002-0640（2015）03-0064-03

2014-01-11

2014-03-17

國(guó)家重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（XXXXX無鏈補(bǔ)彈技術(shù)研究，112010304）

楊 臻（1965- ），男，四川峨眉山人，博士后，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：兵器發(fā)射理論與技術(shù)。