馮保忠，王 斌，孫大偉，李永恒

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外最新研制或者裝備的大口徑火炮系統(tǒng)中，彈藥輸送的快速性及自動(dòng)化程度越來(lái)越高［1-2］。這些火炮中的彈倉(cāng)往往采用回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，例如:韓國(guó)的K9彈藥輸送車、美國(guó)“十字軍騎士”火炮系統(tǒng)及德國(guó)DONAR火炮系統(tǒng)都采用了回轉(zhuǎn)式彈倉(cāng)。回轉(zhuǎn)式彈倉(cāng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性強(qiáng)，控制簡(jiǎn)單，取彈速度高的優(yōu)點(diǎn)。

為了適應(yīng)現(xiàn)代火炮發(fā)展，設(shè)計(jì)了一種新型回轉(zhuǎn)式彈倉(cāng)，其傳動(dòng)與鏈條傳動(dòng)相似，彈筒鉸接組成彈鏈，彈鏈支撐在底座上，底座內(nèi)設(shè)計(jì)了一條軌道，這條軌道限制彈筒沿著軌道運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了傳動(dòng)可靠性，保證了彈鏈有效回轉(zhuǎn)，減小彈筒的跳動(dòng)。所以軌道的設(shè)計(jì)優(yōu)劣決定了整個(gè)彈鏈周向運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)與否，但軌道最初的設(shè)計(jì)采用幾何方法繪制所得，缺少理論依據(jù)不理想。

1 回轉(zhuǎn)式彈倉(cāng)結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)式彈倉(cāng)一般由儲(chǔ)彈筒部件、連接部件、底座部件和驅(qū)動(dòng)部件組成。如圖1所示，彈丸固定在儲(chǔ)彈筒組件內(nèi)，相鄰的兩個(gè)儲(chǔ)彈筒組件通過(guò)連接部件兩兩鉸接在一起，組成閉合的回轉(zhuǎn)彈鏈。整條彈鏈支撐在底座部件上，底座部件由內(nèi)外兩部分導(dǎo)軌組成，形成回轉(zhuǎn)軌道，每個(gè)儲(chǔ)彈筒底部伸出轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸限制在回轉(zhuǎn)軌道內(nèi)。處在彈鏈中部的驅(qū)動(dòng)部件通過(guò)撥動(dòng)儲(chǔ)彈筒組件底部的轉(zhuǎn)軸，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)彈鏈進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)儲(chǔ)彈筒轉(zhuǎn)至軌道取彈位置時(shí)，就可以由其他機(jī)構(gòu)將彈丸取出。某回轉(zhuǎn)彈倉(cāng)回轉(zhuǎn)軌道中心線形狀為長(zhǎng)“O”形，如圖2所示。

圖1 彈倉(cāng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)回轉(zhuǎn)軌道可以分成4部分，2段直線和2段曲線，2段曲線和2段直線都是對(duì)稱的。曲線段軌道在最初設(shè)計(jì)時(shí)采用描點(diǎn)的方法繪制，發(fā)現(xiàn)近似為橢圓曲線，后用橢圓取代，但該方法所選點(diǎn)數(shù)有限不夠全面，缺乏理論根據(jù)。而曲線段軌道起到協(xié)調(diào)兩側(cè)直線段上儲(chǔ)彈筒運(yùn)動(dòng)的重要作用，準(zhǔn)確的曲線軌道才能保證儲(chǔ)彈筒在直線段的速度相同，有效協(xié)調(diào)兩側(cè)儲(chǔ)彈筒的運(yùn)動(dòng)，否則就會(huì)引起儲(chǔ)彈筒運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)。由文獻(xiàn)［3］中可知鏈傳動(dòng)過(guò)程中，鏈條運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)會(huì)造成鏈節(jié)跳動(dòng)，如果彈鏈跳動(dòng)會(huì)使得儲(chǔ)彈筒定位不準(zhǔn)。本文通過(guò)理論分析精確求解得到曲線段隱函數(shù)方程，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證求解所得方程曲線較橢圓曲線更加理想。

2 回轉(zhuǎn)軌道中心線求解

回轉(zhuǎn)軌道由2條平行直線及2條U形線相連形成如圖所示軌跡曲線，A代表第n-1個(gè)儲(chǔ)彈筒組件，B代表第n個(gè)儲(chǔ)彈筒組件，C代表第n+1個(gè)儲(chǔ)彈筒，AB、BC分別為相鄰儲(chǔ)彈筒間鉸接連桿，A端受到驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)使得AB運(yùn)動(dòng)，通過(guò)鉸接點(diǎn)B再驅(qū)動(dòng)BC運(yùn)動(dòng)。A點(diǎn)和C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，為了保證整條彈鏈運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，A點(diǎn)和C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度數(shù)值必須是相同的。由于B點(diǎn)限制在軌道U形區(qū)段，所以U形區(qū)域軌跡的設(shè)計(jì)影響整條彈鏈的可行性，整個(gè)軌道中心線的求解問(wèn)題主要是U形曲線段的求解。

圖2 軌道中心線

這里將問(wèn)題抽象為數(shù)學(xué)模型，作如下分析。為了方便分析作如下假設(shè):①儲(chǔ)彈筒在豎直方向上不存在位移;②儲(chǔ)彈筒AB、BC上的A、B、C 3點(diǎn)都沿軌道中心線運(yùn)動(dòng)，不存在脫離現(xiàn)象;③A、B的初始位置分別A0，B0。繪制如圖所示的平面坐標(biāo)系，將問(wèn)題假設(shè)為:A點(diǎn)以V的速度向左側(cè)前進(jìn)，B點(diǎn)以大小為V的速度向右側(cè)前進(jìn)，C點(diǎn)經(jīng)過(guò)的路線即所求軌跡。

A點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1)=(l-Vt，L/2)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(x2，y2)=(Vt，-L/2)，C點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y)，滿足條件

C點(diǎn)軌跡與V無(wú)關(guān)，令V=1帶入到式(1)中，整理后得到C點(diǎn)軌跡的隱函數(shù)

3 軌道模型建立及仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軌道回轉(zhuǎn)段是橢圓曲線還是方程曲線，首先要按照2種曲線建立軌道模型，在軌道模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用UG/motion模塊分別對(duì)2種軌道進(jìn)行仿真運(yùn)算。比較分析2種仿真所得結(jié)果。橢圓曲線可以利用橢圓功能直接繪制，而所求方程曲線就要用規(guī)律曲線功能。在UG中繪制規(guī)律曲線就要用到軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能。

［4-5］中可知UG軟件有強(qiáng)大參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，可以繪制各種復(fù)雜的曲線，要實(shí)現(xiàn)方程曲線的繪制，必須要用到表達(dá)式功能。在創(chuàng)建表達(dá)式時(shí)要注意一下幾點(diǎn):①表達(dá)式左側(cè)必須是一個(gè)簡(jiǎn)單變量，等式右側(cè)是一個(gè)數(shù)學(xué)語(yǔ)句或一個(gè)條件語(yǔ)句;② 所有表達(dá)式均有一個(gè)值(實(shí)數(shù)或者整數(shù))，該值被賦給表達(dá)式的左側(cè)變量;③ 表達(dá)式等式的右側(cè)可認(rèn)為是含有變量、數(shù)學(xué)、運(yùn)算符和符號(hào)的組合和常數(shù);④用于表達(dá)式等式右側(cè)中的每一個(gè)變量，必須作為一個(gè)表達(dá)式名字出現(xiàn)在某處。

為滿足表達(dá)式要求，需要將所求方程曲線參數(shù)化，這里引入變量t，經(jīng)過(guò)整理得出參數(shù)化方程式

根據(jù)所得參數(shù)化方程建立軌道中心線，進(jìn)而建立軌道模型如圖3所示。圖3中左側(cè)軌道曲線段依據(jù)橢圓建立，右側(cè)軌道曲線段依據(jù)方程曲線建立。為了方便分析，這里將處在曲線段的儲(chǔ)彈筒及左右各一個(gè)儲(chǔ)彈筒由彈鏈中單獨(dú)取出作為研究對(duì)象，并對(duì)儲(chǔ)彈筒組件及軌道模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

首先在3個(gè)儲(chǔ)彈筒中，每相鄰的2個(gè)之間建立鉸接，并限制3個(gè)儲(chǔ)彈筒沿軌道運(yùn)動(dòng)。分別對(duì)右側(cè)儲(chǔ)彈筒給予一初始速度(設(shè)定為37 mm/s)作為驅(qū)動(dòng)端，使中間儲(chǔ)彈筒沿著曲線段運(yùn)動(dòng)，對(duì)末端儲(chǔ)彈進(jìn)行速度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4中橫軸為時(shí)間，縱軸為末端速度幅值，細(xì)線表示左側(cè)模型檢測(cè)結(jié)果，粗線表示右側(cè)模型檢測(cè)結(jié)果。從圖表可以觀察到在前期時(shí)間內(nèi)，左側(cè)模型末端儲(chǔ)彈筒的速度值圍繞37 mm/s上下浮動(dòng)，而右側(cè)模型末端儲(chǔ)彈筒的速度恒為37 mm/s;在停止運(yùn)動(dòng)瞬間，左側(cè)模型較右側(cè)模型產(chǎn)生的震蕩更大。由此可以得出軌道曲線段若為橢圓時(shí)會(huì)造成驅(qū)動(dòng)端與末端運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，而曲線段為方程曲線的軌道，驅(qū)動(dòng)端和末端儲(chǔ)彈筒速度相同運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。

圖3 仿真模型

圖4 仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，本文通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型求解所得曲線是較為理想的曲線，該曲線能夠滿足設(shè)計(jì)要求。本文求解軌道曲線的方法，對(duì)同類型問(wèn)題具有參考意義。隨著彈藥輸送自動(dòng)化程度的提高，回轉(zhuǎn)式模塊彈藥倉(cāng)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，同時(shí)其軌道的設(shè)計(jì)也將受到廣泛重視。

在本文中解決了儲(chǔ)彈筒間距與兩直線段軌道間距相同這種特定情況下軌道求解問(wèn)題，但是隨著回轉(zhuǎn)式模塊彈藥倉(cāng)的應(yīng)用，必然會(huì)出現(xiàn)間距不同的情況，甚至異型(非長(zhǎng)“O”形)軌道的情況，在復(fù)雜情況下彈藥倉(cāng)軌道的精確求解問(wèn)題將是以后研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

［1］梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動(dòng)裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢(shì)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2010(3)：103-107.

［2］中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).2008-2009兵器科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［3］蒲良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］江洪，酈祥林，李春表，等.UG 5.0典型實(shí)例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］胡小康.UG NX4運(yùn)動(dòng)分析培訓(xùn)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.