某開式彈鏈脫彈過程仿真分析及試驗研究*

李 強，韓曉明，黃 嵐，陳 雷，蔡 濤

(1 中北大學機電工程學院，太原 030051；2 中國船舶重工集團公司第713研究所，鄭州 450015)

0 引言

彈鏈式供彈方式在某些中小型口徑的火炮中仍然占有一席之地，對于火炮系統而言，其供輸彈系統是火炮的關鍵子系統之一，其可靠性的高低直接影響著火炮的射速、火力、防護、機動等性能指標[1]。所以對于采用彈鏈供彈方式的自動機，從撥彈到脫鏈整個過程，彈鏈的運動狀態和受力變形直接影響著整個自動機的運動狀態，這使得分析彈鏈的運動狀態和受力變形顯得更加必要。此外，供輸彈機構是火炮能夠完成連續射擊的重要保障，彈鏈的傳送和定位精度在一定程度上影響著火炮的發射精度，在進行動力分析時，考慮彈鏈的柔性，可使動力學仿真更加接近實際情況，以獲得更加準確的仿真結果[2-3]。

文中以某金屬開式彈鏈為研究對象，進行了剛柔耦合動力學分析，應用Ansys Work-bench軟件對彈鏈脫彈過程進行了有限元瞬態分析，得出了彈鏈脫彈過程應力和變形量的變化規律，最后再用試驗加以驗證。

1 供輸彈機構工作原理

某火炮供彈機構應用了直動式凸輪機構和凸輪杠桿組合撥彈機構，直動式凸輪機構在外部能源的帶動下作直線運動，從而帶動凸輪杠桿組合撥彈機構運動。采用撥彈滑板式撥彈方式，為了可靠地將炮彈撥到進彈口，撥彈滑板的行程應該較大于彈鏈節距。

如圖1所示，機構供彈時，轉筒在外能源的驅動下旋轉，帶動曲線槽做直線運動，使曲臂下滑板也做直線運動，從而帶動撥彈滑板做往復運動，通過撥彈齒卡住彈鏈將炮彈撥到壓彈位置，隨后轉筒前端加工的凸輪帶動頂桿上下運動，固定在頂桿上的滑塊便帶動壓彈回轉杠桿運動，連接壓彈齒向下壓彈，將炮彈剝離彈節，壓到指定位置后，撥彈滑板再次往返運動，使撥彈齒越過下一發炮彈的鏈節，準備再次撥彈。

1-壓彈控制滑板 2-回轉杠桿 3-回轉杠桿轉軸孔 4-豎直運動右滑塊 5-轉筒控制凸輪 6-豎直運動左滑塊 7-頂桿 8-轉筒 9-曲線槽滑板 10-曲線槽 11-曲臂下滑板 12-曲臂 13-曲臂上滑板 14-上連桿 15-撥彈滑板 16-撥彈齒 17-彈鏈 18-排鏈桿 19-模型彈 20-進彈托板 21-壓彈齒 22-上固定板 23-下連桿圖1 彈鏈供彈機構簡化模型

2 彈鏈剛柔耦合動力學分析

2.1 剛柔耦合模型的建立

根據彈鏈式供彈機構的工作原理，在基本假設的條件下，建立彈鏈式供彈機構UG模型，導入ADAMS中進行動力學仿真[4]。然后添加約束及驅動力或力矩。基本運動過程是：驅動滾筒轉動，滾筒的曲線槽驅動曲線槽滑板沿機匣導槽方向做直線運動，從而驅動曲臂下滑板在機匣蓋導槽的限制下做垂直于滾筒中心軸線方向的運動，曲臂下滑板帶動曲臂做回轉運動，曲臂回轉帶動撥彈滑板撥彈；撥彈到位后，凸輪開始驅動頂桿和滑塊沿機匣豎直方向的導槽做直線運動，此時與滑板固連的銷軸就帶動回轉杠桿回轉，回轉杠桿帶動壓彈滑板做豎直方向直線運動，壓彈脫鏈過程彈鏈在脫鏈桿上端，彈在脫鏈桿下端，當彈和彈鏈撥彈到位時，壓彈齒正好卡在彈和彈鏈之間，壓彈滑板向下運動，帶動壓彈齒完成壓彈脫鏈。仿真模型如圖2所示。

對于彈鏈脫彈來說，其脫彈阻力主要來自彈鏈的抱彈力，故需對彈鏈進行柔性化處理。柔性體彈鏈通過以下步驟導入：對結構進行網格劃分，通過有限元軟件進行模態分析計算并得到mnf模態中性文件，再通過ADAMS/Flex模塊導入。由于彈鏈的結構不規則，為了提高網格質量，對彈鏈模型進行了優化修改。然后利用ANSYS軟件進行精確的網格劃分，網格類型為solid185。圖3為網格劃分后的彈鏈模型。設置單元類型、材料屬性等參數后，開始建立剛性區域。最后通過ADAMS/Flex導入ADAMS/View中，進行剛柔耦合動力學仿真[2]。

圖2 動力學仿真模型

圖3 彈鏈有限元網格劃分模型

2.2 仿真參數設置

根據機構的布置形式，仿真開始前首先確定考察結構的起始位置，設定機構在低射頻和高射頻下各仿真兩個周期，第一個周期機構在空載的情況下運動，第二個周期機構帶負載運動。為了對彈鏈的變形情況進行對比分析，對動力學模型加載兩次不同的載荷條件，如表1所示。

表1 仿真加載數據

2.3 仿真結果分析

使用ADAMS/PostProcessor觀察仿真結果，提取低射頻下壓彈齒的速度變化規律如圖4所示。仿真進行兩個周期，第一個周期(0

使用ADAMS/PostProcessor觀察仿真結果，提取高射頻下壓彈齒的速度變化規律如圖5所示。第一個周期(0

圖4 低射頻下壓彈齒速度

圖5 高射頻下壓彈齒速度

3 壓彈脫鏈瞬態分析

3.1 彈鏈的應力分析

將壓彈齒、彈鏈、模擬彈一同導入到Workbench中進行壓彈脫鏈強度分析，根據剛柔耦合動力學分析結果，提取對應時刻壓彈齒的速度曲線并加載在瞬態分析中的壓彈齒上，分析彈鏈的變形和應力應變變化情況，彈鏈的材料通常選用50AZ鋼帶，其物理力學性能參數[5]如表2所示。

表2 50AZ材料基本參數

另外已知低射頻下壓彈齒進行壓彈脫鏈動作的時間段為1.0～1.26 s之間，高射頻下壓彈齒進行壓彈脫鏈動作的時間段為0.2～0.25 s之間，根據動力學仿真的結果，分別提取高、低射頻下對應時間段的壓彈齒速度曲線，如圖6所示，圖示中縱坐標的負號代表速度方向向下，可以看出高射頻下的壓彈齒速度明顯較高，低射頻下的壓彈齒速度較低。

圖6 壓彈齒速度加載曲線

設置好邊界條件以后，開始進行壓彈脫鏈瞬態強度分析，分別得到兩種射頻下的彈鏈應力云圖，如圖7所示，計算結果顯示，低速下的彈鏈最大應力值為519.45 MPa，高速下的彈鏈最大應力值為517.01 MPa，相差不大。提取二者的應力值變化曲線可以明顯看出彈鏈上應力值的變化特點，如圖8(a)和圖8(b)所示，彈鏈的應力值都呈現先增大后減小的趨勢，但是在彈鏈完成壓彈脫鏈瞬間，彈鏈的抱彈爪發生持續振動，從而引起了彈鏈應力值的波動，對比兩條應力值變化曲線可以看出，高速脫鏈后的彈鏈應力幅值明顯大于低速下的應力幅值。

圖7 彈鏈應力云圖

圖8 彈鏈應力值變化曲線

根據以上應力分析結果，可以看出彈鏈在脫彈完成以后，彈鏈上的應力值并沒有降為零，而是持續在250 MPa左右波動，而且脫彈速度越快，彈鏈的應力值波動也越大。

3.2 彈鏈的變形分析

壓彈脫鏈完成以后彈鏈的應力云圖如圖9所示，模型彈脫離以后彈鏈在自身剛度的作用下復位，但是通過云圖可以看出彈鏈抱彈爪的頸部卻依然存在很大的應力，結合圖8的應力值曲線可知，彈鏈脫彈以后抱彈爪頸部殘留的應力值約為250 MPa，此處已經發生了彈性變形。

圖9 彈鏈殘留應力云圖

提取瞬態強度分析的彈鏈變形量變化曲線，如圖10所示，壓彈脫鏈過程中彈鏈的最大變形量約為：低速6.85 mm，高速6.87 mm。由曲線可知彈鏈的變形量先增大后減少，最后維持在2.5 mm左右。雖然彈鏈存在一定的剛度，但是壓彈脫鏈使彈鏈發生了大彈性變形，這就表明該彈鏈是具有一定的使用壽命的。

圖10 彈鏈變形量曲線

4 實驗驗證及分析

4.1 試驗測試方案

為了驗證該開式彈鏈的脫彈過程中仿真得到的應力變化是否符合實際情況，現使用如圖11(a)所示的應力試驗測試儀器來測量彈鏈在低速和高速情況下的應力變化規律，圖11(b)為應變片在彈鏈上的粘貼位置。測試的過程即先將應變片安裝在彈鏈上，然后通過導線連接到存儲儀上，將模擬彈壓入彈鏈中，送入到自動機壓彈位置后，再啟動儀器開始采樣，最后完成壓彈脫鏈動作，記錄下應力的變化曲線。

圖11 試驗測試圖

4.2 實驗結果分析

當自動機轉速為60 r/min和300 r/min時，采集到的應力變化曲線如圖12所示。

由圖12分析可知，彈鏈的最大應力主要集中在夾彈片的中間位置。而且在模擬彈裝入彈鏈之前，首先進行零點校準，模擬彈裝入彈鏈后，彈鏈中就已經存在應力了，產生了一定的變形量，故試驗得到的曲線一開始就有180 MPa左右的應力。壓彈脫鏈過程中，測試所得的彈鏈最大應力約為530 MPa，該值與仿真結果中得到的相差不大，而且整個過程的規律也基本吻合，所以仿真得到的彈鏈脫彈過程是可靠的。不過由于仿真時無法知道彈鏈中一開始時的應力值，故默認彈鏈初始時是無應力應變的，且壓彈結束后，認為彈鏈是處于張開狀態的，所以仿真曲線后端存在大約200 MPa的應力，實則是對應測試試驗中一開始存在的應力值。故總的來說仿真與試驗得到的最大應力值和壓彈脫鏈過程中的變化規律基本上是一致的，不過仿真時未能考慮到實際彈鏈的張緊情況，這為今后該類型彈鏈的理論計算研究提供一種前提考慮條件和思路。

圖12 在不同轉速下的應力變化曲線

5 小結

文中通過ADAMS剛柔耦合動力學分析得到了壓彈齒的速度曲線，并利用Workbench軟件對壓彈脫鏈過程進行了瞬態強度分析，分析結果表明，對于首次使用的金屬開式彈鏈，在完成脫彈的過程中存在彈性變形。最后又通過試驗測試，得到了該彈鏈的脫彈過程應力變化規律。對比結果分析可知，該型金屬開式彈鏈伸縮性良好，可應用于實際運用中。文中對彈鏈的分析所使用的研究手段和方法為其他金屬開式彈鏈的分析提供了途徑，也為金屬開式彈鏈結構的優化設計提供了參考依據，對提高金屬開式彈鏈的使用壽命研究具有一定的意義。