火炮補彈機構(gòu)轉(zhuǎn)彈器的設(shè)計與研究

裴暢貴 ，李太陽 ，張廣輝 ，陶振習(xí) ，郭張霞

（1.中北大學(xué)，太原 030051；2.北京理工大學(xué)，北京 100081；3.重慶長安工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 401120）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)突飛猛進的今天，各國國防對于火炮全自動化的研究投入不斷增加。無人火炮的概念研究也越來越受到重視，因而，作為火炮無人化的一項關(guān)鍵技術(shù)，彈藥自動補給的研究至關(guān)重要。結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者們的研究經(jīng)驗以及國外的研究成果，筆者提出了一種新型的轉(zhuǎn)彈器，其主要作用是快速準(zhǔn)確地將輸彈機運送過來的彈丸進行翻轉(zhuǎn)［1］，之后再將彈丸推送到火炮內(nèi)的雙層自動化彈倉中，由于在對上層彈倉補彈的同時，完成轉(zhuǎn)彈器內(nèi)彈丸的裝填，充分利用了推送彈丸入倉的時間，從而實現(xiàn)雙層彈倉快速補彈，在一定程度上提高了補彈效率，具有較好的理論意義和參考價值。

1 轉(zhuǎn)彈器

轉(zhuǎn)彈器的基本組成部分有彈筒、推彈器、電機等。其與底座的連接方式為限位轉(zhuǎn)動，即通過齒輪和底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計配合，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彈筒在特定范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)彈器總體結(jié)構(gòu)圖

2 轉(zhuǎn)彈器工作過程

轉(zhuǎn)彈器的完整流程由4個步驟組成:首先轉(zhuǎn)彈筒1位于中間位置時，接收輸彈機輸送過來的彈丸，之后轉(zhuǎn)彈筒順時針轉(zhuǎn)動90°，使轉(zhuǎn)彈筒1與上層自動彈倉的輸彈中心線對齊；此時，推彈器1工作，將轉(zhuǎn)彈筒1中的彈丸推入自動化彈倉中，與此同時，輸彈機將第2發(fā)彈丸強制位移，進入轉(zhuǎn)彈筒2中；之后，通過齒輪控制，在逆時針方向上，轉(zhuǎn)彈筒轉(zhuǎn)動π/2，使轉(zhuǎn)彈筒2與相應(yīng)的自動彈倉儲彈筒的形心重合。此時，推彈器2的推彈鏈頭工作，將彈丸強制位移，使其進入彈倉。在該時間行程內(nèi)，輸彈機將第3發(fā)彈丸送入轉(zhuǎn)彈筒1內(nèi)，一個工作循環(huán)完成。轉(zhuǎn)彈器整個工作循環(huán)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)彈器工作循環(huán)圖

3 動力學(xué)仿真

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，無人火炮轉(zhuǎn)彈器的實際工作條件與理想條件相差甚遠，因此，轉(zhuǎn)彈器的實際性能與設(shè)計性能是否匹配十分重要，并且對于能否實現(xiàn)彈丸的運送起決定性作用。故在文中對轉(zhuǎn)彈器進行動力學(xué)分析是十分有必要的。通過分析，可以知曉其功能，并對其設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否能達到要求進行驗證。

3.1 建立模型

文中假設(shè)各個零部件全部不考慮尺寸誤差以及其公差，以此來簡化模型，更直觀地了解模型的運動特性，建立虛擬樣機時的幾點說明:

3.1.1 齒輪

在該機構(gòu)中，齒輪作為能量傳送的主要構(gòu)件，作用重大。模擬時，采用添加齒輪副的方式進行。

標(biāo)準(zhǔn)齒輪副中包含兩個運動副、一個方向坐標(biāo)。通過兩個運動副的不同組合（例如，旋轉(zhuǎn)副、滑移副和圓柱副），能夠模擬直齒齒輪、行星齒輪、蝸輪蝸桿、齒輪齒條、斜齒輪、錐齒輪等各種不同的傳動形式。本文中涉及到的齒輪運動副都是旋轉(zhuǎn)副，模擬直齒齒輪的傳動形式。除此之外，還需要規(guī)定一個齒輪的載體，即共同件。通常是和地面固連的構(gòu)件（如箱體等結(jié)構(gòu)），本文的共同件是箱體。

3.1.2 輔助部件的模擬設(shè)置

在推彈鏈頭和彈底、彈丸側(cè)面和彈倉內(nèi)壁、轉(zhuǎn)彈筒外側(cè)和固定底座之間都設(shè)置為面接觸。在轉(zhuǎn)彈器旋轉(zhuǎn)軸位置設(shè)置旋轉(zhuǎn)副。

通過約束設(shè)置，得到轉(zhuǎn)彈器虛擬樣機，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)彈器動力學(xué)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 轉(zhuǎn)彈器翻轉(zhuǎn)流程的仿真

通過分析下頁圖4可以得知，0～0.1 s之間，電機加速運行；0.1 s～0.4 s時，電機勻速運行。在該時間行程內(nèi)，大齒輪以恒定角速度轉(zhuǎn)動，其速度為225 d/s。在之后的 0.4 s～0.5 s之內(nèi)，電機減速運行。通過對速度曲線的分析，可以判斷出模擬電機的運轉(zhuǎn)與設(shè)計基本吻合。

圖4 大小齒輪角速度曲線

如圖5所示，在轉(zhuǎn)彈器轉(zhuǎn)動過程中，彈丸隨轉(zhuǎn)彈筒一起做圓周運動。

圖5 轉(zhuǎn)動過程中彈丸質(zhì)心在各個軸上速度曲線

由于在虛擬樣機設(shè)置時，彈丸與轉(zhuǎn)彈筒之間有微小的間隙，在轉(zhuǎn)彈筒剛開始運動時，彈丸會在重力作用下沿Y方向瞬間掉落，故圖中彈丸在Y軸方向剛開始會有向下的速度。當(dāng)彈丸與轉(zhuǎn)彈筒正常接觸后，其在X和Y軸方向上的速度符合圓周運動的規(guī)律，與設(shè)計的運動規(guī)律相符。從圖中可以看出彈丸在Z軸方向上也存在微小的速度，這是由于彈丸在翻轉(zhuǎn)的過程中，存在微小震動，故在Z軸方向上有微小的速度，符合實際情況，也不影響轉(zhuǎn)彈器的正常工作。

圖6 轉(zhuǎn)動過程中彈丸在各個軸上的位移曲線

如圖6所示，經(jīng)過0.5 s，彈丸在X和Y軸方向上的位移距離都為150 mm，表明轉(zhuǎn)彈器能夠?qū)椡铚?zhǔn)確地運送到指定位置。同時，在圖中也能發(fā)現(xiàn)彈丸在Z軸方向上有大約3 mm的位移，這是由于在翻轉(zhuǎn)過程中彈丸震動所造成的，屬于微小的誤差，可以接受，并不影響轉(zhuǎn)彈器的正常工作［2］。

在實際輸送過程中，彈丸外側(cè)會與筒壁產(chǎn)生持續(xù)的微小碰撞，通過定量分析，其產(chǎn)生的最大接觸力為3 846 N，可以將其作為后續(xù)強度校核的一個重要依據(jù)。

3.2.2 鏈頭強制位移彈丸動作的仿真分析

圖7 推彈過程中彈丸和鏈頭的速度曲線及其碰撞力曲線

在動作過程中，彈丸在轉(zhuǎn)彈筒的作用下，進行指定程序的姿態(tài)改變，之后推彈鏈頭將彈丸強制位移，進入自動化彈倉。在圖7曲線中，可以發(fā)現(xiàn)，其上有間斷和跳躍出現(xiàn)。其所對應(yīng)的實際情況為彈丸和推彈鏈頭之間持續(xù)不斷的接觸和分離，引起這種情況的主要原因是由于鏈頭對彈丸有沖量的作用，在接觸瞬間，彈丸底部與鏈頭之間會有比較大的碰撞力，因此，會賦予彈丸很大的加速度，使彈丸速度短時間內(nèi)迅速提升，從而與鏈頭分離。分離后，在摩擦力以及筒壁的碰撞作用下，其速度和相對鏈頭的距離逐漸減小。彈丸與鏈頭之間這種不斷接觸和分離的情況會嚴(yán)重影響彈丸的準(zhǔn)確輸送與推彈器鏈條的使用壽命［3］。

圖8 彈丸及鏈頭的位移曲線

對圖8中的曲線進行分析，在彈丸的一個強制位移行程中，其位移為532 mm，與我們的設(shè)計數(shù)據(jù)相比，其誤差很小，可以接受。

4 有限元分析

在彈丸姿態(tài)位置改變的整個過程中，由于重力和各種沖量載荷的存在，彈丸與筒壁之間不可避免地會產(chǎn)生各種有害碰撞，這種碰撞對于整個結(jié)構(gòu)來說是十分有害的。因此，采用有限元軟件對撥彈片進行受力分析［4］。

4.1 模型的導(dǎo)入

文中采用ANSYS WOEKBENCH有限元軟件進行分析，將在PROE中建立的轉(zhuǎn)彈筒的三維模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中，然后進行材料屬性設(shè)置，轉(zhuǎn)彈筒的材料為40 Cr，密度為7 850 kg/m^3，彈性模量為2.1E11，泊松比為 0.28。

4.2 靜力學(xué)分析

對模型進行邊界條件設(shè)置，施加載荷，之后進行分析。其應(yīng)力和總變形云圖如圖9、圖10所示。

圖9 轉(zhuǎn)彈器應(yīng)力云圖

圖10 轉(zhuǎn)彈器總體變形云圖

從圖9可以看出，轉(zhuǎn)彈筒在翻轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在轉(zhuǎn)彈筒內(nèi)部偏上部位，最大應(yīng)力值為105 MPa，這主要是因為在轉(zhuǎn)彈筒翻轉(zhuǎn)過程中，由于彈丸震動，彈帶與此處接觸碰撞所造成的。由圖10變形云圖可以看出，位移較大的區(qū)域出現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸附近，最大變形在彈筒壁上端為0.28 mm。在實際設(shè)計中所選材料為40 Cr，其強度極限為785 MPa。結(jié)合計算結(jié)果，得知該強度可以滿足設(shè)計要求。在之后的工作中，可以根據(jù)靜力學(xué)的分析結(jié)果進行下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以減輕其重量和轉(zhuǎn)動慣量，使其結(jié)構(gòu)更加合理優(yōu)化［5-7］。

5 結(jié)論

1）該轉(zhuǎn)彈器是利用齒輪帶動轉(zhuǎn)彈筒的方式進行彈丸翻轉(zhuǎn)的，具有結(jié)構(gòu)簡單和輸送效率高的優(yōu)點。

2）通過動力學(xué)仿真分析，可以得到轉(zhuǎn)彈筒與彈丸、推彈鏈頭與彈丸的接觸力。通過使用ANSYS軟件進行有限元分析可以得到轉(zhuǎn)彈筒的應(yīng)力、位移和總變形量的云圖，計算結(jié)果表明應(yīng)力及位移滿足設(shè)計要求。通過對所設(shè)計轉(zhuǎn)彈器的模擬研究，表明其整體工作過程可靠、穩(wěn)定，能夠完成其設(shè)計指標(biāo)，提高補彈效率，為轉(zhuǎn)彈器優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。由于文中僅對轉(zhuǎn)彈器進行了理論設(shè)計與模擬研究，缺乏試驗驗證的支撐，因此，下一步將會進行實物加工與驗證方面的工作。