小口徑火炮快速補(bǔ)彈裝置的動力學(xué)分析

高驍波，楊 臻，朱明一，原永亮，李永振

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國兵器裝備研究所，北京 102202）

小口徑火炮作為一種近程防空作戰(zhàn)武器，在抗擊精確制導(dǎo)武器方面占有絕對的優(yōu)勢。由于火炮的攜彈量較少，且其高射速特性致使炮彈的消耗速度較快，因此，補(bǔ)彈技術(shù)已成為制約高射速小口徑火炮具備持續(xù)作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。

現(xiàn)有小口徑火炮補(bǔ)彈裝置多為有鏈補(bǔ)彈，補(bǔ)彈速度低、時間長，而無鏈補(bǔ)彈如遇卡彈問題時，需手動停止補(bǔ)彈并反轉(zhuǎn)退彈手柄，將卡滯的炮彈后退若干彈位，再用力正轉(zhuǎn)退彈手柄，使之前卡滯的炮彈利用慣性猛沖入彈鼓［1］，此過程不僅勞動強(qiáng)度大，且耗費(fèi)大量時間，無法保證炮彈的即時補(bǔ)給。

筆者針對某小口徑火炮射速高、彈鼓裝彈量有限等，設(shè)計了一種快速補(bǔ)彈裝置。新設(shè)計的補(bǔ)彈裝置炮彈存儲量大，可實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)補(bǔ)彈和自動化處理卡彈問題；并且在補(bǔ)彈的同時可實(shí)現(xiàn)對彈箱的補(bǔ)給，即補(bǔ)彈數(shù)量不受限制，可有效提高小口徑火炮的持續(xù)作戰(zhàn)能力。

1 補(bǔ)彈裝置結(jié)構(gòu)組成

補(bǔ)彈裝置主要包括彈箱、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、補(bǔ)退彈接口裝置和軟輸彈導(dǎo)引4部分，各組成部分相互協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)補(bǔ)彈和自動化處理卡彈問題。

補(bǔ)彈裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 彈箱

彈箱用于存儲炮彈，采用無鏈補(bǔ)彈方式以實(shí)現(xiàn)炮彈的快速、連續(xù)補(bǔ)給。彈箱總體結(jié)構(gòu)如圖2所示［2］，其中，彈夾的容彈量為20 發(fā)，彈箱容彈量為700發(fā)。

為減小補(bǔ)彈裝置所需功率，彈箱中的彈夾導(dǎo)軌與水平面呈30°夾角，可利用炮彈自重提供補(bǔ)彈裝置所需的部分動力。撥彈機(jī)構(gòu)、提彈機(jī)構(gòu)等均相應(yīng)傾斜30°。

1.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與彈箱的提彈機(jī)構(gòu)相連，用于將傾斜的炮彈翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)。翻轉(zhuǎn)撥齒組大、小撥齒形成的椎角為60°。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 補(bǔ)退彈接口裝置

補(bǔ)退彈接口裝置結(jié)構(gòu)［3］如圖4所示。補(bǔ)退彈接口裝置與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的出口撥齒組相連，在實(shí)現(xiàn)連續(xù)補(bǔ)彈的同時，可實(shí)現(xiàn)對卡彈問題的自動化處理。

1.4 軟輸彈導(dǎo)引

軟輸彈導(dǎo)引一端與補(bǔ)退彈接口裝置相連，另一端與彈鼓對接，以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)彈裝置和彈鼓的柔性連接。軟輸彈導(dǎo)引結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2 補(bǔ)彈裝置工作過程

首先將炮彈裝入剛性彈夾，使彈夾突緣夾住彈殼底部的拉殼溝槽［4］，再將裝滿炮彈的彈夾依次裝入彈箱。因彈夾導(dǎo)軌相對水平方向呈30°傾角，且設(shè)計的壓彈機(jī)構(gòu)壓彈齒可向內(nèi)單向壓下，故彈夾可依靠自重將壓彈齒壓下，并沿導(dǎo)軌下移至彈箱底部。重復(fù)上述彈夾裝填過程，直至將彈箱裝滿［3］。彈夾裝填過程如圖6所示。在補(bǔ)彈的同時也可對彈箱進(jìn)行彈夾裝填，使補(bǔ)彈數(shù)量不受彈箱容彈量的限制。

彈箱補(bǔ)彈時，壓彈機(jī)構(gòu)、撥彈機(jī)構(gòu)和提彈機(jī)構(gòu)同時工作，以實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)補(bǔ)彈。壓彈機(jī)構(gòu)的壓彈齒壓動彈夾，使彈夾沿導(dǎo)軌勻速下移；撥彈機(jī)構(gòu)撥動最底端彈夾中的末發(fā)炮彈，使其推動前面的炮彈依次進(jìn)入提彈機(jī)構(gòu)；提彈機(jī)構(gòu)將炮彈依次提出。為保證彈箱補(bǔ)彈過程的連續(xù)性，撥彈機(jī)構(gòu)的鏈條與水平方向存在一定夾角。撥彈機(jī)構(gòu)設(shè)計有空撥齒，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)彈的連續(xù)性，其原理如圖7所示。

炮彈經(jīng)彈箱的提彈機(jī)構(gòu)送入翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由其將傾斜的炮彈翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)。翻轉(zhuǎn)撥齒組中大、小撥齒同軸轉(zhuǎn)動，由于有60°椎角，故轉(zhuǎn)動180°后即可將炮彈調(diào)整至水平狀態(tài)。最后，由出口撥齒組將炮彈送入補(bǔ)退彈接口裝置。

補(bǔ)退彈接口裝置補(bǔ)彈過程引用參考文獻(xiàn)［2］。該裝置可實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)補(bǔ)彈，并可實(shí)現(xiàn)對卡彈問題的自動化處理。

炮彈從補(bǔ)退彈接口裝置送入軟輸彈導(dǎo)引。軟輸彈導(dǎo)引另一端與彈鼓對接，以實(shí)現(xiàn)對彈鼓的補(bǔ)彈。

在上述由彈箱到小口徑火炮彈鼓的整個補(bǔ)彈過程中，如遇到卡彈現(xiàn)象，控制系統(tǒng)會檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)矩信號突變，并控制各電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向和時間，以實(shí)現(xiàn)對卡彈的有效處理。

3 補(bǔ)彈裝置動力學(xué)仿真

3.1 仿真模型建立

利用CATIA 建立補(bǔ)彈裝置三維模型，做適當(dāng)簡化后導(dǎo)入ADAMS。對補(bǔ)彈裝置的ADAMS 模型分別建立固定、接觸、旋轉(zhuǎn)副、移動副等約束，并施加各驅(qū)動副。設(shè)計補(bǔ)彈裝置的補(bǔ)彈速度為200發(fā)／min，各驅(qū)動副的驅(qū)動數(shù)據(jù)均由此數(shù)據(jù)計算得出。

3.2 補(bǔ)彈裝置動力學(xué)仿真

設(shè)計補(bǔ)彈裝置的動力學(xué)仿真主要針對彈箱－翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)－補(bǔ)退彈接口裝置的炮彈補(bǔ)給過程和對卡彈的處理過程進(jìn)行仿真，并分析炮彈在上述過程中的受力情況［5］。

3.2.1 補(bǔ)彈過程動力學(xué)仿真

補(bǔ)彈過程中，彈夾中的末發(fā)炮彈被撥彈機(jī)構(gòu)撥動，并推動前面的炮彈移動至彈箱出口，再由提彈機(jī)構(gòu)將其提出，并送入翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將炮彈翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)后送入補(bǔ)退彈接口裝置。因此，補(bǔ)彈過程主要針對彈夾中首、末兩發(fā)炮彈在補(bǔ)彈過程中的動力學(xué)進(jìn)行分析。

仿真得出的首、末兩發(fā)炮彈在補(bǔ)彈過程中的受力情況如圖8所示。

由圖8（a）可知，首發(fā)炮彈被撥出后，受到提彈機(jī)構(gòu)撥齒的推力，并與彈夾導(dǎo)軌產(chǎn)生多次碰撞后，改變運(yùn)動方向，進(jìn)入提彈機(jī)構(gòu)。提彈機(jī)構(gòu)在提彈過程中有波動，因此炮彈受到的力也存在較小波動，但相對較穩(wěn)定。

在t＝2.4s時，炮彈開始進(jìn)入翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并在離心力的作用下，使炮彈受到的摩擦力等均有所增大。在t＝4s時，炮彈在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)出口撥彈齒的沖擊力作用下，從翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中被撥出。

在t＝4.6s時，炮彈進(jìn)入補(bǔ)退彈接口裝置。在剛進(jìn)入時，炮彈受力較小，但t＝6.2s時炮彈進(jìn)入圓弧空位，此后開始受到彈簧板、隔彈門、提彈鏈等的作用力，與導(dǎo)軌產(chǎn)生多次碰撞后，進(jìn)入補(bǔ)彈導(dǎo)軌。

由圖8（b）可知，末發(fā)炮彈與首發(fā)炮彈的受力曲線趨勢大致相同，僅末發(fā)炮彈在彈箱中的移動時間比首發(fā)炮彈長6s。

補(bǔ)彈過程中，首發(fā)炮彈的最大受力為1.666 kN，末發(fā)炮彈的最大受力為1.714kN，且均為瞬時沖擊力，不會引起炮彈的變形、損毀等。

分析得出，該補(bǔ)彈裝置能夠?qū)崿F(xiàn)快速連續(xù)補(bǔ)彈，其原理可行。

3.2.2 卡彈處理過程的動力學(xué)仿真

當(dāng)補(bǔ)彈過程中遇到卡彈問題時，需將卡滯的炮彈后退若干發(fā)后再行補(bǔ)彈，以消除卡彈故障。因退彈和再行補(bǔ)彈過程具有連續(xù)性，故需對卡彈處理過程的上述兩個過程進(jìn)行連續(xù)性分析。取退彈數(shù)量為5發(fā)，退彈速度為200發(fā)／min。

3.2.2.1 退彈過程分析

由于炮彈卡滯屬于突發(fā)狀況，故退彈開始時隔彈門的狀態(tài)存在閉合和開啟兩種情況。隔彈門閉合時，退下的5 發(fā)炮彈直接進(jìn)入退彈導(dǎo)軌，過程較為簡單；隔彈門開啟時，如有1 發(fā)炮彈剛好經(jīng)過隔彈門時發(fā)生卡彈，該發(fā)炮彈需先退入圓弧空位中，使隔彈門順利閉合，其他4發(fā)卡滯的炮彈則進(jìn)入退彈導(dǎo)軌。第二種情況較復(fù)雜，且發(fā)生機(jī)率更大，因此要對該情況進(jìn)行仿真分析。

圖9為退彈過程中的炮彈受力圖，其中第1發(fā)為退入圓弧空位中的炮彈，后4發(fā)為退入退彈導(dǎo)軌中的炮彈。

第1 發(fā)炮彈在退入圓弧空位過程中受到提彈鏈、彈簧板、隔彈門和導(dǎo)軌等的多次沖擊力作用，被壓入圓弧空位。但在隔彈門、彈簧板等的作用力下，該發(fā)炮彈仍有向補(bǔ)彈導(dǎo)軌移動的趨勢，使隔彈門具有一定的開度，故會受到后4發(fā)進(jìn)入退彈導(dǎo)軌的炮彈的影響，受力有波動。

第2 發(fā)炮彈在退彈過程中將具有一定開度的隔彈門擠壓至關(guān)閉狀態(tài)，此過程炮彈受力較大。隨著該發(fā)炮彈繼續(xù)向退彈導(dǎo)軌移動，隔彈門慢慢打開，但同時下一發(fā)炮彈向退彈導(dǎo)軌移動并及時將隔彈門卡住，因此限制隔彈門僅有較小開度。

從第3發(fā)炮彈開始，受力大小基本相同，受力趨勢與第2發(fā)相似，主要為炮彈通過隔彈門側(cè)面進(jìn)入退彈導(dǎo)軌的過程中，將隔彈門擠壓至閉合狀態(tài)的受力。后3發(fā)炮彈因隔彈門只存在較小開度，故受力均較第2發(fā)炮彈小。

3.2.2.2 再行補(bǔ)彈過程分析

退彈5發(fā)后，開始再行補(bǔ)彈。再行補(bǔ)彈時，圓弧空位處存有炮彈，且隔彈門側(cè)面因存有1發(fā)炮彈而閉合。根據(jù)兩種不同退彈情況，再行補(bǔ)彈過程也相應(yīng)有兩種情況：圓弧空位處炮彈為新炮彈（此時退彈導(dǎo)軌中有5發(fā)退彈）；圓弧空位處炮彈為退彈時退回的第1 發(fā)炮彈（此時退彈導(dǎo)軌中有4 發(fā)退彈）。筆者分別對以上兩種情況進(jìn)行仿真分析。

圖10為再行補(bǔ)彈過程中各炮彈的受力圖。

由圖10（a）可知，處于圓弧空位的新炮彈剛剛進(jìn)入圓弧空位，被彈簧板、導(dǎo)軌和撥彈齒卡住，其受力基本不變。另外，由于該發(fā)炮彈不與隔彈門接觸，故不會受回補(bǔ)退彈的影響。由于退彈導(dǎo)軌中的5發(fā)炮彈在回補(bǔ)的過程中不受隔彈門的影響，故受力很小，沒有在圖中予以表示。當(dāng)退彈導(dǎo)軌中的5發(fā)炮彈全部通過隔彈門后，開始補(bǔ)給新炮彈。新炮彈補(bǔ)給過程與補(bǔ)彈過程相同，因此受力曲線也相似。

由圖10（b）可知，處于圓弧空位的第1發(fā)炮彈會受到每1發(fā)通過隔彈門側(cè)面的回補(bǔ)退彈的影響，其受力具有一定的波動，最大受力約為0.3kN，第5發(fā)炮彈（即處于隔彈門側(cè)面的炮彈）已將隔彈門壓至閉合，故回補(bǔ)時受力較小。后3發(fā)炮彈在回補(bǔ)過程中，均需先擠入隔彈門側(cè)面，因此受力較大且受力趨勢相似。當(dāng)退彈導(dǎo)軌中的4 發(fā)炮彈全部通過隔彈門后，隔彈門即可打開，開始補(bǔ)給退回的第1發(fā)炮彈，進(jìn)行補(bǔ)彈。

分析得出，該補(bǔ)彈裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)對卡彈問題的處理，其原理可行。

4 結(jié)論

筆者對補(bǔ)彈裝置的補(bǔ)彈過程和卡彈處理過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出炮彈在整個補(bǔ)彈過程中受力均較小，保證在補(bǔ)彈過程中炮彈無變形、損毀等。補(bǔ)彈裝置原理可行，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、連續(xù)補(bǔ)彈和對卡彈的自動化處理。為小口徑火炮的快速補(bǔ)彈裝置的進(jìn)一步設(shè)計和研究奠定了基礎(chǔ)，具有一定的參考價值。

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