某型鏈式炮供彈機構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)分析

高云峰，王 剛，滿孝杰，成 晨

(中北大學(xué)機電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)發(fā)展為多維空間的全方位、全天候戰(zhàn)爭。相比傳統(tǒng)陸地作戰(zhàn)模式，水下作戰(zhàn)具有更高的未知性和復(fù)雜性，對作戰(zhàn)人員及相應(yīng)武器的要求也更高。

供彈機構(gòu)是自動武器的重要組成部分，其復(fù)雜程度在自動武器所有結(jié)構(gòu)中最高，發(fā)生故障的概率也最大。供彈機構(gòu)的主要功能是將容彈具中的彈藥快速、平穩(wěn)且精確地輸送到自動機里，以確保自動武器能夠保持正常工作[1-4]。因此，設(shè)計一種可靠的供彈機構(gòu)對提高自動武器射速及保障武器正常工作具有重要意義。

本文在深入分析國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，借鑒相關(guān)學(xué)者對鏈式自動原理及反蛙人武器的研究成果，基于武器系統(tǒng)整體設(shè)計的要求和指導(dǎo)，進行某型鏈式炮的供彈結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用ADAMS對虛擬樣機進行動力學(xué)仿真研究。

1 供彈機構(gòu)方案設(shè)計

1.1 供彈機構(gòu)三維模型

為提高容彈量并降低系統(tǒng)故障概率，鏈式炮采用彈鏈供彈。供彈機構(gòu)的主要部件有彈鏈、輸彈組件、進彈組件、脫彈組件、受彈器等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—彈鏈；2—輸彈組件；3—進彈組件；4—脫彈組件；5—受彈器

1.2 鏈式炮供彈機構(gòu)工作原理

鏈式武器是一種外能源自動武器，其工作原理是通過帶有滑塊的鏈在鏈輪圍成的矩形路線上周向轉(zhuǎn)動，從而帶動機心座前后運動。當(dāng)機心座滑塊在一側(cè)長邊上運動時，機心座做縱向運動，炮閂完成推彈入膛、閉鎖擊發(fā)、拋殼等動作[5]。當(dāng)機心座滑塊在另一側(cè)長邊上運動時，機心座后移，炮閂完成抽殼動作，以此實現(xiàn)炮閂的后坐與復(fù)進。

對于鏈式炮而言，電機經(jīng)過減速器的作用，將較高的轉(zhuǎn)速降低為適合鏈式炮工作的匹配轉(zhuǎn)速，通過齒輪傳送給鏈條鏈輪傳動裝置。將降低后的轉(zhuǎn)速經(jīng)過蝸輪蝸桿機構(gòu)的再次減速，成為鏈式炮供彈機構(gòu)的匹配轉(zhuǎn)速。

1.3 供彈機構(gòu)關(guān)鍵部件介紹

1)輸彈組件是供彈機構(gòu)的主要組成部分，在供彈過程中起到?jīng)Q定性的作用[6-10]。其作用是帶動彈鏈，將炮彈及時并依次送到進彈口處。輸彈組件主要由受彈器和輸彈裝置組成，受彈器的作用主要是容納和引導(dǎo)彈鏈，傳動機構(gòu)主要為凸輪機構(gòu)和杠桿機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1—前阻彈齒；2—壓彈板扭簧；3—壓彈板；4—撥彈轉(zhuǎn)輪；5—推彈轉(zhuǎn)輪；6—后阻彈齒

2)輸彈機構(gòu)的傳動裝置主要包括電機、減速箱、蝸輪蝸桿減速器、傳動齒輪組及不完全齒輪組5個部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過計算得出自動機工作一個周期電機輸出軸需轉(zhuǎn)2.8圈，因此通過傳速比為2.8∶1的蝸輪蝸桿減速器把匹配轉(zhuǎn)速傳遞給不完全齒輪組可使供彈機構(gòu)與自動機運動相配合。

1—不完全齒輪組；2—傳動齒輪組；3—蝸輪蝸桿減速器；4—減速箱；5—電機

2 供彈機構(gòu)動力學(xué)仿真

為檢驗供彈機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、各零部件運動軌跡的可行性以及各零件的運動姿態(tài)，本文利用商用軟件ADAMS對鏈式炮供彈機構(gòu)進行動力學(xué)仿真。由于參與供彈過程的炮彈與鏈節(jié)數(shù)量較多，本文將只進行2 s內(nèi)的供彈虛擬仿真。鏈式炮動力學(xué)仿真模型如圖4所示，供彈機構(gòu)動力學(xué)仿真模型如圖5所示。

圖4 鏈式炮動力學(xué)仿真模型

1—炮彈1；2—炮彈2；3—炮彈3；4—彈鏈2；5—彈鏈1；6—彈鏈0

2.1 仿真前處理

在商用軟件ADAMS中設(shè)置適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格、重力以及材料。對相應(yīng)機構(gòu)添加約束、接觸力及驅(qū)動，其供彈機構(gòu)的主要約束及驅(qū)動見表1。

表1 供彈機構(gòu)主要約束及驅(qū)動

2.2 供彈過程仿真分析

仿真得到的供彈過程中炮彈2橫向位移-時間曲線圖如圖6所示。

圖6 炮彈2橫向位移-時間曲線

從圖中炮彈的運動軌跡可得，推彈轉(zhuǎn)輪自0 s開始轉(zhuǎn)動，帶動炮彈2從撥彈轉(zhuǎn)輪彈槽開始橫向運動，當(dāng)運動到0.33 s時，炮彈2被推彈轉(zhuǎn)輪帶動到炮彈1的初始位置，推彈轉(zhuǎn)輪停止運動，直到1.00 s結(jié)束。從1.00 s撥彈轉(zhuǎn)輪開始運動，通過撥彈齒與脫彈齒的共同作用把炮彈從彈鏈上擠出，在1.33 s時炮彈脫落，落入推彈轉(zhuǎn)輪彈槽中，撥彈轉(zhuǎn)輪停止運動。推彈轉(zhuǎn)輪在1.66 s開始轉(zhuǎn)動，2.00 s時通過推彈齒把炮彈2推到待擊發(fā)位置，同時通過底緣接觸把炮彈1推入待擊發(fā)位置，供彈過程結(jié)束。

供彈過程中炮彈在X方向的運動隨時間變化曲線如圖7所示。供彈過程中炮彈在Y方向的運動隨時間變化曲線如圖8所示。

圖7 供彈過程中炮彈在X方向位移、速度、加速度隨時間變化曲線

圖8 供彈過程中炮彈在Y方向位移、速度、加速度隨時間變化曲線

撥彈轉(zhuǎn)輪從0 s開始運動，0—0.25 s炮彈在彈鏈的帶動下在X和Y方向上產(chǎn)生位移。當(dāng)炮彈在Y方向的位置達到最高點時速度與加速度產(chǎn)生了一定的波動，分析原因，發(fā)現(xiàn)是由于炮彈與撥彈轉(zhuǎn)輪相互碰撞產(chǎn)生小幅度波動引起。當(dāng)撥彈轉(zhuǎn)輪運動到0.25 s時，彈鏈開始與脫彈齒接觸，炮彈受到脫彈齒的擠壓與彈鏈產(chǎn)生一定的分離，使炮彈的速度與加速度受到影響產(chǎn)生波動，在X方向上達到最大速度8.1 m/s，在Y方向上達到最大速度2.0 m/s。在0.33—1.00 s撥彈轉(zhuǎn)輪停止運動，炮彈沒有移動,但位移、速度、加速度受武器系統(tǒng)整體震動的影響產(chǎn)生較小的波動。從1.00 s開始，炮彈在脫彈齒下表面和撥彈齒共同的作用下從彈鏈中逐漸脫出，由于抱彈力的作用使速度和加速度變化較小，過渡平穩(wěn)，1.25 s時撥彈轉(zhuǎn)輪撥動炮彈從彈鏈中完全擠出，完成脫彈過程。1.66—2.00 s推彈轉(zhuǎn)輪運動，炮彈被推到預(yù)定位置，最終速度、加速度降為0。

炮彈在1.00 s時的位置如圖9所示。

圖9 炮彈在1.00 s時位置

炮彈在2.00 s時的位置如圖10所示。

圖10 炮彈在2.00 s時的位置

供彈過程中炮彈1橫向運動隨時間變化曲線如圖11所示。供彈過程中炮彈1縱向運動隨時間變化曲線如圖12所示。

圖11 供彈過程炮彈1橫向位移、速度、加速度隨時間變化曲線

圖12 供彈過程炮彈1縱向位移、速度、加速度隨時間變化曲線

從圖中可以看出，首發(fā)炮彈的運動規(guī)律與第二發(fā)炮彈的運動規(guī)律有所不同。0 s時首發(fā)炮彈在Y軸上處于最高點，然后隨著運動逐漸降低。在0.20 s左右時，首發(fā)炮彈在撥彈齒輪和脫彈齒的作用下發(fā)生碰撞，此時炮彈與鏈節(jié)應(yīng)該處于半脫離狀態(tài)。在0.60 s推彈轉(zhuǎn)輪開始帶動炮彈運動，直到炮彈運動到預(yù)定位置。

2.3 推鏈過程仿真

彈鏈鏈節(jié)2在X軸方向上的運動隨時間變化圖如圖13所示。

圖13 彈鏈鏈節(jié)2在X軸方向上位移、速度、加速度隨時間變化曲線

彈鏈鏈節(jié)2在Y軸方向上的運動隨時間變化圖如圖14所示。

圖14 彈鏈鏈節(jié)2在Y軸方向上位移、速度、加速度隨時間變化曲線

從X軸方向看，彈鏈經(jīng)歷了3個運動階段：第1階段為0—0.33 s，彈鏈在撥彈轉(zhuǎn)輪的帶動下做圓弧運動，在0.17 s時鏈節(jié)達到最高位置；第2階段為0.33—1.25 s，彈鏈在脫彈齒的支撐下被后一鏈節(jié)推著繼續(xù)前進，速度、加速度較小，可以近似看作勻速直線運動；第3階段為1.25—2.00 s，此時彈鏈慢慢從脫彈齒上表面落至炮匣上，推鏈過程結(jié)束。從Y軸方向來看，第1階段和第3階段存在較大的波動，速度、加速度的變化比較大，原因是彈鏈運動過程與炮匣、受彈器蓋、炮彈、脫彈齒等發(fā)生大量碰撞。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)某反蛙人鏈式炮的供彈要求，設(shè)計了一種鏈式供彈機構(gòu)，該供彈機構(gòu)供彈動作平穩(wěn)可靠、供彈性能較為優(yōu)良。仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計供彈機構(gòu)的可行性與合理性，但在仿真過程中將電機輸出軸作為剛性體進行了處理，并未考慮變形影響。該供彈機構(gòu)彌補了現(xiàn)有反蛙人武器供彈機構(gòu)的一些缺陷和不足，為鏈式炮整體設(shè)計提供了有力保障，也為今后供彈機構(gòu)的相關(guān)設(shè)計提供了參考。