彈藥斜裝條件下包裝箱參數(shù)優(yōu)化設計研究

蔣磊，張俊坤，丁志雨

彈藥斜裝條件下包裝箱參數(shù)優(yōu)化設計研究

蔣磊1，張俊坤2，丁志雨1

（1.陸軍裝甲兵學院士官學校，長春 130117；2.32181部隊，西安 710000）

為了優(yōu)化彈藥包裝尺寸設計，提高超長彈藥包裝裝載和運輸?shù)男省Ｒ澡F路運輸過程中超長彈藥包裝的斜裝運輸為研究對象，分析彈藥包裝箱和車廂幾何尺寸之間的數(shù)學關(guān)系，以構(gòu)建斜裝運輸時車廂允許的彈藥包裝的最大長度、最小長度、最大寬度隨斜裝角變化的數(shù)學模型。基于該模型，可以對包裝箱參數(shù)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)鐵路車廂最大裝載量。并以某型車廂為例，利用MATLAB對該數(shù)學模型進行分析計算。得到了給定車廂尺寸條件下，彈藥包裝相關(guān)參數(shù)隨斜裝角的變化規(guī)律。利用建立的數(shù)學模型可確定適合鐵路車廂斜裝的彈藥包裝的尺寸系列，為彈藥包裝的優(yōu)化設計和高效裝載運輸提供了理論依據(jù)。

彈藥；運輸；斜裝；包裝設計

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，彈藥承擔著毀傷敵裝備等的重要使命，是部隊戰(zhàn)斗力的重要載體。彈藥補給與運輸是合成部隊裝備保障的重要內(nèi)容。由于彈藥消耗量大，危險系數(shù)高，保障任務重[1]，使得彈藥裝載業(yè)務復雜、繁瑣而緊迫，是戰(zhàn)時保障供應的重點和難點[2-6]。而鐵路運輸具有運量大、速度快、能耗低、運行距離遠等特點，最適合長途運輸，是軍用裝備物資運輸?shù)闹匾緩剑虼?，鐵路運輸方式就成為遠距離大批量彈藥運輸?shù)氖走x方式[7]。彈藥包裝作為彈藥裝備儲運、管理、供應的載體形式，直接影響到彈藥的安全性和可靠性，甚至影響彈藥作戰(zhàn)效能的發(fā)揮[8-10]。斜裝作為一種裝載方式，常用于超長包裝彈藥的鐵路運輸，而與車廂尺寸不匹配的包裝設計，易造成斜裝裝載中的空間浪費，影響裝載效率。因此，有必要從基本幾何關(guān)系和裝載要求出發(fā)，系統(tǒng)深入地對彈藥斜裝裝載問題進行分析，并研究裝載規(guī)律，為彈藥運輸裝載計劃的制定和彈藥包裝尺寸的系列化設計提供理論依據(jù)[11]，以防止鐵路運力浪費，提高彈藥補給效率[12]。

1 彈藥裝載原則與斜裝模型的構(gòu)建

影響彈藥運輸?shù)囊蛩睾芏?，如彈藥的包裝、需求量、儲備布局、裝載方式等，其中包裝和裝載方式不僅關(guān)系到運輸工具的運力，同時關(guān)系到運輸過程的安全，必須予以重視。

1.1 彈藥裝載原則

彈藥裝載是彈藥補給中的重要環(huán)節(jié)，各類彈藥的裝載量是制定彈藥運輸計劃、實施車輛調(diào)度的重要依據(jù)。由于彈藥的危險性，確定了彈藥的裝載必須遵守以下原則[7,13-14]：

1）總質(zhì)量不能超過車輛的載質(zhì)量。

2）彈藥的裝載高度不超過規(guī)定高度。

3）彈藥裝載應均衡平穩(wěn)。

4）對于火箭彈和已安放引信的彈藥，彈藥不得與車輛行駛方向相同，并將彈藥固定牢固，因此超長彈藥只能斜裝，具體裝載方式如圖1所示。

1.2 斜裝模型構(gòu)建

由于彈藥包裝箱的長度超出了運輸車輛車廂的寬度，造成彈藥無法橫裝運輸，必須采用斜裝運輸。此時由于車輛車廂幾何尺寸的限制，使得斜裝條件下彈藥包裝箱的長寬尺寸與斜裝角需滿足一定的數(shù)學關(guān)系。

圖1 彈藥裝載方式

車輛車廂尺寸如圖2所示，彈藥包裝箱在車廂中的斜裝方式如圖3所示。其中陰影部分為彈藥包裝箱，1、2、3為車廂的長、寬和車門的寬，、為包裝箱的長和寬，為彈藥包裝箱的斜裝角。

圖2 車廂的幾何尺寸

通過圖中彈藥包裝箱幾何尺寸隨斜裝角的變化關(guān)系，可得斜裝角的最小值min滿足以下方程：

隨著斜裝角的變化，車廂允許的條件下斜裝的彈藥包裝箱的長度和寬度也在不斷變化，通過數(shù)學分析可構(gòu)建斜裝條件下，彈藥包裝箱的長度最大值與最小值，以及彈藥包裝箱寬度最大值隨斜裝角的變化規(guī)律，如式（2）～（4）所示。

為進一步研究斜裝條件下，包裝箱長度、寬度和斜裝角之間的變化關(guān)系，可繪制如圖4所示的幾何關(guān)系。

通過圖4中的幾何關(guān)系，可得包裝箱長度隨包裝箱寬度和斜裝角變化的規(guī)律，見式（5）～（6）。

式中：為斜裝條件下，彈藥包裝箱長度在車廂長度上的投影。

-

聯(lián)立式（5）、式（6）可得：

其中max可通過聯(lián)立式（1）、式（3）和式（4）求得。

通過以上分析，得出了車廂斜裝彈藥包裝箱時，彈藥包裝箱長度、寬度與斜裝角之間的關(guān)系，見式（7），從而為指導彈藥裝載、制定運輸計劃提供了理論依據(jù)。

為使斜裝條件下裝載數(shù)量達到最大化，必須使得包裝箱寬度沿包裝箱長度方向車廂長度方向上的投影為(1–3)/2的約數(shù)，且包裝箱寬度在車廂長度方向上的投影小于3。

即：

其中，mod為Matlab中的求余函數(shù)，因此在斜裝運輸下，包裝箱的最優(yōu)寬度是離散的。

綜上所述，在斜裝條件下包裝箱的最佳參數(shù)見式（9）。

2 模型的應用與分析

目前用于彈藥鐵路運輸?shù)幕疖囓噹吞柌煌?，尺寸也各不相同。本文以某型車廂為例，對所建模型進行了分析和計算，該型車廂的幾何尺寸為1=16 094 mm、2=2 800 mm、3=2 539 mm。

將車廂的幾何尺寸代入式（1）～（4），利用MATLAB可繪制如圖5所示的彈藥包裝箱最大長度、最小長度和最大寬度隨斜裝角的變化曲線。

從圖5中可以直觀地看出，隨著斜裝角的不斷增加，包裝箱的最大長度在逐漸減小，且減小的趨勢逐漸變緩，最終趨近于2 800 mm。這是因為斜裝的前提條件是包裝箱的長度大于車廂的寬度。隨著斜裝角的不斷增加，包裝箱的最小長度先增加，在斜裝角約為21.88°（解析解為22.45°）時發(fā)生轉(zhuǎn)折，這是包裝箱由斜裝方式2向斜裝方式1過渡時造成的。隨著斜裝角度的繼續(xù)增加，包裝箱的最小長度逐漸減小，且減小的速度越來越慢，在斜裝角約為35.06°時，包裝箱最小長度的變化曲線在此發(fā)生轉(zhuǎn)折，且此后的最小長度的臨界值一直為2 800 mm。這是因為斜裝的必要條件為包裝箱的長度必須大于車廂的寬度。隨著斜裝角的不斷增加，包裝箱的最大寬度逐漸增加，在斜裝角約為35.06°時曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，開始逐漸減小。這是由于當斜裝角小于35.06°時，包裝箱的最大寬度由車門寬度和斜裝角決定；而當斜裝角大于35.06°時，包裝箱的最大寬度由包裝箱的最大長度和斜裝角決定。

圖5 彈藥包裝箱的最大長度、最小長度和最大寬度隨斜裝角的變化曲線

將車廂的幾何尺寸代入式（7）進行計算，并利用MATLAB繪制彈藥包裝箱長度隨包裝箱寬度和斜裝角的變化曲面，如圖6所示。

圖6 包裝箱長度隨包裝箱寬度和斜裝角的變化規(guī)律

從圖6可以看出，斜裝角一定時，隨著包裝箱寬度的增加，包裝箱的長度在逐漸減小；包裝箱寬度一定時，隨著斜裝角的增加，包裝箱的長度也在逐漸減小，進而可以得出在一定包裝箱寬度下，車廂所能允許的包裝箱最大長度；當包裝箱的長度一定時，則斜裝角與包裝箱的寬度成反比。另外從圖6中包裝箱長度的變化規(guī)律可知，隨著包裝箱寬度和斜裝角的增加，二者對包裝箱長度變化的影響越來越小。

綜合圖5和圖6可以得出，對于算例中的車廂，可達到最佳裝載條件的部分包裝箱參數(shù)見表1。

表1 算例包裝參數(shù)

Tab.1 Some optimal parameters of packaging container

通過上面的計算和分析，可以得出算例中的車廂在斜裝彈藥時，對彈藥包裝長寬的要求，以及在最佳裝載條件下包裝箱的參數(shù)，從而為包裝箱的設計提供了理論依據(jù)，以指導彈藥的裝載形式和提高運輸效率。

對于常見的鐵路棚車車廂尺寸，在上述計算方法和現(xiàn)行包裝標準[15]的基礎上，根據(jù)給定的常見包裝長度，可計算出符合最佳斜裝裝載條件的部分包裝尺寸參數(shù)，如表2所示。

表2 常見鐵路棚車適用的斜裝彈藥包裝參數(shù)

Tab.2 Ammunition packing parameters for skewed installation in common railway box car

3 結(jié)語

斜裝運輸作為一種超長軍用危險品的運輸方式，對提高其裝載和運輸效率進行研究有一定的必要性。彈藥斜裝時，包裝箱和車廂幾何尺寸之間具有一定的數(shù)學關(guān)系，由此可以構(gòu)建出斜裝運輸時車廂允許彈藥包裝的最大長度、最小長度、最大寬度與斜裝角之間的數(shù)學模型，以及彈藥包裝長度、寬度和斜裝角之間的數(shù)學模型，同時在分析最佳裝載條件的基礎上，建立出包裝箱參數(shù)優(yōu)化模型。結(jié)合具體的車廂尺寸，利用MATLAB對各數(shù)學模型進行分析計算，能夠得到各模型的變化規(guī)律，據(jù)此能夠簡單清楚地判斷一種彈藥包裝箱是否可用某型車廂進行斜裝運輸，并得出為滿足該型車廂最大裝載效率的包裝箱最佳參數(shù)，將該參數(shù)用于包裝尺寸的優(yōu)化設計，有助于提高彈藥的裝載和運輸效率。

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Optimal Design of Parameters for Packaging Container under Ammunition Skewed Installation

JIANG Lei1, ZHANG Jun-kun2, DING Zhi-yu1

(1. NCO School, Army Academy of Armored Forces, Changchun 130117, China; 2. 32181 Unit of PLA, Xi'an 710000, China)

The work aims to optimize the design of ammunition packaging size, so as to improve the efficiency of loading and transportation of ultra-long ammunition packaging. With the skewed transportation of ultra-long ammunition packaging by railway as the research object, the mathematical relationship between the geometric size of ammunition packaging container and carriage was analyzed, so as to construct a mathematical model of the maximum length, minimum length and maximum width of ammunition packaging allowed by carriage changing with the skewed angle during skewed transportation. Based on this model, the parameters of packaging container were optimized to realize the maximum loading capacity of railway carriage. With a certain carriage as the example, MATLAB was used to analyze the established model. The change law of ammunition packaging parameters with skewed installation angle under the condition of a given carriage size was obtained. The established mathematical model can be used to determine the size series of ammunition packaging suitable for skewed transportation by railway carriage, which provides a theoretical basis for the optimal design of ammunition packaging and efficient loading and transportation.

ammunition; transportation; skewed installation; packaging design

TB482.2

A

1001-3563(2023)23-0302-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.036

2023-04-20

裝備綜合研究項目（LJ2022C030145）

責任編輯：曾鈺嬋