小口徑艦炮彈箱供彈結構設計與仿真分析

吳寶雙，樊永鋒，張海洋

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

在速射武器的各結構中，供彈機構是最為復雜的。武器在射擊過程中，供彈機構所出現(xiàn)的故障率約占武器總故障率的30%～70%。在目前速射武器中，使用的無鏈供彈技術主要有彈鼓式無鏈供彈系統(tǒng)和彈箱式無鏈供彈系統(tǒng)兩種典型技術。彈箱式無鏈供彈系統(tǒng)屬于大容量無鏈供彈系統(tǒng)，這種供彈系統(tǒng)既可用于自動炮，也可用于大口徑機槍。筆者以瑞士厄利康公司的GDF-003型雙管35 mm自動高炮為參考，介紹無鏈供彈系統(tǒng)的結構和工作原理。

1 彈箱供彈原理簡介

推彈機構的作用是將彈夾組件中最下面一個滿彈夾中的N發(fā)彈依次推入提彈機構的提彈齒中。推彈機構裝在箱底座上，它由推彈鏈輪鏈條組件及導向機構組成。鏈條的上平面與箱底座上的導引平面齊平，都與彈夾所在的平面傾斜一定角度。因為鏈條上的推彈齒每推動一個彈距的同時，壓彈機構將彈夾下壓1/(N+1)彈夾距，彈夾中的彈隨彈夾下移相同的距離，所以鏈條與導引平面必須存在一定的傾斜度，以保證每發(fā)炮彈下移時正好落在導引平面上而不發(fā)生干涉。提彈鏈輪軸轉1個周期，推彈機構將第1個彈夾中的N發(fā)彈推完并空推1個彈位，壓彈機構正好將第2個彈夾壓在推彈機構初始位置上，以供推彈齒繼續(xù)推彈，這樣就保證了自動連續(xù)供彈[1]，此過程運動簡圖如圖1所示，彈箱供彈結構如圖2所示。

2 彈箱傳動系統(tǒng)速比關系分析與計算

彈箱供彈主要由彈夾組件、提彈鏈組件、推彈鏈組件及撥彈輪組件四大部分組成，彈箱傳動系統(tǒng)是匹配上述四部分組件協(xié)同運動，實現(xiàn)自動供彈功能的紐帶[2]。

2.1 提彈機構與推彈機構速比關系計算

由彈箱供彈原理可知，推彈鏈節(jié)每推動1個彈位的距離，正好對應提彈鏈節(jié)上提1個彈位的距離，即推彈機構與提彈機構在彈位交接處是位置對應關系[3]，如圖3所示。

假設一個彈夾中有N發(fā)彈，同時考慮到彈夾組件運動規(guī)律，現(xiàn)將傳動系統(tǒng)速比關系計算如下：

提彈鏈節(jié)距定為a(分m節(jié),每節(jié)a/m)，鏈節(jié)運動速度設為x；推彈鏈節(jié)距定為b(分n節(jié),每節(jié)b/n)，鏈節(jié)運動速度設為y；則提彈鏈條與推彈鏈條的速度比為

(1)

設提彈鏈輪齒數(shù)為Z1，推彈鏈輪齒數(shù)為Z2，則有：

(2)

(3)

設提彈鏈輪轉c周,推彈鏈輪轉d周,符合式(1)中的速比關系，即：

(4)

設提彈鏈輪同軸齒輪齒數(shù)為Z3，推彈鏈輪同軸齒輪齒數(shù)為Z4，則有：

(5)

通過提彈機構與推彈機構速比關系計算，當彈夾中有N發(fā)彈時，結構設計可以確定提彈鏈輪齒數(shù)及同軸直齒輪齒數(shù)，推彈鏈輪齒數(shù)及同軸直齒輪齒數(shù)。

2.2 提彈機構與彈夾機構速比關系計算

推彈機構推(N+1)發(fā)彈(含1發(fā)空彈位)，彈夾組件整體下降一個彈夾距a(彈夾距等于提彈鏈節(jié)距)；彈底直徑設為e，推(N+1)發(fā)彈，推彈鏈輪轉動的周數(shù)為

(6)

由式(4)推彈鏈輪與提彈鏈輪的速比關系可知，提彈鏈輪轉動的周數(shù)為

(7)

即提彈鏈輪主軸與彈夾螺旋導桿的轉速比為Nme/bnZ1。

如圖4所示，由結構設計確定，提彈鏈輪主軸外側連接一同軸圓柱齒輪1，保證轉速相同，動力通過齒輪2傳動到齒輪3，上述3齒輪齒數(shù)相同，保證了齒輪3與提彈鏈輪主軸轉速相同；齒輪3軸外側連接同軸錐齒輪4，錐齒輪4與錐齒輪5匹配，傳動比不變，錐齒輪5與蝸桿軸連接，蝸桿6、9與渦輪7、8分別嚙合，且保證傳動比為Nme/bnZ1，蝸輪與螺旋導桿銷連接，從理論上實現(xiàn)了上述計算的速比關系。

2.3 提彈組件與撥彈輪組件速比關系分析

如圖5所示，提彈鏈輪轉1周提4發(fā)彈，與齒輪9、10同軸撥彈輪為4爪過渡撥彈輪，該過渡撥彈輪轉1周撥4發(fā)彈，故齒輪10與齒輪11為同齒數(shù)齒輪；其余各級撥彈輪均為5爪撥彈輪，且撥彈輪軸距相等，為實現(xiàn)4爪過渡撥彈輪與5爪撥彈輪匹配傳動，故齒輪8與齒輪9的齒數(shù)比為5∶4；動力由提彈鏈輪主軸傳遞到齒輪11，齒輪11與齒輪10嚙合，齒輪10與齒輪9同軸傳動，齒輪9與齒輪8嚙合，齒輪8與齒輪7同軸傳動，齒輪7與齒輪6嚙合，齒輪6與齒輪3嚙合，齒輪3與齒輪4同軸傳動，齒輪4與大模數(shù)齒輪5嚙合將動力傳遞給大模數(shù)齒輪軸，彈丸經(jīng)提彈鏈輪組與撥彈輪組交接后依次通過各級撥彈輪，最終由活動導板傳輸給下一輸彈單元。

3 機構組件仿真分析

建立虛擬樣機仿真分析模型是驗證結構設計是否可行的有效手段，彈箱供彈結構十分復雜，如何確保彈丸在供彈彈箱各組件間順利交接，是供彈彈箱結構設計成敗的關鍵[4]。

3.1 提彈組件與推彈組件仿真分析

由供彈彈箱的原理可知，提彈鏈組件、推彈鏈組件及彈夾組件的空間相對位置尺寸的確定是至關重要的，彈丸在此三組件間交接順利與否是供彈彈箱設計的核心與技術難點。此位置的空間布局尺寸難以依靠理論計算得出，但可以通過建立ADAMS的虛擬樣機模型，對交接單元進行動力學與運動學仿真，反復迭代得到較為精確的參考數(shù)值，模型如圖6所示。

彈丸經(jīng)推彈齒推動，相對彈夾向左移動，建立由推彈組件到提彈組件的ADAMS的虛擬樣機仿真，可直觀得到彈丸經(jīng)過交接單元處的運動軌跡，從一個滿彈夾20發(fā)彈中分別等間距選取第5發(fā)(D5)、第10發(fā)(D10)、第15發(fā)(D15)、第20發(fā)(D20)彈藥運動軌跡作為參考。

圖7中在橫坐標(-938 mm，-930 mm)區(qū)間，彈丸在推彈齒作用下在彈夾中運動，未脫離單夾；在橫坐標-938 mm處，彈底中心軸剛好運動到彈夾左邊緣，彈丸有向下運動微小趨勢后剛好被提彈齒接?。辉跈M坐標(-960 mm，-938 mm)區(qū)間，彈丸在提彈齒與推彈齒共同作用下，既有沿著彈夾向左運動到完全脫離彈夾位移，也有在提彈齒作用下將彈丸向上提升運動的位移，故其合位移軌跡如圖7所示。

彈丸在推彈齒力作用下，相對彈夾繼續(xù)向左運動，在交接處提彈齒做豎直向上運動，在彈丸軸心運動過彈夾左邊緣時，此時提彈齒提彈表面與彈丸未接觸并有一小間隙，由于提彈齒尖部與彈夾左邊緣有一定間隙，在推彈齒作用下，彈丸繼續(xù)向左下運動，運動到提彈齒尖部與彈夾左邊緣空隙部位，剛好被豎直向上運動的提彈齒托住，彈丸開始有豎直向上的分運動，故圖7在水平坐標-937 mm處附近彈丸有向左下方折線運動趨勢。在提彈齒、推彈齒及彈夾共同作用下，實現(xiàn)彈丸在交接單元處的順利交接[5]，提彈齒與彈藥接觸力均值小于80 N,受力較小，如圖8所示。

3.2 提彈組件與撥彈組件仿真分析

由彈箱供彈原理與現(xiàn)有成熟技術的結合，采用撥彈輪系組件與提彈組件組合，完成彈丸由提彈鏈輪組件到撥彈輪組件的順利交接，如圖9所示。

由圖9結構可知，彈丸在提彈組件的提彈齒撥動下，經(jīng)彈底導槽導引與四爪撥彈輪匹配作用[6]，將彈丸剝離出提彈組件，并分別與一、二、三、四級撥彈輪4個五爪撥彈輪匹配交接，使彈丸依次通過上述撥彈輪組件，最后經(jīng)活動導板的導引作用傳遞到下一輸彈單元。此過程交接的技術難點在于彈丸經(jīng)提彈組件與四爪撥彈輪的匹配交接，需要理論計算交接相對位置來進行速比關系匹配，并反復斟酌撥彈爪的齒形來包容彈丸并與下一級撥彈輪順利交接。提彈與撥彈交接處彈丸運動軌跡如圖10所示，其中原點為圖3中所示提彈鏈輪的中心，此過程彈丸與四爪撥彈輪接觸力如圖11所示。

由圖10可以得知，彈丸由提彈組件到撥彈輪組件的交接可順利完成。

4 結束語

筆者針對某小口徑艦炮供彈需求，借鑒彈箱式供彈基本原理，從理論上推導了一個滿彈夾中容納N發(fā)彈藥時，提彈機構、推彈機構及彈夾機構三者間機構傳動的速比關系，并以滿彈夾容納20發(fā)彈藥為例完成了彈箱式供彈的具體結構設計。在上述三機構交接單元處建立虛擬樣機仿真，對彈丸在交接單元的交接過程進行了動力學與運動學仿真分析，仿真結構表明彈丸在交接單元處運動平穩(wěn)，可靠交接，同時也驗證了滿彈夾容納N發(fā)彈藥時，機構間傳動的速比關系理論推導的正確性和結構設計的合理性。此彈箱式供彈不論傳動速比關系公式的理論推導，還是三機構交接處具體結構設計，對小口徑艦炮的供補彈研究都具有一定的參考價值。