新型全自動補彈系統(tǒng)設(shè)計

馬浩，馬江飛，黃瑞剛，侯俊超，張麗靜，徐暢

(一重集團(黑龍江)專項裝備科技有限公司，遼寧 大連 116031)

彈藥全自動裝填技術(shù)是實現(xiàn)提升車載火炮戰(zhàn)斗能力和生存能力的重要途徑之一。該技術(shù)不僅能夠提升車載火炮的自動化水平，還能在一定程度上避免裝填手處于危險的環(huán)境之中，保障炮手的安全。但是，自動裝填系統(tǒng)中自動化彈倉的容量有限,且需要補彈車進行補彈。這在一定程度上會影響火炮的快速反應(yīng)能力[1-2]。因此，補彈技術(shù)的研究亦成為了車載火炮發(fā)展的重要方向[3]。

當前國內(nèi)很多學(xué)者針對自行火炮的補彈系統(tǒng)進行設(shè)計研究，并采用虛擬樣機技術(shù)對其進行仿真計算[4-9]。但是，縱觀上述補彈系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用，不難發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用具有相同的特點，即針對補彈車與火炮自動化彈倉之間的對接部分進行設(shè)計，在進行補彈時，需要補彈車的配合才能完成，除此之外，部分補彈系統(tǒng)為半自動補彈系統(tǒng)，需要人工將彈丸搬運至補彈板上，再由補彈系統(tǒng)將其補充進自動化彈倉內(nèi)，這在一定程度上不利于車載火炮機動性的提升。

為了提高車載火炮自動化程度、提升車載火炮的機動性、減少操作人員配備，以某中大口徑的車載火炮的彈藥全自動裝填系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計了一種彈丸的全自動補彈系統(tǒng)。

1 補彈系統(tǒng)的組成及工作原理

補彈系統(tǒng)的總體布局如圖1所示。補彈系統(tǒng)主要由備用彈倉、末端軌道、中間軌道、初始軌道、自動化彈倉和鏈式取彈機等部分組成。

備用彈倉布置在防護裝置的側(cè)后方，其內(nèi)有20個十字撥叉，可儲存40發(fā)彈丸，由伺服電動機驅(qū)動。

軌道布置在防護裝置底部主要作用是為鏈式取彈機的取彈板和儲彈板提供運行軌道，分為3段，分別為初始軌道、中間軌道和末端軌道。其中，中間軌道為活動軌道，可在液壓伺服系統(tǒng)的作用下左右移動，以實現(xiàn)在自動裝填過程中避讓彈協(xié)調(diào)器動作和在補彈過程中為鏈式取彈機工作提供軌道的作用。

自動化彈倉布置在炮塔的前下方，其內(nèi)可儲存20發(fā)彈丸，由伺服電動機帶動其進行工作。

鏈式取彈機布置在自動化彈倉的前方，待自動化彈倉運動到位后，在伺服電機的作用下將取彈板推至備用彈倉出彈口處；待接收到彈丸后再將彈丸取回自動化彈倉內(nèi)。

其工作流程大致如下：

彈協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)動90°，中間軌道在液壓缸的作用下運動至兩端面與初始軌道、末端軌道的端面重合；鏈式取彈機工作，將彈倉內(nèi)儲彈板推送至備用彈倉出彈口處；備用彈倉工作，十字撥叉將彈丸撥至備用彈倉出彈口處，并由出彈口處的推彈裝置將彈丸推送至儲彈板上；鏈式取彈機工作，將帶有彈丸的彈倉和儲彈板沿軌道帶回自動化彈倉內(nèi)，自動化彈倉將彈丸和取彈板一起帶走，并開始準備下一次補彈動作。當備用彈倉的彈丸發(fā)射完畢后，可通過打開備用彈倉底處的炮塔門向備用彈倉內(nèi)補充彈丸。

2 備用彈倉

為了能夠提高彈倉的空間利用率，采用了十字撥叉推動彈丸運動的工作原理設(shè)計了該備用彈倉，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。備用彈倉主要由彈倉箱體、推彈裝置、彈丸軌道、彈丸和減速電機等部分組成。

為了保證備用彈倉的彈丸能夠順利落入鏈式取彈機的儲彈板中且給火炮后坐時留下足夠的空間，備用彈倉選用L形彈倉箱體。彈倉箱體為備用彈倉的基礎(chǔ)部件，不僅用于安裝推彈裝置、齒輪組、彈丸撥叉、軌道等構(gòu)件，還具有對彈丸軸向進行定位的作用。圖3為備用彈倉的工作原理圖。

備用彈倉采用十字撥叉撥動彈丸沿軌道運動的方式進行傳動。相比于傳統(tǒng)的鏈式自動化彈倉提升了彈倉的空間利用率，提高了彈倉的彈丸容量。彈丸沿軌道布置在十字撥叉齒槽內(nèi)，十字撥叉通過中心軸安裝在備用彈倉的箱體上。當彈倉電機工作時，通過安裝在彈倉箱體上的齒輪組將動力傳遞給彈丸撥叉，再由彈丸撥叉撥動彈丸沿軌道運動，實現(xiàn)彈倉內(nèi)彈丸的運動。彈丸撥叉采用滾子鏈鏈輪的方法進行設(shè)計，以保證彈丸在彈倉內(nèi)傳動過程中的穩(wěn)定性。圖4為十字撥叉的外形圖。

根據(jù)鏈輪的設(shè)計方法[10]，其設(shè)計計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中：re為齒側(cè)圓弧半徑；ri為滾子定位圓弧半徑；α為滾子定位角；d1為滾子直徑，即彈丸直徑122 mm；z為彈丸撥叉齒數(shù)，z=4；十字撥叉齒頂圓直徑，da=235 mm。最終確定彈丸撥叉參數(shù)如表1所示。

表1 彈丸撥叉參數(shù)

軌道通過螺栓等連接件安裝在備用彈倉的箱體上，主要作用是提供彈丸的運動軌道。在運動過程中，彈丸底部與彈倉箱體接觸進行一側(cè)定位。由于彈頭部分裝有引信，彈丸彈頭部分的軌道接觸面設(shè)計成與彈丸弧面相配合形狀來對彈丸的軸向進行定位，其定位原理如圖5所示。

待備用彈倉中彈丸轉(zhuǎn)運至出彈口處后，由位于出彈口處的推彈裝置將彈丸推送至鏈式推彈機的儲彈板上。備用彈倉的推彈裝置采用棘輪、棘齒組合的間歇機構(gòu)的工作原理來完成備用彈倉運動一個周期后的推彈動作。

間歇推彈裝置如圖6所示，該間歇推彈裝置主要由棘輪、棘齒、外殼、彈簧、推彈板等機構(gòu)組成。棘輪通過中心軸與齒輪組相連。棘齒通過螺栓與推彈板固定在一起。外殼為棘齒在豎直方向上的運動提供軌道。

工作過程如圖7所示。

圖7(a)～(b)：備用彈倉伺服電機通過齒輪傳動組帶動十字撥叉逆時針方向轉(zhuǎn)動45°，棘輪逆時針方向轉(zhuǎn)動90°。彈丸在撥叉的撥動下向出彈口方向運動。在棘輪和棘齒的作用下，與棘齒固連的推彈板沿導(dǎo)軌向上運動并壓縮彈簧。

圖7(b)～(c)：在備用彈倉伺服電機帶動下，十字撥叉逆時針方向再次轉(zhuǎn)動45°，棘輪再次轉(zhuǎn)動90°。第1發(fā)彈丸被推送至出彈口并在重力的作用下向儲彈板上落去。棘輪轉(zhuǎn)動到凹槽處，棘齒與備用彈倉推彈板在彈簧力和重力的作用下開始下落。

圖7(c)～(d)：彈丸被轉(zhuǎn)運至儲彈板上。在彈簧的作用下，推彈板將彈丸固定在儲彈板上，完成將彈丸從備用彈倉中取出的動作。

3 鏈式取彈機

鏈式取彈機在補彈過程中主要作用是將空的儲彈板沿軌道推送至備用彈倉出彈口處，待接到備用彈倉推出的彈丸后將彈丸和儲彈板帶回自動裝填系統(tǒng)的彈倉內(nèi)。采用具有結(jié)構(gòu)緊湊、能夠充分利用有效空間的單向鏈的工作原理設(shè)計該鏈式取彈機[8]。

鏈式取彈機主要是由單向鏈、鏈輪、鏈盒、取彈板等部分組成，如圖8所示。儲彈筒與儲彈板構(gòu)成儲彈裝置。儲彈裝置之間通過銷軸連接組成閉合循環(huán)彈鏈，從而實現(xiàn)彈丸的更換。當空的儲彈裝置轉(zhuǎn)動到出彈口處時，鏈式取彈機在伺服電機的帶動下，將儲彈板從彈倉中推至備用彈倉的出彈口處。

圖9為鏈式取彈機取彈板與儲彈板之間的位置關(guān)系圖，圖10為鏈式取彈機取彈板和儲彈板提供運動軌道的導(dǎo)軌。取彈板通過本身前后擋板帶動儲彈板沿導(dǎo)軌運動。

鏈輪將推彈板和空的儲彈板推出時，由于單向鏈接觸面的作用使得伸出的單向鏈可以近似看作一端固定、一端鉸接的壓桿模型，故而采用壓桿穩(wěn)定性原理和強度校核公式對單向鏈的參數(shù)進行設(shè)計計算，其設(shè)計計算公式為

(4)

(5)

式中：Fmax為橫截面最大受力；E為材料的彈性模量；Imin為壓桿橫截面對中性軸的最小慣性矩；l為長度；μ為長度系數(shù)，取0.7；P為橫截面處平均壓強；S為橫截面積。

在理想驅(qū)動的條件下，將已知數(shù)據(jù)代入式(4)、(5)進行設(shè)計計算，并對設(shè)計計算后的結(jié)果進行整理，最終確定單向鏈鏈節(jié)的主要結(jié)構(gòu)尺寸，具體參數(shù)如表2所示。

表2 鏈節(jié)參數(shù)

待彈丸被取回彈倉后，在彈倉鏈輪的作用下，鏈式推彈裝置推彈板附近的儲彈裝置向右移動一個彈位，使下一個待裝彈筒就位，準備開始進行下一次補彈動作。

4 補彈系統(tǒng)的動力學(xué)仿真

為了進一步分析該自動補彈系統(tǒng)在工作過程中各機構(gòu)之間的運動關(guān)系和彈丸在運輸過程中的穩(wěn)定性，利用虛擬樣機技術(shù)建立該補彈系統(tǒng)的虛擬樣機模型并對其進行動力學(xué)仿真。

4.1 模型建立

根據(jù)各機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸在三維模型軟件中建立三維模型，再通過CAD接口模塊將其導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件中對其進行動力學(xué)仿真分析。根據(jù)該自動補彈系統(tǒng)在工作過程中的運動規(guī)律，在不影響模型合理性的前提下對其進行如下假設(shè)：

1)補彈系統(tǒng)的相關(guān)構(gòu)件均視為剛體；

2)為減小仿真計算量，對非必要零件和運動規(guī)律相同的零部件進行布爾運算，求和為一個部件；

3)不考慮模型裝配時的尺寸公差；

4)驅(qū)動載荷以理想速度的方式施加在驅(qū)動件上。

按照補彈系統(tǒng)的各個部件在實際工作過程中的運動和受力情況，分別對各部件添加約束和力元關(guān)系。對電機處的主動輪添加理想驅(qū)動，模擬電機驅(qū)動。虛擬樣機模型搭建完畢后，使用求解模塊ADAMS/Solver對補彈系統(tǒng)一個補彈周期的工作過程進行動力學(xué)仿真。

4.2 仿真結(jié)果與分析

圖11為彈丸與備用彈倉內(nèi)推彈板在豎直方向上的動力學(xué)曲線圖。通過分析推彈板的運動曲線圖可以得知：在棘輪、棘齒的作用下，推彈板在1 s時開始上升并在1.5 s左右上升至最高點；1.9 s時，棘齒運動到棘輪凹槽處，在彈簧和重力作用下向下運動，固定處于接彈板上的彈丸；2 s時，鏈式推彈機開始將彈丸拉回彈倉內(nèi)，由于此時彈丸開始卡入軌道中，故而彈丸與推彈板曲線出現(xiàn)了波動情況；2.84 s時，彈丸開始卡入自動裝填系統(tǒng)彈倉內(nèi)的儲彈筒中，因此彈丸與推彈板曲線出現(xiàn)了第2次波動情況。

圖12為待取彈丸與儲彈板在Z軸方向上的動力學(xué)關(guān)系曲線圖。分析儲彈板的位移曲線圖可以看出，雖然由于鏈傳動多邊形影響瞬時速度不穩(wěn)定，但是總體位移的曲線圖相對比較平滑，1 s時位移為2 675.8 mm，與理想位移2 676 mm僅相差0.2 mm。在2 s后帶動彈丸運動的過程中，兩者的位移曲線圖近乎重合，說明彈丸在運動過程中整體相對較為平穩(wěn)，接彈板上的限位機構(gòu)設(shè)計合理。

圖13為備用彈倉內(nèi)彈丸的動力學(xué)關(guān)系曲線圖。分析可知，在彈倉1個周期的運動過程中，彈丸運動較為平穩(wěn)，彈丸的軸向跳動和豎直方向的跳動較小。在彈丸撥叉的作用下，彈丸運動了140.3 mm，與理想位移140 mm僅差0.3 mm。2 s后的彈丸出現(xiàn)不足0.1 mm的晃動，這是因為彈丸撥叉設(shè)計過程中，為了保證傳動順利，彈丸撥叉齒的尺寸大于彈丸直徑的原因，對備用彈倉之后的動作影響不大。

通過分析動力學(xué)仿真結(jié)果可以得知，在補彈系統(tǒng)工作過程中，彈丸運動狀態(tài)穩(wěn)定，各個機構(gòu)的工作有序，接彈板能夠穩(wěn)定地到達備用彈倉的出彈口處，并能順利地接收到由備用彈倉中取出的彈丸；備用彈倉內(nèi)間歇推彈裝置也能順利地將彈丸固定在鏈式推彈機的接彈板上，整個補彈系統(tǒng)設(shè)計合理。

5 結(jié)束語

針對某中大口徑車載火炮設(shè)計了一種能夠全自動化的補彈系統(tǒng)。該補彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，備用彈倉內(nèi)彈丸容量大；運用棘輪、棘齒間歇機構(gòu)的工作原理實現(xiàn)了對推彈裝置推彈板的控制；采用結(jié)構(gòu)緊湊、空間利用率高的單向鏈工作原理對鏈式推彈機進行設(shè)計。通過對該自動補彈系統(tǒng)的補彈過程進行動力學(xué)分析，得到彈丸、鏈式推彈機、推彈裝置、備用彈倉等各部分之間的動力學(xué)關(guān)系。仿真結(jié)果表明該自動補彈系統(tǒng)能夠相對穩(wěn)定地將彈丸由備用彈倉運輸?shù)阶詣友b填系統(tǒng)的鏈式自動化彈倉中。該研究為中大口徑火炮在自動補彈系統(tǒng)方面的設(shè)計提供了一種新的思路。