迫擊炮自動(dòng)前裝填機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與分析

李廣威，佘 璇，沙彬龍，劉 寧

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

隨著科學(xué)技術(shù)的日益變革和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)方式的改變，火炮武器系統(tǒng)向著智能化、自動(dòng)化和精確化方向發(fā)展。自動(dòng)裝填機(jī)構(gòu)是自行火炮的核心部件之一，它能夠提高射速、彈丸卡膛一致性等[1]。自動(dòng)裝填技術(shù)作為提高火炮武器作戰(zhàn)性能的主要技術(shù)，成為了未來(lái)火炮武器系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題[2-3]。

目前，迫擊炮彈裝填方式形成了后裝填和前裝填兩種不同發(fā)展方向。后裝填的裝填過(guò)程由士兵在車體內(nèi)進(jìn)行，如英國(guó)的AMSⅡ型車載迫擊炮系統(tǒng)、帕提亞赫格隆公司的AMOS炮塔多連自行迫擊炮等。此類型迫擊炮因武器系統(tǒng)總體尺寸和質(zhì)量的大幅提升，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、機(jī)動(dòng)性差、造價(jià)高。前裝填，即在炮口裝填，彈體依靠自身重力下滑，如美國(guó)的“龍火”迫擊炮系統(tǒng)、瑞士魯格公司研制的“大角羊”迫擊炮系統(tǒng)等[4-6]。這類迫擊炮的炮身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且不需要在炮塔內(nèi)部裝填，整個(gè)迫擊炮結(jié)構(gòu)緊湊。較之于自主性不強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性差和成本高的后裝填技術(shù)，采用自動(dòng)前裝填方式的迫擊炮系統(tǒng)更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景[7]。

目前各國(guó)前裝填的迫擊炮大多數(shù)采用機(jī)械手結(jié)構(gòu)，總體機(jī)構(gòu)復(fù)雜，降低了迫擊炮的可靠性，成本較高[8]。在裝填過(guò)程中，機(jī)械手將彈體夾緊并與炮口協(xié)調(diào)，不能很好地保證彈體與炮膛軸線的對(duì)準(zhǔn)，裝填難度較大。

針對(duì)新一代迫擊炮高速自動(dòng)裝填需求[9]，筆者設(shè)計(jì)了一種新型迫擊炮自動(dòng)前裝填機(jī)構(gòu)，速度快、可靠性高。為了研究其動(dòng)態(tài)特性，建立了該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值模擬獲得了機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)前裝填機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)前裝填機(jī)構(gòu)工作原理

自動(dòng)前裝填機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)裝置、固定導(dǎo)軌、活動(dòng)滑軌、平面四連桿機(jī)構(gòu)、曲臂和抱彈器組成，如圖1所示。曲臂一端與四連桿機(jī)構(gòu)固定，另一端在固定導(dǎo)軌上滑動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置采用步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)同步帶控制活動(dòng)滑軌，曲臂沿著固定導(dǎo)軌滑動(dòng)，進(jìn)而使抱彈器按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。抱彈器可在任意射角下將彈體迅速且穩(wěn)定地移動(dòng)到滑槽上的前極限位置。

自動(dòng)前裝填分為4個(gè)階段，如圖2所示。

1)取彈：抱彈器取彈后，電機(jī)帶動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌平動(dòng)。

2)對(duì)中：曲臂運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)后沿導(dǎo)軌改變運(yùn)動(dòng)方向，帶著四連桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，曲臂到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，抱彈器內(nèi)彈體與炮膛軸線重合，完成對(duì)中動(dòng)作。

3)落彈：電機(jī)反轉(zhuǎn)，自動(dòng)前裝填機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)軌向炮口方向平動(dòng)，彈體尾翼進(jìn)入膛內(nèi)時(shí)，抱彈器解除對(duì)彈體的鎖定，彈體在重力作用下滑入炮膛，完成落彈動(dòng)作。

4)歸位：抱彈器繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)，沿導(dǎo)軌改變方向，帶著四連桿機(jī)構(gòu)反向擺動(dòng)直至歸位。

1.2 固定導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

四連桿擺彈臂在工作過(guò)程中，同一側(cè)的擺彈臂兩處圓孔分別被抱彈器和同步帶滑塊固定，故可以將其簡(jiǎn)化為一個(gè)帶有平移運(yùn)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)，如圖3所示。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)是平行四邊形機(jī)構(gòu)，取桿長(zhǎng)l=a=c=170 mm，b=d=235.85 mm，曲臂長(zhǎng)e=63 mm.

2點(diǎn)、3點(diǎn)代表抱彈器與擺彈臂接觸點(diǎn)，在圖3所示的坐標(biāo)系下，已知抱彈器的理想運(yùn)動(dòng)軌跡，可以求出曲臂端點(diǎn)1的軌跡，也就是理論上的曲臂軌跡曲線:

(1)

建立了自動(dòng)裝填機(jī)構(gòu)三維實(shí)物模型，如圖4所示，在兩處轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)半徑分別為R1=16 mm和R2=11 mm的倒角，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。

2 動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 仿真驗(yàn)證

建立自動(dòng)裝填機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型，設(shè)Z軸沿炮膛軸線指向炮口為正，Y軸垂直于Z軸向上為正，X軸的正向滿足右手定則[10]，研究裝填機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

身管底部為仿真位置起始點(diǎn)，設(shè)定在2.5 s內(nèi)完成一次裝填動(dòng)作，同步帶平均速度為0.40 m/s，在此速度下可滿足24發(fā)/min的快速裝填的要求。在滑軌與連桿的相接部分設(shè)置接觸力，動(dòng)摩擦系數(shù)取μ=0.1.運(yùn)用ADAMS軟件提供的約束庫(kù)，在導(dǎo)入模型的基礎(chǔ)上建立各部件的約束關(guān)系，并設(shè)置參數(shù)如下：

1)滑軌倒角尺寸為R=16 mm.

2)同步帶滑塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(time,0,0,2,580)+STEP(time,2,0,2.5,-580)，同步帶的驅(qū)動(dòng)函數(shù)用來(lái)模擬裝置水平方向上的移動(dòng)。

3)從動(dòng)臂的力函數(shù)為STEP(time,1.7,0,1.71,500)+STEP (time,2.3,0,2.31,-500)，從動(dòng)臂的力函數(shù)用來(lái)模擬曲臂擺動(dòng)動(dòng)作。

對(duì)前裝填過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲得了各個(gè)構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)特性。圖5為彈體在60°射角下的Y方向速度曲線。

從圖5中可以看出，雖然彈體在被夾持的0～1.8 s內(nèi)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，幾乎無(wú)抖動(dòng)，但在重力落彈時(shí)出現(xiàn)了超過(guò)800 mm/s的沖擊速度，難以保證在復(fù)雜作戰(zhàn)情況下自動(dòng)裝填的穩(wěn)定性。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了解決落彈時(shí)的沖擊現(xiàn)象，在滿足裝填速度的情況下優(yōu)先保證動(dòng)作可靠性：為此修改倒角尺寸，同時(shí)適量減慢電機(jī)的速度。將固定滑軌的倒角尺寸16 mm修改為22 mm，并將同步帶滑塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為修改為STEP(time,0,0,3.5,580)+STEP(time,3.5,0,3.75,-580)，即正行程時(shí)間增長(zhǎng)，運(yùn)行速度降為0.267 m/s，反行程速度不變，裝填速度降為16發(fā)/min.從動(dòng)臂的力函數(shù)修改為STEP(time,3.1,0,3.11,500)+STEP (time,3.65,0,3.66,-500).重新仿真了各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從動(dòng)臂Z方向扭矩在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后得到明顯改善，如圖6、7所示。

圖6中，從動(dòng)臂繞Z軸的扭矩在1.6～1.8 s內(nèi)出現(xiàn)峰值，最大峰值接近達(dá)到了-2 500 N·mm，這是彈體在Y向上速度出現(xiàn)較大突變的直接原因。優(yōu)化后，圖7中從動(dòng)臂繞Z軸的扭矩峰值僅接近-300 N·mm.

圖8為彈體在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的速度曲線。在圖8中2.5 s左右，抱彈機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)臂在沿導(dǎo)軌平動(dòng)中經(jīng)過(guò)了導(dǎo)軌中的D處，在較大的同步帶速度下，這一時(shí)刻出現(xiàn)了達(dá)到100 mm/s的速度峰值，這個(gè)沖擊可能會(huì)造成在夾持過(guò)程中彈體的掉落，影響機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

針對(duì)上述現(xiàn)象，增加了一個(gè)止反機(jī)構(gòu)，如圖9所示，該機(jī)構(gòu)可以使抱彈機(jī)構(gòu)在送彈過(guò)程中平穩(wěn)運(yùn)行，消除上述出現(xiàn)的沖擊。圖10為增加止反機(jī)構(gòu)后的彈體速度曲線，從圖10中可以明顯看出隨著止反機(jī)構(gòu)的增加，改善了之前2.5 s左右出現(xiàn)的速度突變?；匚粫r(shí)止反機(jī)構(gòu)會(huì)被擺動(dòng)臂抬起，在其通過(guò)后會(huì)自動(dòng)歸位。雖然送彈時(shí)間有少量延長(zhǎng)，但從圖10可以看到彈體在重力落彈時(shí)所受到的沖擊由900 mm/s降到了120 mm/s，其穩(wěn)定性得到了明顯改善。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的多射角仿真分析

為保證該裝置能在射角45°～85°都能可靠地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝填，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后分別進(jìn)行45°、85°射角的仿真。

圖11、12分別為彈體在射角45°、85°下 3.0～3.3 s內(nèi)的Y方向速度和加速度，重點(diǎn)關(guān)注彈體的重力落彈對(duì)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。從圖11、12中可以看出在對(duì)中過(guò)程前，彈體速度波動(dòng)并不明顯。對(duì)中完成到重力落彈前，從圖11可以看出，45°射角下彈體速度有明顯波動(dòng)，且有較頻繁的加速度突變，這說(shuō)明此時(shí)彈體受到了外界的干擾，這是由于二級(jí)滑軌軌道內(nèi)的倒角尺寸等因素造成的。

在圖12中，85°射角下加速度頻繁突變的情況明顯改善，而且加速度峰值由20 m/s2降到了10 m/s2.

由圖11、12分析可知，夾持過(guò)程中，彈體于45°、85°射角下均在Y方向上有±10 mm/s內(nèi)的速度起伏，夾持過(guò)程穩(wěn)定可靠。在45°射角下還出現(xiàn)了兩個(gè)20 mm/s左右的速度峰值，這是由于滑軌和導(dǎo)軌之間的摩擦及彈體與夾持機(jī)構(gòu)之間的摩擦共同影響的，隨著射角升高這種突變情況消失。在完成炮膛軸線對(duì)中過(guò)程中，彈體速度和加速度同時(shí)達(dá)到峰值，45°射角下速度峰值達(dá)到了-160 mm/s，而在85°射角下速度峰值只有-90 mm/s，對(duì)比前述的性能要求，其穩(wěn)定性余量達(dá)到了110 mm/s，可見隨著迫擊炮的射角提高，彈體無(wú)論是在夾持過(guò)程中的振動(dòng)還是對(duì)中過(guò)程及重力落彈時(shí)的沖擊都隨之減小，裝填機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性得到提高，滿足了設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

在滿足裝填速度要求條件下對(duì)一級(jí)滑軌的倒角進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，并對(duì)同步帶速度進(jìn)行了調(diào)整，倒角尺寸修改為22 mm、增加了止反機(jī)構(gòu)，正行程速度調(diào)整為0.148 m/s，優(yōu)化措施明顯改善了彈體在夾持過(guò)程中的振動(dòng)及炮膛軸線對(duì)中過(guò)程中的速度突變情況，使得運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯沖擊、更加平順，既有利于增加機(jī)構(gòu)的使用壽命又提高了其穩(wěn)定性。

在不同射角下對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，隨著迫擊炮的射角提高，彈體在夾持過(guò)程中的振動(dòng)和對(duì)中過(guò)程及重力落彈時(shí)的沖擊都隨之減小，符合迫擊炮前裝填的設(shè)計(jì)要求。