續(xù)彥芳，蘇鐵熊，顧亮先，崔俊杰

（1.中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051；2.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

供彈系統(tǒng)是高炮自動機的重要組成部分，它對提高射速和可靠性起著重要的作用。因此世界各國都在不斷的研究開發(fā)新的供彈系統(tǒng)，以提高和改進其高炮的戰(zhàn)斗性能。本文介紹的轉(zhuǎn)鼓式無鏈供彈系統(tǒng)，經(jīng)過多年的開發(fā)研制和試驗己經(jīng)取得了初步成果，整個供彈系統(tǒng)的彈鼓轉(zhuǎn)動、定位、推彈、更換彈種等動作都由液壓系統(tǒng)通過準確的控制來完成。它可以根據(jù)不同的打擊目標快速更換彈種，對提高射速降低故障率起到了良好的效果。對今后的推廣應(yīng)用有著重要的參考價值。

1 供彈系統(tǒng)的工作特點

供彈系統(tǒng)是為自動機服務(wù)的，自動機是根據(jù)指揮系統(tǒng)的指令確定進行點射還是連射的，這些指令在戰(zhàn)場上都是隨機的。因此供彈系統(tǒng)大轉(zhuǎn)動慣量（120.3kg·m2）的彈鼓傳動的間歇周期（200ms轉(zhuǎn)停1個工位）必須能滿足最高射速的要求；推彈機構(gòu)在射擊時要跟上射頻，在停止射擊時還必須把炮彈緊緊的推在自動機接彈口上。這種工作性質(zhì)就決定了供彈系統(tǒng)的工況必須是：

1）大轉(zhuǎn)動慣量的彈鼓快速頻繁的起動、制動、停止和準確定位，瞬時需要很大的功率。

2）推彈機構(gòu)既能快速轉(zhuǎn)動又能滿足速度為零的堵轉(zhuǎn)工況。

2 供彈液壓系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

2.1 供彈液壓系統(tǒng)設(shè)計

供彈節(jié)能液壓系統(tǒng)如圖1所示。為實現(xiàn)上述要求，釆用帶蓄能裝置的液壓傳動具有獨特的優(yōu)勢。因為液壓系統(tǒng)響應(yīng)速度快、便于控制、易實現(xiàn)無級變速、瞬時流量大節(jié)省能源。

系統(tǒng)中的蓄能器，既可吸收管路中的沖擊和脈動，還可不斷地儲存和快速釋放壓力油，滿足系統(tǒng)瞬時大流量的要求。這種原理在車輛液壓節(jié)能、能量再生系統(tǒng)、活塞式液壓發(fā)動機、輸送機及挖掘機等工程機械上已得到成功應(yīng)用［1－4］。

2.2 工作原理

由單泵驅(qū)動3個并聯(lián)液壓馬達，按一定的順序協(xié)同動作，實現(xiàn)供彈過程中供彈系統(tǒng)機械部件的轉(zhuǎn)動、定位、推彈、更換彈種等動作。馬達3驅(qū)動大容量轉(zhuǎn)鼓彈倉的迅捷啟動、制動，馬達6和6a的供彈速度適應(yīng)自動機射頻要求，能夠快速供彈，并且在堵轉(zhuǎn)工況下正常工作。

在射擊準備階段，調(diào)定系統(tǒng)供油壓力，給蓄能器充油，蓄能器的壓力將保持在主路供油壓力p附近；當系統(tǒng)進入射擊狀態(tài)，蓄能器作為“油泵”將儲存在其中的壓力油釋放出來，與液壓泵同時給系統(tǒng)提供壓力油，驅(qū)動彈鼓轉(zhuǎn)動及供彈機構(gòu)向自動機供彈，彈鼓轉(zhuǎn)停一個工位及供彈堵彈時，油泵將直接給蓄能器充油直至壓力到達p2后停止。利用蓄能器循環(huán)充放油的過程，使蓄能器與泵同時把能量傳給系統(tǒng)，滿足供彈系統(tǒng)短時大流量之需求。這樣在降低液壓泵的排量和驅(qū)動功率的條件下，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)動慣量、多路執(zhí)行機構(gòu)和頻繁快速啟動、制動的間歇式工作，適應(yīng)高速供彈系統(tǒng)的工作特點，使整個液壓系統(tǒng)尺寸小、質(zhì)量輕，達到節(jié)能的目的。

3 液壓系統(tǒng)分析

3.1 液壓系統(tǒng)工作壓力分析

液壓系統(tǒng)的最低工作壓力是滿足火炮射擊情況下，各執(zhí)行元件能夠克服各自工作阻力并按照時序要求，各自獨立工作時所對應(yīng)的液壓系統(tǒng)最低工作壓力，是確定蓄能器、油源液壓泵、泵電機等工作參數(shù)的基礎(chǔ)，一般可根據(jù)實驗或參照相關(guān)型號研制的經(jīng)驗值來確定。

本系統(tǒng)中帶動轉(zhuǎn)鼓彈倉轉(zhuǎn)動的液壓馬達是需要功率最大的執(zhí)行元件，根據(jù)其載荷特點來確定液壓系統(tǒng)的工作壓力p。

3.1.1 轉(zhuǎn)鼓彈倉馬達負載

轉(zhuǎn)鼓彈倉轉(zhuǎn)動馬達負載主要由負載力矩、軸頸摩擦力矩和慣性力矩3部分組成［5］。炮彈在發(fā)射過程中是一個變動量，使存儲炮彈的轉(zhuǎn)鼓彈倉的質(zhì)量和質(zhì)心發(fā)生變化，導致轉(zhuǎn)鼓彈倉轉(zhuǎn)動馬達負載隨著炮彈的發(fā)射而發(fā)生變化。

1）負載力矩

主要由炮彈的偏置組成，當炮彈偏置最嚴重時其負載力矩M1達到最大。

2）軸頸摩擦力矩

式中：m為運動部件質(zhì)量；μ為摩擦因數(shù)；g為重力加速度；r為軸半徑。

3）慣性力矩

式中：ε為角加速度；ω為角速度；t為啟動或制動時間，J為轉(zhuǎn)動慣量。

轉(zhuǎn)鼓彈倉轉(zhuǎn)動馬達負載圖如圖2所示。

當炮彈偏置最嚴重時其負載力矩M1達到最大。軸頸摩擦力矩隨著載荷的增加而增大，當滿載時軸頸摩擦力矩最大，轉(zhuǎn)動慣量隨著炮彈數(shù)目的增加而變大，假定馬達的啟動、制動為勻加速且時間相同，則滿載時馬達啟動、制動時慣性力矩最大。

3.1.2 驅(qū)動馬達力矩

啟動時轉(zhuǎn)鼓彈倉轉(zhuǎn)動馬達負載為：

工作時轉(zhuǎn)鼓彈倉轉(zhuǎn)動馬達負載為：

制動時轉(zhuǎn)鼓彈倉轉(zhuǎn)動馬達負載為：

假定馬達的啟動、制動時間相同，則馬達啟動時工作負載最大，因此，驅(qū)動馬達的力矩為：

式中：i為傳動比；ηm為機械效率。

3.1.3 液壓系統(tǒng)工作壓力

轉(zhuǎn)鼓液壓馬達工作壓力為：

式中，v為液壓馬達排量。

液壓系統(tǒng)的工作壓力：

式中，pb為系統(tǒng)背壓。

鑒于液壓回路復(fù)雜，管路損失與結(jié)構(gòu)設(shè)計、管路布罝等因素有關(guān)，在計算中尚難于確定，因此系統(tǒng)工作壓力設(shè)計為一個可調(diào)范圍10～16MPa。

3.2 液壓泵流量的確定

在一個工作循環(huán)中，驅(qū)動馬達4、6和6a分別按一定的順序協(xié)同動作，在啟動、勻速、減速、制動、保壓等階段，系統(tǒng)中3個馬達的輸入流量在12個時間段內(nèi)相互交錯、重疊分布，如圖3所示。

根據(jù)其輸入流量的瞬態(tài)變化情況，進行流量疊加而得到循環(huán)的總耗油量∑Q與時間t的函數(shù)圖［6］，取系統(tǒng)的平均耗油量作為泵站容量，即：

式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)（一般為1.1～1.3）；Vi為系統(tǒng)在整個周期中第i個階段內(nèi)的用油量；T為周期。

3.3 蓄能器參數(shù)確定

蓄能器的選用原則是結(jié)構(gòu)盡量小，供油容積盡可能大，響應(yīng)時間短，儲存能量多。系統(tǒng)要求蓄能器作為輔助動力源參與到供彈系統(tǒng)的工作循環(huán)中，在不增加泵站功率的條件下，能瞬時輸出系統(tǒng)所要求的大流量。綜合考慮選擇隔膜式蓄能器比較適合。

1）蓄能器工作容積的計算

為保證蓄能器工作容積的充分利用，不考慮其容積變化量和變化次數(shù)［7］。在系統(tǒng)壓力建立起來后，蓄能器和液壓泵同時供液應(yīng)滿足供彈系統(tǒng)一個工作循環(huán)中峰值流量的需求，即保證鼓形彈倉快速旋轉(zhuǎn)一個彈室和推彈機構(gòu)連續(xù)供彈n發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)在一個工作循環(huán)中，各執(zhí)行元件輸入流量的瞬態(tài)變化情況以及效率，確定供彈系統(tǒng)峰值流量，由峰值流量與液壓泵流量之凈差確定蓄能器工作容積ΔV。

2）充氣壓力p0的確定

從使蓄能器總?cè)莘e（也稱充氣容積）V0最小，單位容積儲存能量最大的角度出發(fā)選擇充氣壓力p0。若蓄能器工作在絕熱過程，則：

3）蓄能器總?cè)莘eV0的計算

根據(jù)波義耳定律：

得：

式中：C為常數(shù)；p1為最低工作壓力；V1為壓力為p1時氣體的容積；p2為最高工作壓力；V2為壓力為p2時氣體容積；ΔV為有效排油量；n為多變指數(shù)。

3.4 系統(tǒng)參數(shù)

依據(jù)某高炮系統(tǒng)給定的相關(guān)技術(shù)指標，火炮射擊頻率指標為600發(fā)／分鐘，分配給供彈系統(tǒng)的電源功率P≤5kW。蓄能器在絕熱狀態(tài)下工作，多變指數(shù)n＝1.4。結(jié)合上述參數(shù)的選取，計算得出某高炮供彈系統(tǒng)液壓系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 供彈液壓系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of feeding hydraulic system

取液壓泵的總效率η為0.90，則泵輸入功率Pb為：

若采用獨立配泵系統(tǒng)，則系統(tǒng)輸入總功率為：

與獨立配泵系統(tǒng)比較，采用儲能裝置的單泵多執(zhí)行器系統(tǒng)節(jié)能效率ηz為：

由計算可知，理論供彈速度值為600發(fā)／分鐘時，該液壓動力系統(tǒng)輸入功率最大為4.75kW，低于系統(tǒng)給定的指標要求，相當于總輸入功率為8.31 kW的3個獨立泵動力源，能滿足火炮射擊頻率需要，與獨立配泵系統(tǒng)比較，節(jié)約能量達42.8%。

4 試驗驗證

本系統(tǒng)進行了高炮供彈系統(tǒng)接自動機的試驗驗證，通過選擇自動機1、3、7、10和15發(fā)等不同射長進行點射和連發(fā)射擊試驗，共射彈200余發(fā)。理論計算與試驗結(jié)果如表2所示。

在液壓動力系統(tǒng)輸入功率為4.75kW的條件下，轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動馬達、彈鼓推彈馬達6和中間推彈馬達（6）試驗轉(zhuǎn)速分別為144.7，531和1 261r／min，比理論速度提高7.98%、10.6%和7.8%，彈鼓在184 ms轉(zhuǎn)停一個工位，比理論時間縮短8%，供彈速度可達680發(fā)／分鐘，比理論供彈速度可提高13.3%。

表2 理論計算與試驗結(jié)果對比Tab.2 Comparison between theoretical calculation and test results

試驗結(jié)果表明，供彈液壓系統(tǒng)在低供彈功率條件下，可提供瞬時大流量輸出功率，能夠快速頻繁啟停和適應(yīng)堵轉(zhuǎn)工況，較好地解決了高速供彈瞬間大功率輸出要求與系統(tǒng)分配的小功率電源之間的矛盾，實現(xiàn)了系統(tǒng)的柔性工作，且節(jié)能效果顯著。同時試驗過程中動力執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)快，易控制，且液壓泵站結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。

5 結(jié) 論

1）本文設(shè)計供彈液壓系統(tǒng)，利用蓄能器儲存的能量，在較低的功率條件下，可提供瞬時大流量的功率輸出，較好地解決了高速供彈瞬間大功率輸出要求與系統(tǒng)分配的小功率電源之間的矛盾，且節(jié)能效果顯著。

2）液壓系統(tǒng)泵的排量和蓄能器及系統(tǒng)壓力參數(shù)匹配合理，響應(yīng)快，控制方便，適應(yīng)供彈系統(tǒng)大轉(zhuǎn)動慣量短間歇周期內(nèi)的快速頻繁啟停和柔性工作的特性，為火炮供彈動力源的設(shè)計提供了新的思路。

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