曲振森,薄玉成,王惠源,蘇高峰,原 玨

(1.中北大學機電工程學院,山西太原 030051;2.中國兵器工業(yè)第202研究所,陜西咸陽 712099)

0 引 言

火炮的裝填系統(tǒng)是提高火炮生存能力和戰(zhàn)斗能力的關(guān)鍵技術(shù)之一,輸彈機構(gòu)有電驅(qū)動、液壓、氣動、機電液綜合應(yīng)用等形式[1-3],用輸彈機構(gòu)裝填彈藥可以減輕炮手的勞動強度,解決高角射擊時人工裝填困難的問題,還能夠保證較好的裝填一致性,有利于提高火炮的射擊精度.臂式輸彈機是一種結(jié)構(gòu)緊湊、動作可靠、傳動效率較高的輸彈機構(gòu),鑒于輸彈機構(gòu)對彈丸裝填的諸多有利因素,對臂式輸彈機的工作特性研究將對輸彈機構(gòu)的設(shè)計和改進有著重要意義.

1 臂式輸彈機的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖 1所示,太陽輪固定在彈丸托架側(cè)板上且沒有轉(zhuǎn)動,擺臂的 a端與太陽輪連接且繞太陽輪中心轉(zhuǎn)動,惰輪連接在輸彈臂上且自由轉(zhuǎn)動,行星輪連接在輸彈臂的 b端且自由轉(zhuǎn)動,輸彈臂與行星輪固連且沒有相對轉(zhuǎn)動[4].

當在主動件上施加驅(qū)動力的時候,擺臂就繞太陽輪中心轉(zhuǎn)動,通過齒輪間的嚙合關(guān)系與合適的傳動比,保證輸彈臂的末端也就是輸彈輪的中心始終在輸彈中心線上運動,輸彈機輸彈動作的 3個關(guān)鍵位置如圖 2所示.

圖 1 輸彈機整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of rammer

在輸彈機的工作過程中,位置1是輸彈機的初始位置;位置2時輸彈機擺臂轉(zhuǎn)動,此時輸彈臂兩端連線與擺臂中心線重合;位置3時輸彈機擺臂轉(zhuǎn)動,此時輸彈臂末端到達在最大位置,推彈動作完成;之后輸彈臂復(fù)位,如此往復(fù)完成輸彈動作.

圖 2 輸彈機工作時的關(guān)鍵位置Fig.2 Key locations of rammer mov ement

2 輸彈機構(gòu)的運動學分析

簡化輸彈機構(gòu)的原理模型,建立如圖 3所示的直角坐標系,對輸彈機構(gòu)進行運動學分析[5-8].圖中擺臂長 l1,輸彈臂長 l2,e為輸彈臂中心與輸彈中心線的垂直距離,輸彈臂與輸彈中心線夾角為h,T為位置 1時擺臂與輸彈臂的夾角,U為位置 2時擺臂轉(zhuǎn)過的角度,θ為擺臂轉(zhuǎn)動過程中與 x軸的瞬時夾角,V為擺臂與輸彈臂的瞬時夾角.

由輸彈機結(jié)構(gòu)及工作原理,再結(jié)合圖3可以得出,惰輪(o2)只起到傳遞轉(zhuǎn)動和改變行星輪轉(zhuǎn)動方向的作用,要保證輸彈臂末端(A端)在輸彈中心線上往復(fù)運動,就必須滿足以下條件：

1)太陽輪(o1)與行星輪 (o3)的傳動比滿足

式中：k1為擺臂轉(zhuǎn)動的角速度;k3為輸彈臂繞圓心o3轉(zhuǎn)動的角速度.

圖 3 輸彈機構(gòu)運動簡圖Fig.3 Ramming kinematic diagram

2)輸彈臂(l2)與擺臂長(l1)的長度滿足

從圖 3中可以得出

將式 (2)帶入式 (3)有

令 l1/l2=λ,于是

當擺臂以k1的角速度繞 o1圓心轉(zhuǎn)動時,輸彈臂末端(A端)的運動方程為

對式 (6)求導(dǎo)可得 A端的速度方程

于是 A端速度的大小為

由圖 3可知

由式 (1)得

聯(lián)立式 (8)～(10),可得 A端的速度方程為

給定擺臂 l1=150 mm,λ=0.5,則輸彈臂 l2=300 mm,初始夾角太陽齒輪與行星齒輪的傳動比 i13=3∶ 5.當 k1=2 π rad/s時,輸彈機構(gòu)由位置1轉(zhuǎn)動到位置 3所需的時間 t=0.5 s,取時間步長為 0.01 s,得到輸彈臂 A端的速度特性曲線,如圖 4所示.

圖4 輸彈臂 A端速度特性曲線Fig.4 Velocity characteristic of A-side of transmission arm

從圖 4中可以看出,輸彈臂 A端的速度是由小到大逐漸增加到最大值后又開始逐漸減小,最大值出現(xiàn)在 t=0.25 s時刻,并以此為對稱線對稱分布,此時輸彈臂到達位置2.

根據(jù)上述對輸彈臂 A端速度曲線的分析,輸彈機構(gòu)在工作過程中可能會出現(xiàn)下述情況：

1)雖然輸彈臂 A端的速度在中間時刻以后開始減小,但彈丸接觸良好,沒有與輸彈臂脫離,也就是輸彈臂在整個過程中始終作用于彈丸.

2)與第1)種情況不同,在中間時刻以后,由于輸彈臂 A端的速度減小,彈丸與輸彈臂脫離,輸彈臂不再作用于彈丸,也就是輸彈臂從位置2到位置3的動作是無效的.

3 輸彈機構(gòu)的仿真與分析

依據(jù)輸彈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理與第2部分給定的初始條件及計算所得的數(shù)值,建立了輸彈機構(gòu)的虛擬樣機并導(dǎo)入仿真軟件進行仿真[9-15],彈丸的質(zhì)量近似為m=20 kg.

在其他條件相同的條件下,選擇不同的k1的值進行仿真,k1的值分別為 2 π rad/s,3π rad/s, 4π rad/s.仿真的目的在于查看輸彈過程中輸彈機的運動機構(gòu),主要是輸彈臂與彈丸的運動狀態(tài),得到輸彈臂 A端和彈丸質(zhì)心的速度及位移隨時間的變化曲線,并根據(jù)仿真的結(jié)果,針對第2部分提出的問題,分析輸彈過程中輸彈臂末端與彈丸之間的接觸情況.仿真結(jié)束后利用軟件的后處理功能得到輸彈臂末端與彈丸質(zhì)心的 v-t曲線(如圖 5所示)和 l-t曲線(如圖 6所示),以及位移差值曲線(如圖 7所示).

圖5 k1不同時輸彈臂末端與彈丸質(zhì)心的速度曲線Fig.5 V elocities of transmission-arm A-sice and projectile centroid v s.k1

圖5中實線表示輸彈臂末端的速度隨時間變化的曲線,虛線表示彈丸的速度隨時間變化的曲線.圖6中實線表示輸彈臂末端的位移隨時間的變化曲線,虛線表示彈丸位移隨時間的變化曲線.

圖6 k1不同時輸彈臂末端與彈丸質(zhì)心位移曲線Fig.6 Displacements of transmission-arm A-sice and projectile centroid v s.k1

圖7 k1不同時輸彈臂末端與彈丸質(zhì)心位移差值曲線Fig.7 D-v alue between the displacements of transmission-arm and centroid vs.k1

由圖5可以看出,從運動開始到中間時刻,除了在起始階段彈丸速度出現(xiàn)跳躍外,當彈丸速度開始穩(wěn)定增加后,兩條速度曲線基本上是重合的;在中間時刻輸彈臂末端速度達到最大后,輸彈臂末端的速度開始小于彈丸的速度,并且速度差逐漸增大,對于不同的k1,k1的值越大變化越明顯.

從圖 6,圖 7中也可得知,從開始運動到中間時刻,彈丸位移曲線雖然在輸彈臂位移曲線之上,但差距很小,基本重合;從中間時刻往后,彈丸的位移曲線與輸彈臂末端的位移曲線出現(xiàn)了明顯分離,位移差也逐漸增大;同理,對于不同的 k1,k1的值越大變化越明顯.

綜合對圖 5～圖 7的分析來看,中間時刻以前,輸彈機構(gòu)運動部分從位置1到達位置2的過程中,彈丸與輸彈臂末端接觸良好;在中間時刻以后,從位置 2到位置 3的過程中,彈丸會逐漸與輸彈臂末端分離,輸彈臂對彈丸的作用很小乃至沒有作用,在這個階段,輸彈臂的作用對彈丸的加速基本無效,彈丸靠慣性繼續(xù)運動.

4 結(jié) 論

臂式輸彈機構(gòu)工作時擺臂轉(zhuǎn)過的最佳角度為90°,然后輸彈臂復(fù)位,彈丸進入慣性行程.依據(jù)上述結(jié)論,為了減少輸彈機構(gòu)一個工作循環(huán)的時間和提高驅(qū)動能源的利用率,輸彈機構(gòu)運動部分的工作循環(huán)過程應(yīng)該為：位置 1→位置 2→位置 1.

[1]梁輝,馬春茂 ,潘江峰,等.大口徑火炮彈藥自動裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢 [J].火炮發(fā)射與控制學報,2010(3)：103-107.Ling Hui, MaChunmao, Pan Jiangfeng,etal.Current situation and development trend of autoloaderin large caliber howitzer[J].Journal of Gun Launch&Control,2010(3)：103-107.(in Chinese)

[2]趙森,錢勇.自行火炮半自動裝填機構(gòu)輸彈問題研究[J].兵工學報,2005(5)：592-594.Zhao Sen,Qian Yong.Ammunition ramming of semiautomatic loading device of the self-propelled gun[J].Acta Armamentarii,2005(5)：592-594.(in Chinese)

[3]徐達,林海,王東軍.大口徑頂置火炮輸彈機動力學研究[J].裝甲兵工程學院學報 ,2006(2)：34-36.Xu Da,Lin Hai,WangDongjun. Research into dynamics of the large-caliber,top-mounted gun ram mechanism[J].Journal of Academy of Armored Force Engineering,2006(2)：34-36.(in Chinese)

[4]Nordmann A,Germany H.Rammer for projectiles：united states,3,938,421[P].Foreign Application Priority Data,1976：2-13.

[5]李宗海.中大口徑雙管火炮自動裝填系統(tǒng)方案研究[D].南京：南京理工大學,2009.

[6]樊永生,余紅英.某自行火炮自動裝填系統(tǒng)供彈機運動學分析 [J].華北工學院學報(自然科學版),1999,20(3)：269-273.Fan Yongsheng, Yu Hongying. Thekinematics analysis of the ammunition supplying mechanism in the autoloading system of a self-ropelled gun[J].Journal ofNorth China Institute of Technology(Natural Science Edition),1999,20(3)：269-273.(in Chinese)

[7]哈爾濱工業(yè)大學理論力學研究室.理論力學(I)[M].北京：高等教育出版社,2002.

[8]鄭文緯,吳克堅.機械原理 [M].北京：高等教育出版社,1997.

[9]袁文武,蔡慧林.基于 U G和 ADAM S的齒輪嚙合動力學仿真[J].煤礦機械,2010,31(2)：40-42.Yuan Wenwu,Cai Huilin.Dynamic simulation of gear mesh based on UG and ADAMS[J].Coal Mine Machinery,2010,31(2)：40-42.(in Chinese)

[10]高海龍,吳曉 ,李振華,等.柔性齒輪的多體動力學仿真方法研究 [J].制造業(yè)自動化,2009(10)：103-106.Gao Hailong,Wu Xiao,Li Zhenhna,et al.Study on multi-body dynamics simulation of flexible gears[J].Manufacturering Autormation,2009(10)：103-106.(in Chinese)

[11]李增剛.ADAM S入門詳解與實例 [M].北京：國防工業(yè)出版社,2009.

[12]陳立平.機械系統(tǒng)動力學分析及 ADAM S應(yīng)用教程[M].北京：清華大學出版社,2005.

[13]洪清泉.基于 ADAM S的多級齒輪傳動系統(tǒng)動力學仿真 [J].北京理工大學學報,2003(12)：690-693.Hong Qingquan.Dynamic simulation of multistage gear train system in ADAMS[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2003(12)：690-693.(in Chinese)

[14]李偉,王興貴,黃澤平.輸彈機虛擬樣機建模與動態(tài)仿真 [J].火炮發(fā)射與控制學報,2006(6)：29-32.Li Wei,Wang Xinggui,HuangZeping.Modeling and dynamic simulation analysis for virtual prototype of rammer[J].Journal of Gun Launch& Control,2006(6)：29-32.(in Chinese)

[15]李繼科.火炮供輸彈系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)研究 [D].南京：南京理工大學,2004.