田景輝，蔣彥明，薛慶陽,鄭峰峰

(1.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030009)

模擬訓(xùn)練器是某自行高炮武器系統(tǒng)的配套裝備，主要用于學(xué)員上炮前的模擬培訓(xùn)[1]。近年來，隨著新型自行高炮陸續(xù)裝備部隊(duì)，為了盡快掌握高炮武器系統(tǒng)的基本操作技能，使訓(xùn)練結(jié)果真實(shí)有效，新型高炮對(duì)模擬訓(xùn)練器提出了更加接近實(shí)戰(zhàn)環(huán)境的要求，以往的桌面式模擬訓(xùn)練器已不能適應(yīng)部隊(duì)日常訓(xùn)練的需要，大型的具有一定技術(shù)含量的動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器在主戰(zhàn)坦克、步兵戰(zhàn)車、戰(zhàn)斗機(jī)等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用,但用于自行高炮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器，國(guó)內(nèi)尚無報(bào)道[2]。為此，筆者依據(jù)某自行高炮模擬訓(xùn)練器的戰(zhàn)技指標(biāo)和功能要求，成功研制了一種與自行高炮人機(jī)界面相同，操作環(huán)境近似，能夠模擬炮塔方位回轉(zhuǎn)且具有一定機(jī)動(dòng)能力的動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器。解決了學(xué)員在已往桌面式模擬訓(xùn)練器上無法實(shí)現(xiàn)接近真實(shí)的操作感覺、心理感受和生理適應(yīng)性難題。

1 總體結(jié)構(gòu)及布局

1.1 總體結(jié)構(gòu)

模擬訓(xùn)練器外形三維圖如圖1(正等側(cè)視)、圖2(俯視)和圖3(左視)所示。它主要由下列部分組成：

1)底架：由主架、扛起螺桿、旋轉(zhuǎn)臂、運(yùn)動(dòng)裝置、牽引轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成。

2)轉(zhuǎn)臺(tái)：由轉(zhuǎn)臺(tái)座板、安全護(hù)欄、艙門等組成。

3)操控臺(tái)：由架體、電氣柜、操控盒、顯示器、操縱桿等組成。

4)方向機(jī)：由機(jī)動(dòng)傳動(dòng)箱、手動(dòng)傳動(dòng)箱、手動(dòng)/機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置等組成。

5)隨動(dòng)裝置：由驅(qū)動(dòng)器箱、控制器箱、控制電源箱、受信儀等組成。

6)艙門及護(hù)欄：由艙門、安全護(hù)欄、艙門聯(lián)鎖裝置組成。

7)模擬裝置：主控仿真裝置、光電模擬裝置、雷達(dá)模擬裝置等。

8)方位固定器：由手柄、微動(dòng)開關(guān)等組成。

9)座圈：借用牽引37 mm高炮座圈。

10)座椅：選用制式座椅。

11)回轉(zhuǎn)接觸器：選用HZJ-20匯流環(huán)。

12)腳擊發(fā)機(jī)構(gòu)：借用35 mm自行高炮腳擊發(fā)機(jī)構(gòu)。

1.2 總體布局

總體布局關(guān)鍵是最大限度地接近自行高炮乘員艙操作環(huán)境，車長(zhǎng)和炮手各自的操作要求與自行高炮相同?？紤]到人的生理特征和操作空間范圍，首先確定車長(zhǎng)和炮手位置，其他裝置布置均以操作者為中心[3]。車長(zhǎng)位在左，炮手位在右，座椅布置在轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心偏后180 mm，沿轉(zhuǎn)臺(tái)縱軸面對(duì)稱布置，座椅中心距離為700 mm。操控臺(tái)布置在轉(zhuǎn)臺(tái)正前方，距回轉(zhuǎn)中心410 mm。艙門及安全護(hù)欄沿轉(zhuǎn)臺(tái)周邊布置，用螺釘固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上。方位固定器布置在炮手座椅右下方，腳擊發(fā)機(jī)構(gòu)布置在炮手座椅右前方。方向機(jī)安裝在車長(zhǎng)與炮手座椅中間位置，方向機(jī)主齒輪中心與轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)中心相距468 mm。為使轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，模擬裝置和隨動(dòng)裝置機(jī)箱全部安裝在操控臺(tái)電氣柜中，回轉(zhuǎn)接觸器安裝在底架上。

底架、座圈和轉(zhuǎn)臺(tái)是模擬訓(xùn)練器的主要部件，座圈是連接轉(zhuǎn)臺(tái)與底架的樞紐，也是轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件。安裝形式為座圈外齒圈(不動(dòng)件)用螺釘固定在底架裝配面上，座圈內(nèi)圈(轉(zhuǎn)動(dòng)件)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)裝配面上。方向機(jī)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，其輸出端主齒輪與外齒圈嚙合，因此，當(dāng)方向機(jī)主齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)沿齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4所示。

2 工作原理

模擬訓(xùn)練器系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入 “戰(zhàn)斗”狀態(tài)后，由控制臺(tái)進(jìn)行訓(xùn)練方式和訓(xùn)練課目指定，同時(shí)進(jìn)行模擬目標(biāo)航路產(chǎn)生。雷達(dá)模擬裝置搜索雷達(dá)對(duì)“目標(biāo)”進(jìn)行搜索，搜索到“目標(biāo)”后，進(jìn)行敵我識(shí)別，同時(shí)進(jìn)行威脅度判斷，通過導(dǎo)引將指定“目標(biāo)”坐標(biāo)發(fā)送給跟蹤雷達(dá)模塊、光電跟蹤模塊和隨動(dòng)系統(tǒng)。方向機(jī)在隨動(dòng)裝置控制下，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)。模擬自行高炮將火炮身管和瞄準(zhǔn)線指向“目標(biāo)”，同時(shí)跟蹤雷達(dá)模塊或光電跟蹤模塊對(duì)“目標(biāo)”實(shí)施截獲和跟蹤，必要時(shí)可以采用操縱桿對(duì)“目標(biāo)”進(jìn)行半自動(dòng)跟蹤。在光電跟蹤方式下，光電模擬裝置模擬炮手監(jiān)視器顯示畫面，顯示光電跟蹤圖形和目標(biāo)信息?；鹂胤抡婺K模擬射擊諸元解算，當(dāng)“目標(biāo)”進(jìn)入有效射程之內(nèi)，炮手適時(shí)對(duì)“目標(biāo)”實(shí)施射擊。

3 主要部件設(shè)計(jì)

3.1 底架

底架是模擬訓(xùn)練器的承載平臺(tái)，相當(dāng)于自行高炮的底盤。底架不僅承受整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)重力，還要承受轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)、停止和加速產(chǎn)生的慣性力矩。為保證模擬訓(xùn)練器回轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生晃動(dòng)，3個(gè)扛起螺桿與地面產(chǎn)生的靜摩擦力矩Mf必須大于慣性力矩Mg。在靜摩擦力不變的條件下(模擬訓(xùn)練器總質(zhì)量是常量)，增大摩擦力臂是增強(qiáng)模擬訓(xùn)練器穩(wěn)定的最有效措施。因此，在底架水平方向上，設(shè)計(jì)了兩個(gè)可展開和收縮的旋轉(zhuǎn)臂，旋轉(zhuǎn)臂上各安裝一個(gè)扛起螺桿，訓(xùn)練時(shí)，兩旋轉(zhuǎn)臂向外旋轉(zhuǎn)90°，到位后自動(dòng)鎖緊，轉(zhuǎn)動(dòng)扛起螺桿手輪，使模擬訓(xùn)練器緩慢升起離開地面，所有重力由3個(gè)扛起螺桿承受。這樣，增加了摩擦力矩，又不增大結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量，保證了模擬訓(xùn)練器的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。為了滿足功能要求，底架上還設(shè)計(jì)有牽引轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)裝置，使模擬訓(xùn)練器具有一定的機(jī)動(dòng)能力。

3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)

在轉(zhuǎn)臺(tái)布局上，把操控臺(tái)、艙門、安全護(hù)欄沿轉(zhuǎn)臺(tái)周邊安裝，構(gòu)成了一個(gè)相當(dāng)于半封閉的“炮塔”乘員艙。座椅、操控臺(tái)、腳擊發(fā)機(jī)構(gòu)、方向機(jī)、方位固定器等相對(duì)位置、人機(jī)關(guān)系與主裝備接近。從視覺、聽覺、觸覺和感覺方面，為學(xué)員營(yíng)造了一個(gè)逼真的操作環(huán)境，使學(xué)員最大限度地得到接近真實(shí)的訓(xùn)練。

轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝了模擬訓(xùn)練器所有裝置，是承受動(dòng)載荷最大的轉(zhuǎn)動(dòng)部件。不但要有足夠的剛度和強(qiáng)度，而且盡量使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，為此，在設(shè)計(jì)中采取的措施是：

1)在材料選用上，鋁合金具有密度小，強(qiáng)度高，加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，是武器輕量化的首選輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料[4]，所以轉(zhuǎn)臺(tái)上結(jié)構(gòu)最復(fù)雜和質(zhì)量最大的承載件—底座，采用ZL-104鑄造鋁合金，為了合理有效地使用材料，減輕質(zhì)量，把鑄件斷面形狀設(shè)計(jì)為U形空腔結(jié)構(gòu)，在受力部位局部增加鑄造筋，達(dá)到了減重效果。

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，箱形整體結(jié)構(gòu)、雙層空腔結(jié)構(gòu)方式是提高部件剛度和強(qiáng)度的有效方法[5]。因此把艙門及安全護(hù)欄，設(shè)計(jì)為雙層箱形結(jié)構(gòu)，采用1 mm薄鋼板沖壓拼焊形成。裝配時(shí)把上述各部件用螺釘組裝固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上。

3.3 操控臺(tái)

為了方便學(xué)員培訓(xùn)，操控臺(tái)人機(jī)操作界面完全模擬自行高炮。從操控臺(tái)面板布置、結(jié)構(gòu)組成、操作順序到操縱桿、顯示器、按鈕、開關(guān)、鍵盤、各種指示燈等硬件與自行高炮基本相同。因操控臺(tái)為雙人操作，布置的模塊較多，因此，采用按功能分區(qū)方法，把操控臺(tái)劃分成17個(gè)獨(dú)立單元，每個(gè)單元具有特定的功能和作用。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)用模塊化、通用化設(shè)計(jì)方法，所有操控盒采用相同結(jié)構(gòu)形式，把每個(gè)單元設(shè)計(jì)成單獨(dú)“機(jī)箱”形式 ，既為操控盒又是構(gòu)成操控臺(tái)面板的一部分，每個(gè)操控盒用統(tǒng)一的不脫螺釘緊固在架體上。17個(gè)單元組裝成一個(gè)完整的操作面板，這樣各單元安裝拆卸互不影響，維修十分方便。操控盒采用鋁合金鑄造后，經(jīng)機(jī)械加工而成，外形精美漂亮。操控臺(tái)電氣柜需容納較多的機(jī)箱，采用空心型鋼和薄鋼板組焊而成，機(jī)柜內(nèi)設(shè)計(jì)有導(dǎo)軌、定位、鎖緊機(jī)構(gòu)，用來安裝和固定機(jī)箱。為能承受使用和運(yùn)輸過程產(chǎn)生的沖擊與振動(dòng)，操控臺(tái)采用整體減振方式，通過8個(gè)EA40減震器與轉(zhuǎn)臺(tái)浮動(dòng)連接，達(dá)到了較好的減振效果。

3.4 方向機(jī)

方向機(jī)是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。方向機(jī)由機(jī)動(dòng)傳動(dòng)箱和手動(dòng)傳動(dòng)箱構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)換。手動(dòng)傳動(dòng)箱安裝在機(jī)動(dòng)傳動(dòng)箱的上部，手動(dòng)/機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)換是通過1個(gè)滑動(dòng)聯(lián)軸器、1個(gè)限位開關(guān)和1個(gè)轉(zhuǎn)換手柄完成。跟蹤速度0.05～70(°)/s,、最大跟蹤加速度60(°)/s2等參數(shù)與主炮相同。為使結(jié)構(gòu)緊湊輕便，方向機(jī)機(jī)動(dòng)傳動(dòng)采用塔形齒輪結(jié)構(gòu)，經(jīng)四級(jí)直齒圓柱齒輪減速，方位電機(jī)功率為2.2 kW。為滿足傳動(dòng)平穩(wěn)性和傳動(dòng)誤差要求，齒輪精度選為6級(jí)。手動(dòng)傳動(dòng)由一級(jí)直齒錐齒輪與兩級(jí)直齒圓柱齒輪構(gòu)成。方向機(jī)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)底座上，用定位銷和螺釘固定。

4 模擬訓(xùn)練器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

模擬訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：

1)小型化、輕量化。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，武器裝備的小型化、輕量化技術(shù)越來越受到人們的重視。為了滿足戰(zhàn)技指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，完成模擬訓(xùn)練器的虛擬裝配，由此計(jì)算出全部質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置，并進(jìn)行有限元力學(xué)分析，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)方案和技術(shù)參數(shù)不斷調(diào)整、優(yōu)化；其次在設(shè)計(jì)上采用箱形、雙層空腔結(jié)構(gòu)形式；最后在材料上選用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，達(dá)到了小型化、輕量化。

2)逼真的操作環(huán)境，真實(shí)的操作感覺。以往的自行高炮模擬訓(xùn)練器均為桌面式，學(xué)員在靜態(tài)下操作訓(xùn)練，無法體驗(yàn)真實(shí)的操作感覺。動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器在仿真軟件模擬目標(biāo)、背景、截獲、跟蹤和射擊等作戰(zhàn)畫面和轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)聲響配合下，從視覺、聽覺、觸覺和感覺方面，為學(xué)員營(yíng)造了一個(gè)逼真的操作環(huán)境，增強(qiáng)了學(xué)員操作訓(xùn)練興趣，解決了學(xué)員在以往桌面式模擬訓(xùn)練器上無法體驗(yàn)接近真實(shí)的操作感覺、心理感受和生理適應(yīng)性難題，提高了訓(xùn)練效率。

3)綜合集成。以往的桌面式自行高炮模擬訓(xùn)練器，各裝置安裝在桌面上，不僅拆裝、包裝、運(yùn)輸麻煩，而且裝備檔次和品位低。依據(jù)戰(zhàn)技指標(biāo)和功能要求，參考國(guó)內(nèi)外裝甲兵類似產(chǎn)品，采用綜合集成設(shè)計(jì)方法和總體結(jié)構(gòu)技術(shù)，把各部件有機(jī)地集成為一臺(tái)產(chǎn)品，使裝配、測(cè)試、運(yùn)輸方便。

4)操作宜人，維修方便，安全防護(hù)裝置齊全。從勤務(wù)方面看，對(duì)模擬訓(xùn)練器的要求是性能穩(wěn)定可靠、操作安全、維修方便。操作性影響裝備效能的發(fā)揮，可靠性與維修性直接關(guān)系到裝備性能的實(shí)現(xiàn)。因此，在總體布局設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了操作者的心理和生理特征及維修保養(yǎng)的可達(dá)性。利用虛擬技術(shù)對(duì)可操作性作了驗(yàn)證，從而保證了操作性。各單體采用模塊化、通用化設(shè)計(jì)，在轉(zhuǎn)臺(tái)及底架設(shè)計(jì)有維修窗口、測(cè)試口、觀察窗口，機(jī)箱、電纜、插座一律朝外，便于維修。艙門和方位固定器設(shè)計(jì)有電氣聯(lián)鎖裝置，扛起螺桿設(shè)計(jì)有鎖緊機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)有制動(dòng)器，確保訓(xùn)練和運(yùn)輸過程人員和產(chǎn)品的安全。

5)創(chuàng)新、實(shí)用、結(jié)構(gòu)造型新穎。桌面式模擬訓(xùn)練器已在高炮武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,但動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器在國(guó)內(nèi)尚屬應(yīng)用首例。因此動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器具有創(chuàng)新、實(shí)用、結(jié)構(gòu)造型新穎等特點(diǎn)。

5 結(jié)束語

動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器經(jīng)使用試驗(yàn)，通過對(duì)模擬空中目標(biāo)實(shí)施搜索、截獲、導(dǎo)引、跟蹤、射擊，車長(zhǎng)和炮手協(xié)同操作訓(xùn)練及可靠性考核試驗(yàn)，產(chǎn)品性能滿足戰(zhàn)技指標(biāo)和使用要求，模擬訓(xùn)練器運(yùn)行正常。該模擬訓(xùn)練器為主裝備盡快形成戰(zhàn)斗力，提供了有力的技術(shù)保障。

動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器性能滿足戰(zhàn)技指標(biāo)要求，能夠完成自行高炮的各項(xiàng)科目訓(xùn)練，具有較強(qiáng)的綜合訓(xùn)練能力和一定的創(chuàng)新實(shí)用性。并具有功能齊全、安全可靠、運(yùn)輸及維修方便等特點(diǎn)。動(dòng)態(tài)模擬訓(xùn)練器的成功研制，為后續(xù)研發(fā)新型號(hào)自行高炮模擬訓(xùn)練器的研制奠定了基礎(chǔ)，具有一定的參考和推廣價(jià)值。

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