一種新型回轉式彈倉軌道參數化設計

馮保忠，王 斌，孫大偉，李永恒

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

近年來，國內外最新研制或者裝備的大口徑火炮系統中，彈藥輸送的快速性及自動化程度越來越高［1-2］。這些火炮中的彈倉往往采用回轉式結構，例如:韓國的K9彈藥輸送車、美國“十字軍騎士”火炮系統及德國DONAR火炮系統都采用了回轉式彈倉?；剞D式彈倉具有結構緊湊，適應性強，控制簡單，取彈速度高的優點。

為了適應現代火炮發展，設計了一種新型回轉式彈倉，其傳動與鏈條傳動相似，彈筒鉸接組成彈鏈，彈鏈支撐在底座上，底座內設計了一條軌道，這條軌道限制彈筒沿著軌道運動，增強了傳動可靠性，保證了彈鏈有效回轉，減小彈筒的跳動。所以軌道的設計優劣決定了整個彈鏈周向運動的平穩與否，但軌道最初的設計采用幾何方法繪制所得，缺少理論依據不理想。

1 回轉式彈倉結構

回轉式彈倉一般由儲彈筒部件、連接部件、底座部件和驅動部件組成。如圖1所示，彈丸固定在儲彈筒組件內，相鄰的兩個儲彈筒組件通過連接部件兩兩鉸接在一起，組成閉合的回轉彈鏈。整條彈鏈支撐在底座部件上，底座部件由內外兩部分導軌組成，形成回轉軌道，每個儲彈筒底部伸出轉軸，轉軸限制在回轉軌道內。處在彈鏈中部的驅動部件通過撥動儲彈筒組件底部的轉軸，進而帶動整個彈鏈進行回轉運動，當儲彈筒轉至軌道取彈位置時，就可以由其他機構將彈丸取出。某回轉彈倉回轉軌道中心線形狀為長“O”形，如圖2所示。

圖1 彈倉結構

整個回轉軌道可以分成4部分，2段直線和2段曲線，2段曲線和2段直線都是對稱的。曲線段軌道在最初設計時采用描點的方法繪制，發現近似為橢圓曲線，后用橢圓取代，但該方法所選點數有限不夠全面，缺乏理論根據。而曲線段軌道起到協調兩側直線段上儲彈筒運動的重要作用，準確的曲線軌道才能保證儲彈筒在直線段的速度相同，有效協調兩側儲彈筒的運動，否則就會引起儲彈筒運動不協調。由文獻［3］中可知鏈傳動過程中，鏈條運動不協調會造成鏈節跳動，如果彈鏈跳動會使得儲彈筒定位不準。本文通過理論分析精確求解得到曲線段隱函數方程，并通過運動仿真驗證求解所得方程曲線較橢圓曲線更加理想。

2 回轉軌道中心線求解

回轉軌道由2條平行直線及2條U形線相連形成如圖所示軌跡曲線，A代表第n-1個儲彈筒組件，B代表第n個儲彈筒組件，C代表第n+1個儲彈筒，AB、BC分別為相鄰儲彈筒間鉸接連桿，A端受到驅動力的驅動使得AB運動，通過鉸接點B再驅動BC運動。A點和C點運動方向相反，為了保證整條彈鏈運動協調，A點和C點的運動速度數值必須是相同的。由于B點限制在軌道U形區段，所以U形區域軌跡的設計影響整條彈鏈的可行性，整個軌道中心線的求解問題主要是U形曲線段的求解。

圖2 軌道中心線

這里將問題抽象為數學模型，作如下分析。為了方便分析作如下假設:①儲彈筒在豎直方向上不存在位移;②儲彈筒AB、BC上的A、B、C 3點都沿軌道中心線運動，不存在脫離現象;③A、B的初始位置分別A0，B0。繪制如圖所示的平面坐標系，將問題假設為:A點以V的速度向左側前進，B點以大小為V的速度向右側前進，C點經過的路線即所求軌跡。

A點坐標為(x1，y1)=(l-Vt，L/2)，B點坐標為(x2，y2)=(Vt，-L/2)，C點坐標為(x，y)，滿足條件

C點軌跡與V無關，令V=1帶入到式(1)中，整理后得到C點軌跡的隱函數

3 軌道模型建立及仿真驗證

為了驗證軌道回轉段是橢圓曲線還是方程曲線，首先要按照2種曲線建立軌道模型，在軌道模型基礎上，運用UG/motion模塊分別對2種軌道進行仿真運算。比較分析2種仿真所得結果。橢圓曲線可以利用橢圓功能直接繪制，而所求方程曲線就要用規律曲線功能。在UG中繪制規律曲線就要用到軟件的參數化設計功能。

［4-5］中可知UG軟件有強大參數化設計功能，可以繪制各種復雜的曲線，要實現方程曲線的繪制，必須要用到表達式功能。在創建表達式時要注意一下幾點:①表達式左側必須是一個簡單變量，等式右側是一個數學語句或一個條件語句;② 所有表達式均有一個值(實數或者整數)，該值被賦給表達式的左側變量;③ 表達式等式的右側可認為是含有變量、數學、運算符和符號的組合和常數;④用于表達式等式右側中的每一個變量，必須作為一個表達式名字出現在某處。

為滿足表達式要求，需要將所求方程曲線參數化，這里引入變量t，經過整理得出參數化方程式

根據所得參數化方程建立軌道中心線，進而建立軌道模型如圖3所示。圖3中左側軌道曲線段依據橢圓建立，右側軌道曲線段依據方程曲線建立。為了方便分析，這里將處在曲線段的儲彈筒及左右各一個儲彈筒由彈鏈中單獨取出作為研究對象，并對儲彈筒組件及軌道模型進行了簡化。

首先在3個儲彈筒中，每相鄰的2個之間建立鉸接，并限制3個儲彈筒沿軌道運動。分別對右側儲彈筒給予一初始速度(設定為37 mm/s)作為驅動端，使中間儲彈筒沿著曲線段運動，對末端儲彈進行速度檢測，檢測結果如圖4所示。

圖4中橫軸為時間，縱軸為末端速度幅值，細線表示左側模型檢測結果，粗線表示右側模型檢測結果。從圖表可以觀察到在前期時間內，左側模型末端儲彈筒的速度值圍繞37 mm/s上下浮動，而右側模型末端儲彈筒的速度恒為37 mm/s;在停止運動瞬間，左側模型較右側模型產生的震蕩更大。由此可以得出軌道曲線段若為橢圓時會造成驅動端與末端運動不協調，而曲線段為方程曲線的軌道，驅動端和末端儲彈筒速度相同運動協調。

圖3 仿真模型

圖4 仿真結果

4 結束語

通過仿真結果不難發現，本文通過建立數學模型求解所得曲線是較為理想的曲線，該曲線能夠滿足設計要求。本文求解軌道曲線的方法，對同類型問題具有參考意義。隨著彈藥輸送自動化程度的提高，回轉式模塊彈藥倉的應用將越來越廣泛，同時其軌道的設計也將受到廣泛重視。

在本文中解決了儲彈筒間距與兩直線段軌道間距相同這種特定情況下軌道求解問題，但是隨著回轉式模塊彈藥倉的應用，必然會出現間距不同的情況，甚至異型(非長“O”形)軌道的情況，在復雜情況下彈藥倉軌道的精確求解問題將是以后研究的重點。

參考文獻:

［1］梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動裝填系統研發現狀和趨勢［J］.火炮發射與控制學報，2010(3)：103-107.

［2］中國科學技術協會.2008-2009兵器科學技術學科發展報告［M］.北京：中國科學技術出版社，2009.

［3］蒲良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］江洪，酈祥林，李春表，等.UG 5.0典型實例解析［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［5］胡小康.UG NX4運動分析培訓教程［M］.北京：清華大學出版社，2006.