李 勇，陳永剛，謝楊楊，史陽(yáng)東

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099）

轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)由機(jī)匣、機(jī)心、身管、炮箱、供彈機(jī)、緩沖器和驅(qū)動(dòng)裝置等零部件組成。外能源轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)的主要機(jī)構(gòu)包括帶回轉(zhuǎn)部件的身管組合體，供彈接口機(jī)構(gòu)和拋殼機(jī)構(gòu)等。轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)被驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高、射速高和消耗功率大，外能源轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率是其武器系統(tǒng)的重要參數(shù)指標(biāo)，電源和驅(qū)動(dòng)電機(jī)要具有所需的功率以滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的要求（如射速指標(biāo)和啟動(dòng)時(shí)間指標(biāo)）。由于轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性比較復(fù)雜，其消耗功率的因素較多，在轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)的方案設(shè)計(jì)中難以有效地估算驅(qū)動(dòng)功率［1－3］。通過(guò)詳細(xì)分析轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的功率消耗因素，建立了計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率的動(dòng)力學(xué)模型，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明：理論計(jì)算值能滿足外能源轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)功率估算。

1 消耗功率因素分析

轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)炮箱上的曲線槽與閂體和星形體組成空間凸輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)星形體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)閂體后坐、復(fù)進(jìn)以及前后停留，在一次射擊循環(huán)中，閂體有兩次加速和兩次減速，閂體的加速減速運(yùn)動(dòng)循環(huán)是消耗功率的主要因素之一。轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)供彈過(guò)程中除鏈力和彈帶阻力以及拋殼過(guò)程中拋殼力都消耗一部分自動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率［4］。除此之外，消耗功率主要是由射擊狀態(tài)下轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的零部件之間相互運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)摩擦阻力矩造成的，因此，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率估算時(shí)應(yīng)考慮以下主要消耗功率因素。

1.1 身管組重力引起的滾動(dòng)摩擦力矩Mf

身管組主要包括身管、炮箍、彈膛本體和星形體等零部件，其質(zhì)量是整個(gè)轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)質(zhì)量的大部分，其重力作用給身管組支承球軸承以作用力，其由身管組重力產(chǎn)生的身管組的摩擦力矩Mf為：

式中：m1為身管組的質(zhì)量；f為身管組與炮箱及前支點(diǎn)的滾動(dòng)摩擦系數(shù)；R1為身管組前端滾道半徑。

1.2 身管組偏心產(chǎn)生的離心力引起的滾動(dòng)摩擦力矩Mr

身管組轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于身管組結(jié)構(gòu)的質(zhì)心不在其回轉(zhuǎn)中心線上，因此產(chǎn)生離心力給身管組支承軸承的滾動(dòng)摩擦阻力矩，其滾動(dòng)摩擦阻力矩Mr的大小隨身管組的轉(zhuǎn)速變化而變化，其計(jì)算公式為：

1.3 閂體和彈繞身管組軸線產(chǎn)生的離心力引起身管組的滾動(dòng)摩擦力矩Trc

身管組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)閂體和炮彈一起轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力，由此產(chǎn)生的身管組滾動(dòng)摩擦阻力矩為：

式中：Mb為閂體的質(zhì)量；Md為彈的質(zhì)量；Rb為上下曲線槽的中徑之半；Rr為閂體質(zhì)心到身管組回轉(zhuǎn)中心線的距離。

1.4 抽殼力產(chǎn)生的阻力矩Tec

由于抽殼過(guò)程很短，故在自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)計(jì)算中可取平均抽殼力Fec，平均抽殼力近似為最大抽殼力的一半進(jìn)行計(jì)算，由此產(chǎn)生的阻力矩與閂體、星形體之間的傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率相關(guān)，抽殼力產(chǎn)生的阻力矩為：

1.5 膛壓引起彈膛本體與炮箱間的軸承產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩Txc

轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)在射擊過(guò)程的瞬間，其最高膛壓對(duì)閂體的作用力傳遞到彈膛本體與炮箱支承軸承產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力矩，其阻力矩Txc為：

1.6 拋殼力產(chǎn)生的阻力矩Mck

拋殼過(guò)程中，拋殼臂撞擊彈殼并帶動(dòng)彈殼產(chǎn)生的阻力矩，計(jì)算中可以按照其他轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)拋殼力的試驗(yàn)結(jié)果類比獲得阻力矩。

1.7 開(kāi)閂產(chǎn)生的阻力矩Tobc

炮彈擊發(fā)后，膛底的壓力降低到開(kāi)閂壓力時(shí)，閂體轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)閂，因此在開(kāi)閂壓力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)閂頭需要消耗功率，其開(kāi)閂產(chǎn)生的阻力矩為：

式中：Sb為彈底面積；Pt1為開(kāi)閂壓力；Rc為閂頭閉鎖齒半徑（中徑位置）；R′c為閂頭開(kāi)閉鎖轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。

1.8 除鏈阻力矩Mk

炮彈進(jìn)入輸彈線前，通過(guò)除鏈機(jī)構(gòu)將彈鏈與炮彈分離，產(chǎn)生除鏈力，消耗自動(dòng)機(jī)的功率，也影響自動(dòng)機(jī)的射速［5］，因此，由除鏈力帶來(lái)的除鏈阻力矩為：

式中：Fcm為除鏈力；Rd為撥彈輪半徑。

1.9 彈帶阻力矩TDL

炮彈與彈帶一起運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的彈帶阻力［6］為FD，由此產(chǎn)生的彈帶阻力矩TDL為：

式中：CL為一節(jié)彈鏈的剛度；ML為彈鏈的質(zhì)量；g為重力加速度；n為彈帶的炮彈數(shù)；Rs為彈帶運(yùn)動(dòng)半徑；θ為輸彈導(dǎo)引與水平面之間的夾角。

2 動(dòng)力學(xué)建模

外能源轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定，并可以實(shí)現(xiàn)變射速，但是隨著射速的提高，其所需的驅(qū)動(dòng)功率隨之增大，因此，在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，比較準(zhǔn)確地估算其驅(qū)動(dòng)功率意義顯而易見(jiàn)。轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)在外能源驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)力是電機(jī)提供的力矩，根據(jù)自動(dòng)機(jī)的供彈方式（無(wú)鏈供彈和彈鏈供彈），確定是否考慮除鏈阻力矩和彈帶阻力矩消耗的功率，因此，總阻力矩主要是以上分析的各種阻力矩，將這些阻力矩通過(guò)傳速比和傳動(dòng)效率等效作用到轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的身管組上，以身管組為基礎(chǔ)構(gòu)件，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槔@身管組軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，建立外能源轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算方程如下：

式中：J1為身管組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jb為一個(gè)閂體繞身管組軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J14為供彈齒輪繞其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J15為拋殼齒輪繞其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；mbi為一個(gè)閂體的質(zhì)量；mpi為一個(gè)彈的質(zhì)量；˙φ為身管組的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；¨φ為身管組的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度；i14為身管組到供彈齒輪之間的傳速比；η14為身管組到供彈齒輪之間的傳動(dòng)效率；i15為身管組到拋殼齒輪之間的傳速比；η15為身管組到拋殼齒輪之間的傳動(dòng)效率；ibi為身管組到閂體之間的傳速比；i′bi為身管組到閂體之間的傳速比對(duì)身管組角位移的偏導(dǎo)數(shù)；ηbi為身管組到閂體之間的傳動(dòng)效率；MD為驅(qū)動(dòng)身管組的轉(zhuǎn)矩。

3 估算與試驗(yàn)結(jié)果分析

外能源轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)工作過(guò)程是多個(gè)閂體同時(shí)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算過(guò)程中必須考慮這些因素。利用建立的外能源轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，為了進(jìn)行比較，計(jì)算了某轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)在不同射速下的空載最大驅(qū)動(dòng)功率和射擊狀態(tài)下的最大驅(qū)動(dòng)功率，將其計(jì)算的相關(guān)參數(shù)輸入到計(jì)算程序中；為了提高計(jì)算精度，采用圖1所示的計(jì)算程序框圖，并取自動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)的最大計(jì)算值。

試驗(yàn)狀態(tài)：外能源轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試輸入電機(jī)的電流和反饋電流以及轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，通過(guò)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系，計(jì)算出自動(dòng)機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)功率。由于該自動(dòng)機(jī)是無(wú)鏈供彈，因此，不考慮除鏈阻力矩和彈帶阻力矩。試驗(yàn)測(cè)試的空載的輸入電機(jī)電流和反饋電流和轉(zhuǎn)速如圖2所示。試驗(yàn)測(cè)試射擊狀態(tài)下的輸入電機(jī)電流和反饋電流和轉(zhuǎn)速如圖3所示。計(jì)算出的轉(zhuǎn)速與空載消耗功率擬合關(guān)系曲線和試驗(yàn)獲得轉(zhuǎn)速與空載消耗功率擬合關(guān)系曲線如圖4所示。射擊狀態(tài)下，計(jì)算出的轉(zhuǎn)速與消耗功率擬合關(guān)系曲線和試驗(yàn)獲得轉(zhuǎn)速與消耗功率擬合關(guān)系曲線如圖5所示。

通過(guò)分析以上計(jì)算和試驗(yàn)獲得消耗功率曲線圖4可以看出，理論計(jì)算出的空載最大驅(qū)動(dòng)功率和試驗(yàn)得出的空載最大驅(qū)動(dòng)功率較為接近。

根據(jù)圖5所示的消耗功率曲線分析，射擊狀態(tài)下，射速在0～300發(fā)／分時(shí)，理論計(jì)算出驅(qū)動(dòng)功率數(shù)值與試驗(yàn)測(cè)試驅(qū)動(dòng)功率數(shù)值較為接近；當(dāng)射速300發(fā)／分以上時(shí)已經(jīng)滿載，以上射速理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試值對(duì)比沒(méi)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析了外能源轉(zhuǎn)管炮自動(dòng)機(jī)消耗功率的因素，將引起消耗功率的多種阻力矩因素考慮到動(dòng)力學(xué)模型中，編制計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的空載和射擊狀態(tài)下的最大驅(qū)動(dòng)功率和試驗(yàn)測(cè)試的自動(dòng)機(jī)最大驅(qū)動(dòng)功率能滿足工程估算需要，所建立的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)自動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)功率估算具有很好的參考意義。

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