速射迫擊炮翻轉協調式新型供彈機設計

胡元濤,何 永,薛德宸,散天澤

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

1 引言

迫擊炮作為一種壓制性武器，獨特的彈道特性，使其在現代戰爭中依然發揮著巨大的作用[1]。近年來隨著自動控制、無人化戰爭等概念的快速發展和現代作戰方式的改變，火炮類武器向著小型化、無人化、智能化的方向快速發展。全自動化的速射迫擊炮也成為各國研究和裝備的方向。其中速射迫擊炮的自動供輸彈系統已成為現代化火炮實現全自動化必不可少的一部分。

李廣威等[2]設計了一種迫彈自動前裝機構，在滿足裝填速度的情況下，優化結構增加了止反機構，提高了供彈的穩定性，但依然需要人工介入，無法實現全自動化供彈。王揚[3]、羅露[4]研究了節片式柔性供彈機構，可實現彈艙不跟隨身管俯仰的任意射角供彈，為其他無鏈供彈的設計提供了參考，但僅適合中小口徑供彈，對中大口徑迫擊炮供彈較為困難。彭青[5]改進了供彈鏈輪齒廓，在改善嚙合沖擊和轉動速度平穩方面效果較為明顯，降低了供彈過程中的振動沖擊，提高了供彈穩定性。王月桐[6]設計了一種大口徑迫擊炮自動裝填系統的回轉彈艙，針對性地設計了前后限位器，對迫擊炮自動裝填系統的彈艙結構設計研究具有一定的指導意義。楊麗等[7]在線性加權模型的基礎上，提出一種靈敏度分析方法，研究了多個相關屬性值或其權重同時發生變動下的靈敏度問題，給出一種定量化計算方法，計算出保持原決策排序結果不變的屬性及屬性權重的靈敏度臨界值或穩定區間。計算結果可為供彈機優化設計提供參考。

本文中提出的供彈結構，在鏈式回轉彈倉自動供彈結構的基礎之上，將協調器與回轉彈艙的彈艙支架結合，可以實現設計要求角度內的任意射角的精確供彈，使得機構更加緊湊；且回轉彈艙艙體不隨身管俯仰，極大地降低了俯仰所需的力矩，提高了高低機的響應速度。為自動供輸彈機設計提供了一種新的思路[8-9]。針對速射迫擊炮的供輸彈系統的研究，對提高火炮自動化水平、推進小型化、無人化武器的設計和發展迫擊炮在未來戰爭中的作用有著重要的現實意義。

2 供彈機構方案設計

2.1 供彈機工作原理

為實現自動化供彈并提高供彈速度與可靠性，故采用雙排鏈回轉彈艙式結構[10-13]。其主要由回轉式載彈雙排鏈、輸彈角度協調裝置、彈艙位翻轉機構和阻轉卡鎖機構等組成。其中輸彈角度協調裝置安裝在入彈口，與彈艙位翻轉機構中的補償滾輪接觸，配合完成彈艙位的翻轉動作。翻轉的角度可以由輸彈角度協調裝置控制，角度協調桿移動的距離隨著射角的變化而變化，補償滾輪與角度協調桿之間用彈簧連接，從而確保供彈的角度的精確性。將供彈過程復雜的空間運動轉化為2個簡單的平面機構運動的組合，簡化結構且運行可靠。結構如圖1所示。

圖1 供彈機結構示意圖

其工作過程如下：電機帶動回轉彈艙配合火炮擊發后坐規律實現間歇旋轉供彈，在炮閂復進后坐過程中彈艙的回轉動作停止并鎖死，將彈艙限制在正確的位置上，同時電動缸開始收縮，并帶動輸彈角度協調裝置運動，將入彈口處的水平位置的彈艙位翻轉至與當前高低機角度一致的位置，補償滾輪和齒條之間通過彈簧連接，用于保證彈艙位翻轉到正確的位置，彈艙位的翻轉角度和角速度可以通過控制電動缸來調節，電動缸的運動規律與火炮后坐復進時間、身管俯仰角度等相關；彈艙位翻轉到正確的角度的同一時刻炮閂后坐到位，回轉彈艙開始運動一個彈位，在運動的過程中首先入彈口處的彈被搖架前部的擋塊卡住，使其固定在確定的角度，隨后電動缸快速復位，與下一發彈艙位的補償滾輪接觸，以保證供彈邏輯的正確性；同時出彈口處的空彈艙位與搖架前部的擋塊分離，在重力與扭簧力的共同作用下復原到水平位置，并瞬間被阻轉卡鎖卡住。依次循環往復，完成一套完整的供彈邏輯動作。

其供彈速度可以通過控制回轉彈艙主動電機的轉速進行調節，實現對供彈系統響應速度的控制[14-15]，可以在一定范圍內實現對射速的無級調控，以靈活適應多種戰況、不同作戰環境下的射擊使用要求。

2.2 主要機構設計

2.2.1彈艙位翻轉支架

彈艙位翻轉支架是翻轉協調機構的核心構件，其有3個主要作用：① 作為彈艙位翻轉中心；② 另一端與雙排鏈鏈節連接；③ 作為阻轉卡鎖機構的運動載體。

首先作為彈艙位翻轉中心，要滿足以下2個條件：① 翻轉中心軸必須與耳軸同軸，才可以實現任意射角時都可以將彈艙翻轉至與身管同軸線的位置；② 為了規避在高射角時彈艙位與載彈鏈發生干涉的情況，彈艙位翻轉支架上的翻轉中心要求偏離雙排鏈的中心位置。偏離位置與彈艙位的最大外形尺寸和彈艙位的回轉中心軸位置有關。

以彈艙位的最大外形尺寸為a×b×c的長方體計算；其回轉中心位置用d與e表示；耳軸位置用x與y表示；θ表示翻轉角度；如圖2所示。

圖2 彈艙位翻轉中心設計示意圖

其極限位置為彈艙位達到最大射角時，恰好與鏈外節相接觸。且x與y的取值要在合理的范圍內。計算過程略。最終優化后的數據如表1所示。

表1 彈艙位旋轉中心尺寸

2.2.2翻轉傳動機構

為保證彈艙翻轉的可靠性與穩定性，選擇傳動比準確的齒輪齒條機構作為傳動媒介。根據機構小型化的設計要求和空間位置限制，初步確定齒條行程為180 mm。考慮到加工的同軸度誤差、剛度因素與彈艙位橫向尺寸限制，故只使用一組齒輪齒條機構，布置在彈艙位翻轉支架一側，彈艙位最大橫向距離為100 mm。

由1.2.1節確定翻轉中心與雙排鏈上端距離y=90 mm，但為防止干涉彈艙位翻轉機構只能布置在雙排鏈上端的下方，將齒條設計為雙層，上方與1/4齒輪嚙合，下方與補償滾輪構建通過彈簧連接。并在下層設計預留阻轉卡鎖機構的定位孔，結構如圖3所示。

圖3 翻轉傳動機構設計示意圖

設計結果按照國標取近似優化，最終數據如表2所示。

表2 齒輪齒條設計參數

2.2.3彈艙位阻轉卡鎖

回轉雙排鏈運行的一個周期內，每個彈艙位75%的時間都需要保持水平狀態。因其自身回轉角速度不斷變化且其質心位置不與耳軸共線，故在其他未知沖擊振動的影響下會發生角度變化，需要阻轉卡鎖機構使其保持在水平位置。

機構主要由阻轉卡鎖連桿、阻轉卡塊和復位彈簧組成。正常狀態下阻轉卡塊在復位彈簧的作用下保持在初始位置，限制齒輪齒條機構運動，將彈艙位保持在水平位置上。到達工作位置時，阻轉卡鎖連桿與炮架上的凸塊接觸，迫使阻轉卡塊向后移動解除卡鎖狀態并壓縮復位彈簧；當供彈完畢，阻轉卡鎖連桿會被釋放，阻轉卡塊在復位彈簧的作用下瞬間復位鎖住齒條。依次不斷循環完成供彈動作。結構圖見圖1中剖視圖，工作原理如圖4所示。

圖4 阻轉卡鎖工作原理框圖

3 多體動力學模型建立

3.1 模型假設簡化

為保證供彈系統運動的可靠性，必須減小每一個彈艙位旋轉過程中對系統產生的振動影響。由于恢復水平位置的旋轉運動沒有額外動力源約束，自由下落回轉，會產生巨大沖擊，計算得其接觸載荷可在0.02 s內由0突變為1 095.83 N，產生沖擊和振動，不僅會加劇機構磨損，而且會對整個系統其他部件運動產生影響。故在分析整體系統運動的基礎上，基于以下合理假設建立動力學模型，分析其振動特性對系統的影響，以便后續優化：

1) 忽略材料形變，將整個供彈系統近似處理為多剛體系統；

2) 不考慮加工誤差對機構運行的影響；

3) 各機構在運行的過程中無磨損；

4) 在彈艙位恢復水平的過程中只考慮重力為其復位動力源，不考慮其他振動對其運動的影響。

3.2 接觸摩擦模型建立

整體結構由多個機械構件組合而成，添加運動副，設置摩擦和接觸參數是讓仿真更加真實的必要條件。當接觸由滑動摩擦變為靜摩擦時速度會突變為0，這會給求解造成困難，故引入了一個門檻角速度的概念，從而避免了這種情況，其摩擦因數是一個與速度有關的函數，其關系曲線如圖5所示。

μs-靜摩擦因數; μd-動摩擦因數; vt-絕對門檻速度

多剛體接觸問題是一個復雜的力學問題，接觸計算一般基于罰函數，將接觸碰撞設置為多個增量步，不斷檢測，多次計算出接觸力與摩擦力。在RecurDyn中基于改進的Hertz接觸理論計算接觸力，可表示為：

(1)

式中:k為接觸剛度系數；c為阻尼系數；δ為接觸穿透深度；m1、m2、m3分別為剛度指數、阻尼指數、凹痕指數(默認為0)。

進行動力學仿真時本文確定的參數如表3所示。

表3 接觸模型參數

為了便于計算與分析，建立一個彈艙位的簡化模型，如圖6所示。G為彈艙重力，MT為扭轉彈簧提供的反向力矩，L為彈艙質心與回轉中心之間的距離。

圖6 彈艙位簡化模型受力分析圖

其基本參數如表4所示，表中θ為彈艙位旋轉的最大角度范圍，t1為其從當前角度恢復水平位置的最長時間(炮閂復進后坐的全部時間)，要求其達到水平時，角速度為0。

表4 供彈艙基本參數

3.3 供彈系統拓撲結構分析

多體系統動力學分析軟件RecurDyn功能強大，與其他軟件采用的算法不同，獨創性的采用完全遞歸算法求解大規模和復雜接觸的多體系統動力學問題。利用三維CAD軟件設計供彈系統機械結構、確定結構尺寸數據并搭建精確模型。再導入多體動力學軟件RecurDyn環境中，建立詳細的動力學模型并仿真求解。

此供彈系統主要包括：炮架、載彈回轉雙排鏈、20個自適應翻轉彈艙位、翻轉協調裝置以及炮身共5個主要組成部分。并包含各總成內部與其相互的接觸摩擦、約束、運動副以及大規模和復雜接觸的多體系統動力學問題。

各結構連接方式的拓撲關系如圖7所示。

圖7 供彈系統主要總成連接的拓撲關系示意圖

4 仿真分析

4.1 仿真結果

根據2.3節的拓撲關系，在RecurDyn中建立動力學模型，進行仿真分析。為便于仿真，需要找到合適的主動電機驅動轉速，使得鏈振動幅度較小，且彈艙位翻轉過程總時間較短。經過多次仿真測試，了解到回轉彈艙運行過程中振動角速度幅值ω隨著彈艙位翻轉過程總時間t2的增加而逐漸降低，且其下降的速度是逐漸變小的。在0～1 s內每隔0.1 s取一個仿真點，提取出角速度幅值數值，利用三次樣條曲線對其進行插值，可得如圖8的ω-t2曲線。

圖8 彈艙位翻轉時長與角速度幅值插值曲線

從圖8中可以看出，彈艙位翻轉過程總時間t2=0.5 s時振動角速度幅值最低，且彈艙位翻轉過程總時間較短，故取此時對應的電機轉速驅動，即r=3.91 rad/s進行仿真，仿真結果如圖9—圖11所示。

圖9 一號彈艙位齒條與彈艙位移曲線

從仿真結果可以看出，圖9反映了一號彈艙位齒條的平移與彈艙位旋轉的對應關系。齒條在翻轉協調桿的作用下發生平移，帶動齒輪旋轉，齒輪與彈艙殼體通過軸和鍵連接，在0.5 s內，齒條移動16.45 mm，彈艙同時旋轉31.41°，基本符合設計要求，誤差部分通過補償滾輪與齒條之間的彈簧補償。在1.2～6.3 s內齒條與彈艙位隨著回轉彈艙鏈沿著耳軸方向橫向位移，角度不發生改變。在此過程中經過與身管同軸線的位置，經由炮閂將迫彈推入炮膛。6.3 s時彈艙殼體開始恢復水平。可以發現機構運行過程中較為平穩。但在彈艙殼體恢復水平與阻轉卡鎖接觸的瞬間，有較大的位移振蕩，經過0.3 s才穩定下來。

圖10 一號彈艙位在耳軸方向的角速度與角加速度曲線

圖11 翻轉協調桿與補償滾輪位移曲線

從圖10可以看出，機構運行開始過程中有一定的速度波動，在容許的范圍內，實際中的影響較小。但在阻轉卡鎖與齒條接觸瞬間的角速度波動達到8.4 rad/s，角加速度波動達到700 rad/s2，對機構的沖擊較大，難以保證在作戰等復雜情況下供彈的穩定性。從圖11可以看出，一號位的補償滾輪在翻轉協調桿的作用下，帶動齒條移動到位后就保持不動，待彈艙與搖架凸塊接觸后，翻轉協調桿在電動缸的作用下立即復位，以帶動下一個彈艙位進行翻轉。

通過運動仿真分析，證明此供彈系統的方案的可行的。但彈艙殼體恢復水平時，齒條與阻轉卡鎖相互作用產生剛性沖擊，產生的振動會對后續彈艙位供彈的穩定性造成較大的影響，不利于火炮精確供彈，故必須對機構進行設計優化。

4.2 機構設計優化

為了減小出口處彈艙復原時的沖擊振動對后續供彈的影響，提高供彈的穩定性與精度，需要對機構進行優化，在彈艙旋轉旋轉軸上增加圓柱螺旋扭轉彈簧[16]，其提供的扭矩隨著彈艙旋轉角度的變化而變化，使得彈艙恢復水平位置時的角速度恰好為0。

扭轉彈簧的設計參數如表5所示。建立的出彈口處彈艙優化前后的動力學模型，進行仿真分析其運動特性。

表5 扭轉彈簧參數

圖12為有無扭簧時彈艙繞耳軸旋轉的角速度與時間的曲線。優化前在0.46 s時達到最大7.51 rad/s，并被卡鎖卡住，最大振蕩角速度10.57 rad/s；優化后在0.46 s時達到最大2.74 rad/s,隨后在扭簧的作用下角速度慢慢減小，0.8 s時降為0.24 rad/s，并被卡鎖卡住，最大振蕩角速度3.76 rad/s。優化后的最大角速度比原來降低了63%，最大振蕩幅度降低了64.4%。

圖12 優化前后彈艙位復位時的角速度曲線

如圖13所示，優化前彈艙殼體恢復水平的過程中會一直加速，水平時卡鎖卡住的瞬間會停止，其造成的瞬時沖擊載荷在0.48 s達到最大，最大可達1 100 N，而后立刻降低，小幅振蕩直至消失，其對機構的沖擊會造成振動會影響后續供彈，嚴重可造成機構損壞。增設緩沖扭簧后，瞬時沖擊載荷在0.84 s達到最大155 N，降低了86%，極大降低了沖擊振動對機構的影響。

圖13 優化前后沖擊載荷曲線

5 結論

目前武器的無人化和智能化是一個重要的研究方向，也是未來戰爭的導向。針對于此設計了一種可全自動化裝彈的后裝式速射迫擊炮的供輸彈系統的機械結構，并進行動力學仿真分析，且考慮出口處彈艙回轉對機構振動的影響，并進行了機構上的優化設計與仿真。仿真結果證明：

1) 本文中提出的速射迫擊炮翻轉協調式供彈方案簡單可行，可實現對中大口徑迫擊炮射角范圍內任意角度自動供輸彈，且彈艙不隨身管俯仰，對今后速射迫擊炮的自動化發展有一定的參考意義；

2) 優化后的彈艙位回轉時的角速度會先增大再減小，恢復水平時角速度只有原來的3%，且與阻轉卡鎖接觸的瞬間沖擊載荷降低為之前的14%，極大地優化了機構運行條件，降低了沖擊振動，提高了后續供彈的穩定性和整體機構運行的可靠性。