一種車載火炮供輸彈裝置設計

劉海濤，高躍飛，信義兵，劉海剛

(中北大學機電工程學院，太原 030051)

車載火炮作為重要的陸軍武器之一，集成了牽引火炮和自行火炮二者的優點，因其具有質量輕、機動能力強，便于運輸、在戰場上易于快速戰略部署等優勢在部隊得到大規模的裝備［1－3］。然而低射速是車載火炮的一個弱點，主要原因是車載火炮的彈藥裝填多為人工輸送或為半自動裝填。針對此情形，設計了一種能夠快速連續供彈藥的全自動化供輸彈裝置，該裝置省略了常規裝填裝置中輸彈機和彈倉之間必需的供彈轉換機構，且彌補了常規裝填裝置中藥筒需要人工擺放到輸藥盤上這一缺點，完全實現了彈和藥的自動化裝填，大大提高了車載火炮的射速，為增加火力贏取戰爭的勝利提供了強有力的條件。

1 供輸彈裝置整體結構

本供輸彈裝置放置在車載火炮搖架尾部后方，整套裝置與身管保持平行，共同俯仰，因此可以省略掉常規炮塔式自行火炮自動裝填裝置中的輸彈機和彈倉之間必需的供彈轉換機構，大大縮短了彈藥裝填時間。

本設計總體方案采用彈鼓式儲彈和藥鼓式儲藥，單線推彈藥，雙向擺臂機構間歇擺彈藥，輸彈(藥)機輸彈藥的供彈方式。彈鼓機構和藥鼓機構負責儲彈并將彈丸和藥筒一發一發間歇回轉到推彈藥機構推板處，推彈藥機構負責將彈丸和藥筒準確安全地推送到雙向擺臂機構的通道中，擺彈器和擺藥器將彈丸和藥筒間歇的擺到供彈中心線，輸彈(藥)機先后推動彈丸和藥筒進入炮膛。供輸彈裝置整體結構如圖1所示。

圖1 供輸彈裝置整體結構

2 供輸彈裝置設計

2.1 彈鼓和藥鼓機構設計

彈藥鼓機構在整個供輸彈裝置中起彈丸和藥筒供給的作用，彈藥鼓供給的彈藥由推彈藥機構推送到前方通道。因此彈藥在彈藥鼓中完成了從裝填位置到推彈藥機構推送位置的空間坐標轉換。

如圖2所示，彈鼓機構中的9個儲彈筒整周均勻布置在中心輪2上，中心輪1、2和行星輪以及行星輪擋圈等組成彈鼓機構的整周間歇回轉機構。布置在彈藥鼓機構前方的轉向錐齒輪組、傳動軸和固定座等組成整個彈藥鼓機構的傳動系統。藥鼓機構和彈鼓機構結構類似，只是在外形尺寸上有所差別，藥鼓機構結構不再贅述。供彈時，傳動系統驅動彈鼓機構和藥鼓機構完成同步的相向間歇回轉運動，即轉動40°，彈鼓和藥鼓停歇，此時推彈藥機構完成間歇推送動作，即彈藥鼓停歇期間推彈藥機構完成一次推送動作并回到初始位置然后靜止，等待下一次推送。

圖2 彈藥鼓機構結構

為保證供輸彈裝置正常運行，分度機構必須分度準確以保證彈藥鼓機構準確回轉到推彈藥機構推送處，同時要求推彈藥機構推送行程必須精準，以保證彈藥被推送至雙向擺臂機構通道處停止，如果推送行程過大或過小都會使雙向擺臂機構無法工作，導致供輸彈失敗。因此，分度機構和推彈藥機構均采用交流伺服電機，通過編碼器對交流伺服電機進行控制，精確控制分度機構轉動角度和推彈藥機構的推送行程。

由于車載火炮在行軍和戰斗中車體必然會出現上下抖動和顛簸現象，這就造成儲存在彈鼓和藥鼓機構中的彈藥在沒有任何約束的情況下便會與筒體產生撞擊和磕碰，甚至滑出筒體，這對彈藥本身和供輸彈動作的執行都是非常不利的，為此設計了彈藥定位機構以確保彈藥在筒體中相對靜止。

如圖3所示，彈丸置于儲彈筒中，彈丸的后端限位由后端限位板和扭簧完成，后端限位板可繞銷軸回轉。前端限位主要由弧形擋板和扭簧來完成，弧形擋板在扭簧的彈力作用下處于閉合狀態。在彈鼓機構回轉過程中，弧形擋板被前端限位板鎖住，此時推桿處于靜止狀態，安裝在推桿上的凹形頂板頂住十字形回轉板的C分支，而與A分支連接的解鎖彈簧處于壓縮狀態。當彈鼓機構回轉到位間歇停止時，推彈藥機構開始執行推送彈藥動作，此時推桿向前移動，凹形頂板與十字形回轉板的C分支迅速分離，十字形回轉板在解鎖彈簧的作用力下繞軸旋轉，安裝在B分支上的解鎖頂桿以圓形軌跡推動限位桿，使限位桿受到撞擊力后回轉，前端限位板轉到筒體外側，達到解鎖狀態，彈丸在推彈板作用下前行同時將弧形擋板推開，當彈丸脫離儲彈筒后，弧形擋板在扭簧作用力下閉合。此后推桿按原行程返回，在返回的過程中凹形頂板撞擊十字形回轉板C分支，回轉板回轉，解鎖頂桿與限位桿分離，限位桿在前端限位扭簧作用下帶動限位板轉回儲彈筒內側，達到閉鎖狀態。而A分支壓縮解鎖彈簧，為下一次解鎖頂桿撞擊限位桿儲存能量，當回轉板回轉到一定角度時，D分支與定位銷接觸，在定位銷和推彈藥機構共同的作用下回轉板停止回轉，推桿靜止。此時彈鼓機構間歇停止完畢，再次執行回轉動作，待下一發彈丸回轉到位后定位機構再次執行以上解鎖閉鎖動作。藥筒在儲藥筒中的定位機構與此類似，只是在尺寸上有所差異，不再贅述。

圖3 彈丸定位機構結構

2.2 推彈藥機構設計

推彈藥機構是負責將彈藥從彈藥鼓推送到雙向擺臂機構的中間機構，是整個裝置的關鍵部分，推彈藥機構的性能、速度和加速度對整個裝置的影響最為顯著，直接影響到供彈的速率。

如圖4所示，編碼器對交流伺服電機進行控制，動力輸入到傳動系統，傳動系統帶動偏置曲柄連桿轉動，雙聯齒輪組驅動活動齒條直行，安裝在推桿兩側的推彈板和推藥板同時執行推送彈藥動作。由于在一發炮彈射擊完畢后，藥殼會掉落在雙向擺臂系統的凹槽內，因此在推彈藥機構上設計了推藥殼機構。推藥殼機構與推彈藥板共同前進后退，在推彈藥板推彈藥的過程中同時將上一發射擊過后的藥殼推出系統之外。推殼板上裝有擋板，藥殼在掉落的過程中沿著擋板下落在凹槽中，推殼板與活動齒條之間通過連桿銜接，連桿可繞活動齒條上的軸回轉，為防止直行滾輪在凹槽內行走時出現上下跳動現象，在壓桿板與連桿之間放置壓桿彈簧，以使滾輪在凹槽內行走時與其緊密貼合。

圖4 推彈藥機構結構

2.3 雙向間歇擺臂機構設計

雙向間歇擺臂機構主要用于接收推彈藥系統推送過來的彈藥，擺彈臂和擺藥臂間歇地向供彈中心線擺送彈藥，它也是整個裝置的關鍵部分之一，擺臂能否精確地擺彈到位直接影響輸彈機的輸彈。

如圖5所示，雙向擺臂機構主要由擺彈器和擺藥器以及間歇機構3部分組成。擺彈器由擺彈連桿、擺彈臂和擺彈筒等組成，擺彈筒接收推彈藥機構推送來的彈丸后在擺彈連桿的帶動下擺彈臂向輸彈(藥)板入口處擺送彈丸，擺彈器在定位緩沖板和間歇機構聯合作用下在入口處間歇停止，輸彈機開始執行輸彈動作，輸彈完畢后空回，擺彈臂按原行程返回到初始位置保持間歇靜止。此時擺藥器間歇靜止結束開始擺送藥筒，其結構組成和擺送動作與擺彈器類似，擺藥到位后間歇停止，輸彈(藥)機推送藥筒進入炮膛后空回，擺藥器按原行程返回到初始位置保持間歇靜止，等待下一次推彈藥機構推送過來的彈藥。

圖5 雙向擺臂機構結構

擺彈器和擺藥器的間歇擺送動作主要由安裝在擺臂機構上方的間歇機構來控制。圖6為間歇控制機構結構圖，不完全齒輪組1和2中各含有一個半圓段輪齒的不完全齒輪，呈中心對稱布置，當傳動系統帶動不完全齒輪組2中的不完全齒輪轉動時，與急回曲柄連桿2直行端的直行滑動條相固連的活動齒條驅動圓形齒輪2回轉，動力再依次通過錐齒輪組傳遞進擺臂機構。此過程中，不完全齒輪轉動75°，急回曲柄連桿實現去行程，擺彈臂擺彈到位，當輸彈機輸彈完畢后，不完全齒輪再次轉動105°，急回曲柄連桿實現回行程，擺彈臂收回。其中不完全齒輪轉到75°后出現的間歇停止狀態，即擺彈臂等待輸彈(藥)板執行輸彈和空回動作的時間，主要依靠控制系統實現，180～360°出現的間歇停止狀態，即擺彈臂等待擺藥臂執行擺送藥筒和空回動作的時間，依靠不完全齒輪組的鎖止弧實現［4］。在不完全齒輪組2的180～360°角位移時期，不完全齒輪組1開始執行一系列動作，其運動過程與上同理。

2.4 輸彈(藥)機設計

輸彈機和輸藥機是將彈藥推送進炮膛的重要裝置，也是整個供輸彈過程的最后環節［5－6］，輸彈機設計是否合理直接決定著彈丸能否準確卡膛，為了達到結構緊湊節省空間的目的，將輸彈機和輸藥機結合為一體。輸彈(藥)機為偏置曲柄齒輪齒條機構，輸彈機輸彈為半強制行程輸彈，輸藥則為全強制行程輸藥［7］。輸彈(藥)機機構的封閉向量方程式如圖7所示。

圖7 輸彈(藥)機機構關系矢量

式中:r1為曲柄長度;r2為連桿長度;α為曲柄轉角;β為連桿轉角;x為齒輪位移量;e為齒輪與機座的位置差。將式(1)展開后分別取虛部和實部得

與市場上現有的低風險屬性的理財產品相比，短債基金優勢明顯。與貨幣基金相比，短債基金能夠提供更有競爭力的收益率，能夠代表短期債券的中債-綜合財富（1年以下）指數自基日2001年12月31日以來及最近5年，年化收益率達4.06%，而2018年以來貨幣基金收益率持續降低，就連傳統“旺季”年末時點的7日年化收益率平均值也僅有2.95%（截至12月24日）。相較銀行理財產品，短債基金采取開放式運作，建倉期過后沒有封閉周期，方便投資者隨用隨取，流動性更優。

將式(3)對時間求導數得出速度

兩邊乘以e－iβ展開并取實部得

由式(6)、式(7)可知:此機構為一行程和速度均放大的機構，通過合理地控制α、β、ω1即可獲得輸彈機輸彈所需速度以及輸藥所需的長行程。

3 供輸彈裝置仿真分析

利用ADAMS軟件對供輸彈裝置的彈藥鼓機構、推彈藥機構，輸彈(藥)機以及擺臂機構進行動力學仿真分析。以重要組件推彈藥機構和輸彈(藥)機為例，其相應的動力學曲線如圖8～圖11所示。其他機構速度、加速度等曲線不再贅述。

由圖8可知，推彈藥機構的推彈板在0°射角下到達推彈行程終點時速度為0，推彈板對彈丸的推力在起始階段產生了瞬時沖擊力，主要因為推彈板與彈丸有一定距離所致。在推彈行程后半段推彈板對彈丸推力逐漸減小，這正是所期望的，對減小彈丸離開推彈板時的速度、減小沖擊、提高接口的可靠性、安全性大有好處，這樣的機構比較合乎實際要求，能夠保證供彈平穩且可快速完成。

圖8 0°射角下推彈藥系統響應曲線

圖9 不同射角下彈丸頭部相對z軸偏移量曲線

圖10 不同射角下彈丸頭部相對y軸偏移量曲線

圖11 不同射角下推彈板和彈丸速度曲線

圖9～圖11為輸彈(藥)機輸彈過程部分動力學曲線，由圖9和圖10可知，在強制輸彈行程時間段內，不同射角下彈丸頭部相對于y和z軸的位移偏移量沒有出現顯著的變化，即彈丸頭部沒有出現過大的上下左右擺動的現象，這說明輸彈(藥)機工作時彈丸的姿態是穩定的，對彈丸進入炮膛穩定卡膛是有積極的意義的。彈丸出現明顯的擺動現象出現在慣性輸彈行程時間段，這是因為彈丸脫離輸彈(藥)板后進入炮尾和身管，與其產出了一定的碰撞所導致的。

由圖11可知，在不同射角下，強制輸彈行程內輸彈(藥)板和彈丸的速度都是在沒有明顯的波動情況下逐漸增加的，在強制輸彈結束時刻，根據仿真結果得出彈丸脫離輸彈(藥)板時速度均達到了vq，仿真數值與理論計算數值較為一致，當彈丸脫離輸彈板后進入慣性輸彈行程階段，此時彈丸通過炮尾進入身管坡膛內，由仿真結果看出此時的彈丸速度均達到了vk。在慣性輸彈行程末段，彈丸速度由vk迅速降低為零，說明此時彈丸卡膛到位，驗證了結構設計的合理性。

4 供輸彈裝置時序研究

供輸彈裝置工作過程為彈藥鼓機構轉動、推彈藥機構推彈藥、擺臂機構擺彈藥、輸彈(藥)機輸送彈藥組成，每一個動作都需要一定時間，如果采用并行時序設計，減小循環時間便可以大大縮減整個裝置所用時間，提高供輸彈速率。

采用并行時序設計必須使各機構動作連續、協調一致。進行時序分析時，采用人工繪時序圖進行分析的方法效率低，耗時耗力。為了實現供輸彈裝置時序動態管理，本設計應用Matlab/Stateflow對裝置的時序邏輯進行建模，通過分析生成的時序邏輯曲線反復調整時間常量，最終確定供輸彈裝置的時序。

由圖12可知，裝置開始運行時，先進行推彈藥正行程，推彈藥到位后，立即逆行程返回，當返回到A點時刻，觸發擺彈，擺彈臂開始擺彈正行程而推彈藥繼續返回;在E時刻，推彈藥返回到位，立即觸發轉彈藥，轉彈藥運行;擺彈臂在B時刻擺彈到位，觸發輸彈機輸彈并逆行程返回;擺彈臂逆行程返回到C時刻觸發擺藥臂擺藥;D時刻擺藥到位，觸發輸藥機輸藥并逆行程返回;擺藥臂在F時刻返回到位，觸發推彈藥正行程，第二發彈藥開始。

供輸彈裝置輸送一發彈藥響應時間為

式中:t為一發彈藥響應時間;Tt為推彈藥時間;Tbd為擺彈臂擺彈時間;Tsd為輸彈板伸出和收回時間;Tby為擺藥臂擺藥時間;Tsy為輸藥板伸出和收回時間;Δt為擺藥臂開始擺藥與擺彈臂開始逆行程返回所在時間點之差。

圖12 供輸彈裝置時序邏輯曲線

5 結論

通過對供輸彈裝置的結構設計和虛擬樣機仿真，得出其相應的動力學特性均能滿足設計要求，驗證了彈藥鼓同時供彈藥，單線推彈藥，雙向間歇擺彈藥，輸彈(藥)機輸送彈藥機理是可行的。本方案中各機構具有結構緊湊，適裝性好，采用編碼器對交流伺服調速電機進行控制，精度較高，供彈速率較高等優點，供輸彈裝置可以方便地與車載火炮對接，對提高車載火炮射速具有重要意義，為車載火炮供輸彈裝置的發展提供了一種新的設計思路。

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(責任編輯周江川)