一種自動供彈機的運動設計與仿真研究

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(1.軍械工程學院, 河北 石家莊　050003; 2.軍械技術研究所, 河北 石家莊　050003)

引言

隨著大口徑火炮自動裝填系統(tǒng)不斷裝備世界各國炮兵，供彈機能否快速、高效、持久的為火炮提供彈藥，已經成為決定戰(zhàn)爭勝負的關鍵。目前世界各國列裝的供彈機在設計上采用了不同的風格和模式，大部分供彈機已經實現了全自動快速可靠的彈藥裝填目標，并且取得了較好的效果；而我國目前較為先進的自動供彈機還是采用自動裝彈，半自動裝藥的方式進行彈藥的裝填，這種裝填方式在未來戰(zhàn)場上對于自行火炮武器系統(tǒng)效能的發(fā)揮具有一定的局限性，很難對具備較高彈藥自動裝填水平的敵方炮兵構成壓倒性優(yōu)勢[1-5]。因此，研究一種更為快速可靠的自動供彈機對于我軍未來在戰(zhàn)場上能夠充分掌握火力主動權具有十分重要的意義。立足這一現狀，提出一種能夠對彈藥進行全自動裝填的自動供彈機的設計方案，并根據方案對供彈機進行建模和仿真分析，通過分析得出該供彈機比現役各類供彈機具有更快的彈藥裝填速度和更多樣的彈藥裝填功能。

1　設計方案及工作原理

通過分析某自行火炮炮塔的空間大小及彈丸和藥筒的結構尺寸[6-8]可知，該自行火炮射擊所采用彈丸質量選取范圍在27～29 kg之間，可以確定設計方案中彈丸整裝后的最大長度為1342.7 mm，整裝彈的最大直徑為87.8 mm。彈藥裝填時采用“箱”式裝填模式，其中各部件的具體結構尺寸如表1所示。

根據設計參數可以得出自動供彈機的結構簡圖如圖1所示，該自動供彈機由左側的16個4×4自動化彈倉， 右側的16個4×4自動化藥倉組成。 其基本的工作原理是：每個自動化彈倉和藥倉的底端都有一個自動開門裝置， 該裝置由左右兩塊擋彈板和閉鎖裝置構成一種“門”式結構，當托彈盤置于開門裝置正下方時，感應傳感器將信號傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令。

表1　自動供彈機設計參數

圖1　自動供彈機后視結構簡圖

在控制指令的作用下，彈倉和藥倉相應的開門裝置的閉鎖機構打開左右擋彈板，彈丸或藥筒在兩扇擋彈板的作用下逐漸下落直至放置于托彈盤上，再由托彈盤將彈藥運送至待裝填位置，這一基本過程如圖2所示。

圖2　供彈機供彈過程圖

在位于最下方一層的彈藥裝填完畢以后，每一列彈藥對應的上一層彈丸或藥筒依次以相同的方式放入下一個彈藥倉，這一過程的動作可由圖3、圖4表示。為了更好地說明設計方案的工作原理，圖3、圖4模擬的是假設所有開門裝置都打開的情況下系統(tǒng)動作過程圖，在現實情況下并不存在。圖5則表示將Pro/E中的三維模型充分簡化后導入RecurDyn軟件中得出的供彈機的整體簡化模型。

2　基本性能要求及動力學分析

結合現階段戰(zhàn)場環(huán)境對自動供彈機的基本性能要求[9，10]以及所要達到的優(yōu)化目標確定該供彈機的基本指標，其中，持續(xù)供彈速度需達到15發(fā)/min，每發(fā)供彈時間為1.5 s，可以安裝四種型號的彈藥，這樣設計可以使得持續(xù)供彈速度比目前國內外已列裝的先進供彈裝置快出近5發(fā)/min，可安裝多種型號的彈藥也是現役該類系統(tǒng)還未能實現的。

圖3　供彈動作過程圖

圖4　供彈動作過程側視圖

圖5　供彈機簡化模型

根據設計原理可得出供彈機供彈階段彈丸或藥筒的受力分析圖如圖6所示，F1、F2為左右擋彈板對彈丸的支持力，f1、f2為彈丸運動過程中所受到的擋彈板的摩擦力，F0為空氣阻力，在這里可以近似于零， 忽略不計，G1為彈丸的重力。假設擋彈板與水平方向的夾角為θ，彈丸加速度為a，則對于質量為m的彈丸有：

G-(F1+f1)cosθ-(F2+f2)sinθ=ma

圖6　供彈過程彈丸受力分析圖

根據設計方案中確定的彈丸尺寸及質量并結合相應的理論計算可以得出以下結論：彈丸位移變化范圍需控制在在50～190 mm之間，彈丸與托彈盤之間瞬間最大接觸力不大于7410 N，平衡接觸力不大于750 N。

3　仿真分析

由于供彈機供彈過程中包含兩個重要動作，一是最下方的彈藥落入托彈盤中；二是上層的彈藥落入下層的彈藥倉中，所以在給出設計方案相關參數以后，需要分別對這兩個動作進行仿真分析以確定方案設計的合理性及可行性。

3.1　設計參數確定

由于仿真分析結果需要與設計方案的預期參數進行比對方能證明方案是否合理，因此在進行仿真分析前，先給出設計方案所要求的供彈機各重要部件工作參數取值范圍如表2所示。

表2　自動供彈機設計方案相關參數

3.2　彈藥落盤動作仿真分析

確定設計方案的相關參數以后，將彈藥落盤動作過程的簡化模型[13，14]導入RecurDyn軟件中建立虛擬樣機模型如圖7所示。

對模型進行動力學仿真分析，結果如圖8所示，該圖表示彈丸的位移變化情況，從圖中可以看出，前0.6 s 內彈丸處于裝彈的主要階段，速度、加速度變化較快，位移從495 mm變化至350 mm后處于平衡狀態(tài)，變化幅值為145 mm，小于最下方彈藥與托彈板的距離150 mm，符合要求。

圖7　供彈動作虛擬樣機模型

圖8　彈丸位移變化曲線

圖9為右擋彈板的位移變化情況，其位移變化范圍在456.000～503.000 mm，變化幅值47 mm， 小于該方案設計范圍80 mm。

圖9　右擋彈板位移變化曲線

圖10及圖11為右擋彈板的速度及加速度變化情況，從圖中可以看出，在左右擋板夾持著彈丸或藥筒緩緩降落時，擋板速度不斷減小，在彈丸放置到位以后，擋板開始加速運動再減速運動直至兩擋板閉合，中間經歷時間約為0.9 s，擋板閉合后，系統(tǒng)確認彈丸已經完全放置于托彈板之上，位于托彈盤前后位置的兩個卡彈槽閉合將彈丸夾緊固定，所需時間約為0.6 s，到此，供彈動作全部完成，彈丸供彈總共用時1.5 s，這符合所設計的裝彈時間要求。

圖10　右擋彈板速度變化曲線

圖11　右擋彈板加速度變化曲線

圖12表示彈丸與托彈盤接觸力變化情況，從設計及計算值可以看出，彈丸落盤時，彈丸與托彈盤之間瞬間最大接觸力不大于7410 N，平衡接觸力不大于750 N，圖中最大接觸力約為7300 N，平衡狀態(tài)在0.8～2.8 s，作用力基本保持在600 N左右，符合設計要求。

圖12　彈丸與托彈盤接觸力變化曲線

從圖13中可以看出彈丸與擋彈板作用力變化情況，最大值為790 N，當彈丸被完全釋放以后，接觸力變?yōu)?。圖14和圖15分別表示彈丸放入托彈盤以后，彈丸與前后卡彈槽作用力變化曲線，圖中分別出現三個較為明顯的波峰：第一個波峰是彈丸與托彈盤接觸瞬間產生的，發(fā)生在0.5 s左右，此時受力最大；第二個波峰是緩沖階段由于彈丸慣性導致的，設計要求其最大值不超過500 N，圖中數值大約處于400～450 N之間；第三個波峰是彈丸固定階段推彈器對彈丸的作用力，大約為120 N，這個力遠小于卡彈槽對彈丸的固定力，不可能使彈丸發(fā)生明顯運動，符合實際要求。

圖13　彈丸與擋彈板作用力變化曲線

圖14　彈丸與前卡彈槽作用力曲線

圖15　彈丸與后卡彈槽作用力曲線

3.3　上層彈藥落入下層彈藥倉動作仿真分析

建立上層彈藥落入下層彈藥倉時的虛擬樣機模型[15]如圖16所示，對模型進行仿真分析得出彈丸速度及位移曲線如圖17、圖18所示。從曲線中可以看出，彈丸從上層落入下層用時約0.3 s時間，位移從500 mm變至380 mm,變化幅值為120 mm，大于彈藥整裝直徑87.8 mm，速度在1.2 s時達到穩(wěn)定值，不會影響下一步動作的進行，仿真結果均滿足設計要求。

綜上所述，仿真分析結果均能達到設計參數及性能指標的相關要求，證明所設計的方案是正確可行的。

圖16　上層彈丸落入下層虛擬樣機模型

圖17　彈丸位移變化曲線

圖18　彈丸速度變化曲線

4　結論

(1) 提出了一種“箱”式自動供彈機的設計方案，并通過仿真分析證明了方案的合理性；該供彈機具備能夠同時容納四種不同類型的彈藥并且能夠實現上層彈藥至下層彈藥逐層遞推式裝填的獨特功能，在彈藥的存儲和裝填結構設計方面是一種全新的嘗試；

(2) 與現役較為先進的自動供彈機相比，所設計的“箱”式自動供彈機能夠將平均供彈速度提高大約5發(fā)/min， 能夠較大程度的提高供彈速度從而大幅提高自行火炮的射速；

(3) 從彈藥的裝填動作來看，供彈機各彈藥裝填子模塊相互獨立，互不干擾，與傳統(tǒng)的鏈式回轉彈倉比較，該供彈機在選彈和供彈時具有更好的穩(wěn)定性；

(4) 可同時容納四種類型的彈藥這一重要功能讓自行火炮在面臨復雜的戰(zhàn)場環(huán)境時，彈藥選擇更加靈活和多樣化，對于提高自行火炮的作戰(zhàn)能力和生存能力具有重大意義。

參考文獻：

[1]侯保林，樵軍謀，劉琮敏.火炮自動裝填[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2010.

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

[3]鄭建興，張相炎.基于RecurDyn的同步帶彈箱動態(tài)特性仿真研究[J].火炮發(fā)射與控制學報，2010,(4)：75-78.

[4]Kirwan B, Gibson H, Kennedy R, et al. Nuclear Action Reliability Assessment (NARA) A Date-based HRA Tool[A]. Joint Meeting of the 7th International Conference on Probabilistic Safety Assessment and Management/European Safety and Reliability Conference[C]. Berlin, Germany: Springer-verlag London Ltdgodalming,2004:1206-1211.

[5]鄭建輝.某火炮自動裝填系統(tǒng)專用實驗裝置的功能結構分析[J].火炮發(fā)射與控制學報，2006,(4)：24-28.

[6]Evtim Zahariev.Relative Finite Element Coordinates in Multibody SystemSimulation[J].Multibody System Dynamics,2002,(7):51-77.

[7]WANG S X,HE B Y,YUN J T. Study on the Mechanism-Action Reliability of Satellite Solar-Array[A].5th International Conference on Frontiers of Design and Manufacturing[C].Dalian,China:2002:529-532.

[8]Marcos Andrés, De Zaiacomo Gabriele, Penin Luis F. Simulation-Based Fault Analysis Methodology for Aerospace Vehicles[A]. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit[C]. Hawaii:2008:1-15.

[9]WAND W D, DAN D D. Reliability Quantification of Induction Motors-accelerated Degradation Testing Approach[A]. Proceedings Annual Reliability and Aintainability Symposium[C]. 2002:325-331.

[10]Likins P W.Finite Element Appendage Equations for Hybrid Coordinate Dynamicanalysis[J].Journal of Solid & Structures,1972,(8):709-731.

[11]劉義，徐愷，李濟順，韓翔.RecurDyn多體動力學仿真基礎應用與提高[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[12]王國強．虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M]．西安：西北工業(yè)大學出版社，2002．

[13]Ana Fernandez lIigo Bediaga Ainhoa Gaston.Evaluation Study on DetectionTechniques for Bearing Incipient Faults[A].EUROCON 2005[C].2009:1566-1569.

[14]D F Shi,W J Wang,L S Qu.Defect Detection for Bearings Using Envelope Spectra of Wavelet Transform[J].Journal of Vibration and Acoustics,2004,126(4):567-573.

[15]Nahvi H,M Esfahanian.Fault Identification in Rotating Machinery Using Artificialneural Networks[J].Journal of Mechanical Engineering Science,2005,219(2):141-158.