劉朋展，薄玉成，王惠源，張鵬軍

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

目前輸彈機(jī)常用的輸彈方式有強(qiáng)制輸彈和彈射輸彈兩種，采用彈射輸彈時(shí)彈丸具有較大的初速，所以輸彈時(shí)間短，有利于提高火炮射速，但彈射輸彈時(shí)彈丸姿態(tài)的穩(wěn)定性對(duì)輸彈可靠性的影響較大.文獻(xiàn)［1-3］中敘述了輸彈機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，文獻(xiàn)［4-12］中敘述了輸彈機(jī)設(shè)計(jì)中的一些方法和需要注意的問題.由于彈射式輸彈方式中輸彈機(jī)只有在強(qiáng)制段中對(duì)彈丸產(chǎn)生作用，彈丸在強(qiáng)制行程末端的姿態(tài)是最終可控量，決定了彈丸能否可靠地裝填，所以對(duì)強(qiáng)制段中彈丸的受力情況和姿態(tài)進(jìn)行了分析，以提高輸彈的可靠性和一致性.

彈射式輸彈機(jī)的輸彈過程分為強(qiáng)制與慣性兩個(gè)階段.強(qiáng)制輸彈階段輸彈機(jī)驅(qū)動(dòng)彈丸完成加速過程，使得彈丸獲得一定的速度.慣性輸彈階段從輸彈臂與彈丸分離點(diǎn)開始，彈丸依靠慣性進(jìn)入炮膛，在到達(dá)卡膛位置時(shí)彈丸依靠動(dòng)能擠入膛線結(jié)束.本文分析的臂式輸彈機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 臂式輸彈機(jī)原理Fig.1 Theory of arm-type ramming

1 輸彈過程分析與輸彈力計(jì)算

在輸彈過程中，太陽輪與固定滑板保持不動(dòng)，擺臂在驅(qū)動(dòng)力的作用下繞太陽輪回轉(zhuǎn)，推彈臂與推彈齒輪是剛性連接，運(yùn)動(dòng)傳遞到推彈臂末端的推彈輪，推彈輪做一個(gè)近似直線運(yùn)動(dòng)推動(dòng)彈丸，使得彈丸獲得一定的動(dòng)能，從而使炮彈裝填入身管.

圖2 推彈力計(jì)算原理Fig.2 Theory of force calculate

假設(shè)在角度一定時(shí)，臂式推彈機(jī)推彈輪處的推彈力是恒定的，推彈力作用點(diǎn)在炮彈尾部中心，推彈力方向平行于彈丸軸線，彈丸在輸彈槽上滑動(dòng)，摩擦系數(shù)μ2 ＝0.05.假設(shè)在炮彈進(jìn)入身管后只與身管發(fā)生滑動(dòng)摩擦，其摩擦系數(shù)μ1 ＝0.22.其原理圖如圖2 所示.

需要的推彈力有以下關(guān)系：

式中：F為推彈力；θ為射角；S為推彈行程；vt為炮彈的卡膛速度；L為炮彈在身管內(nèi)的行程；m為彈丸質(zhì)量；l為炮彈在輸彈槽上的行程；H為炮彈從初始位置到終點(diǎn)上升的垂直高度.

以某火炮為例，取參數(shù)值為：S＝0.3 m，L＝0.6 m，l＝0.8 m，H＝1.7sinθ，v0＝3m／s，m＝21.5kg.編寫Matlab 程序計(jì)算得到推彈力隨射角變化的曲線，如圖3 所示.

圖3 推彈力變化Fig.3 Change of ramming force

當(dāng)推彈點(diǎn)偏離彈丸軸線位置時(shí)，推彈力方向與彈丸質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方向不在一條直線上，彈丸上會(huì)產(chǎn)生力矩.彈丸是靠本身重力放置在輸彈槽上的，當(dāng)力矩較大時(shí)，彈丸會(huì)在豎直方向有轉(zhuǎn)動(dòng)，即彈丸會(huì)發(fā)生頭部翻轉(zhuǎn)或者尾部翹起.輸彈槽為V 型槽，彈丸軸線垂直方向的位移被限制，當(dāng)推彈力在此方向上偏離推彈質(zhì)心時(shí)，不會(huì)影響彈丸的姿態(tài)，因此可忽略不計(jì).

圖4 彈丸受力分析圖Fig.4 Force analysis of cannonball

當(dāng)推彈力偏離彈丸形心位置向下時(shí)，會(huì)使彈丸產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩，如圖4 所示.當(dāng)彈丸放置在V型槽上時(shí)，彈丸上彈帶與定形部與V 型槽接觸定位，將模型簡化為彈丸在V 形槽上的支撐點(diǎn)有兩個(gè)于A和B.當(dāng)B點(diǎn)對(duì)V 形槽的壓力為零時(shí)，彈丸處與翻轉(zhuǎn)的臨界狀態(tài)，此時(shí)的推彈力為臨界推彈力.在推彈力偏心距為e時(shí)，臨界力F有以下關(guān)系：

取偏心e＝0.02 m，其中m＝21.5kg，g＝9.8，l2＝0.2m.編寫Matlab 程序計(jì)算在各個(gè)角度的臨界推彈力，并將推彈力（實(shí)線）與臨界力（虛線）進(jìn)行比較（如圖5 所示），得出在輸彈角度大于等于52°時(shí)，彈丸將發(fā)生翻轉(zhuǎn).

圖5 推翻力與推彈力比較Fig.5 Force compare of ramming and rolling-over

由以上分析可知，當(dāng)推彈點(diǎn)在彈丸中心以下時(shí)，射角越高，彈丸越容易發(fā)生翻轉(zhuǎn).彈丸的翻轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生彈丸軸線與身管軸線的偏角，當(dāng)彈丸裝填入身管時(shí)，此偏角會(huì)引起彈丸與身管的撞擊，從而影響彈丸的裝填可靠性與一致性.當(dāng)彈丸翻轉(zhuǎn)角度較大裝填時(shí)，炮彈頭部會(huì)撞擊到炮管尾部，如果是實(shí)彈射擊的話就會(huì)造成重大事故，試驗(yàn)中就發(fā)生過這種情況.彈丸與身管的碰撞效果如圖6 所示.

圖6 彈丸與身管的碰撞效果Fig.6 Impact result of cannonball and cannon

在恒力推彈情況下，要保證彈丸在0°～70°時(shí)不發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則推彈偏心e的值應(yīng)小于10mm.

當(dāng)推彈點(diǎn)位置高于彈丸中心線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生使得彈丸尾部翹起的翻轉(zhuǎn)力矩，稱此時(shí)的推翻力為臨界推翻力，計(jì)算方法與推彈點(diǎn)低于中心時(shí)的計(jì)算方法類似.當(dāng)e＝0.01m 時(shí)，如圖7 所示推彈力（實(shí)線）與臨界推翻力（虛線）曲線.

由以上分析可知，當(dāng)推彈點(diǎn)位置高于彈丸中心線超過0.01m 時(shí)，彈丸尾部可能會(huì)發(fā)生翹起，使彈丸尾部向上偏離中心線，但是偏離后，推彈輪位置下降，彈丸尾部落下.此過程中會(huì)產(chǎn)生很大的能量損失，但彈丸姿態(tài)不可控.

圖7 推彈力與臨界推翻力比較圖Fig.7 Compare of ramming force and overturn force

2 模型修正

1）在實(shí)際試驗(yàn)中，臂式推彈機(jī)提供的推彈力并不是恒定的.輸彈臂是由電機(jī)帶動(dòng)的，由于電機(jī)工作時(shí)間很短，要使推彈力恒定，電機(jī)的控制難度非常大.在試驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得的射角為60°時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線如圖8 所示.

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig.8 Speed of dynamo

將電機(jī)速度曲線代入ADAMS 中進(jìn)行仿真，求得彈丸的加速度曲線，如圖9 所示.

圖9 推彈臂末端加速度曲線Fig.9 Acceleration of rammer tip

由圖9 可知，在0.106s 時(shí)電機(jī)提供的加速度為整個(gè)行程中的最大值，此時(shí)的加速度是輸彈滑板與推彈臂減速時(shí)的制動(dòng)力提供的.在0.03s時(shí)的推彈力為整個(gè)推彈行程中的最大推彈力.將實(shí)際最大推彈力與計(jì)算出的恒力推彈力比較，得到實(shí)際最大推彈力約是恒力情況下推彈力的3.85 倍.

2）試驗(yàn)中推彈輪的位移曲線并不是一條直線，而是一條在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的曲線，機(jī)構(gòu)的推彈速度、齒輪間隙與誤差對(duì)推彈輪豎直方向上的位移影響較大.實(shí)際測(cè)得推彈臂末端的位移曲線為一條先下降后上升的曲線.

由于推彈點(diǎn)位置的上下變化，會(huì)在推彈輪與彈丸接觸點(diǎn)產(chǎn)生摩擦力.此摩擦力在彈丸軸線的垂直方向上，并且與推彈輪在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)方向相反.這個(gè)摩擦力會(huì)對(duì)彈丸的姿態(tài)產(chǎn)生影響，當(dāng)推彈點(diǎn)位置下降時(shí)，摩擦力方向向上，產(chǎn)生使彈丸翻轉(zhuǎn)的力矩；當(dāng)推彈位置上升時(shí)，摩擦力方向向下，產(chǎn)生使彈丸頭部翹起的阻力.

此摩擦力的影響比較小，有以下兩個(gè)因素：①推彈臂末端與彈丸接觸處摩擦系數(shù)較小，并且推彈輪是滾動(dòng)的.②提供彈丸翻轉(zhuǎn)力矩時(shí)的時(shí)間是推彈剛開始時(shí)刻，此時(shí)推彈臂末端的加速度較小，推彈力較小.為防止此摩擦力對(duì)輸彈過程中彈丸的安全性產(chǎn)生影響，在計(jì)算過程中將彈丸翻轉(zhuǎn)力矩提高10%.

考慮上述因素，通過計(jì)算得到要使彈丸在強(qiáng)制行程內(nèi)不發(fā)生翻轉(zhuǎn)的偏心距e的范圍為在彈丸中心線下方0.002m 以上.此時(shí)的推彈力與推翻力比較如圖10 所示.在70°射角時(shí)，推彈力（實(shí)線）為1 500N，其4倍為6 000N，考慮安全因子后為6 600N，此時(shí)臨界翻轉(zhuǎn)力為7 600 N（虛線），彈丸不會(huì)翻轉(zhuǎn).

圖10 推彈力與推翻力比較圖Fig.10 Compare of ramming force and overturn force

3 模型驗(yàn)證

通過高速攝影觀察彈丸在強(qiáng)制輸彈過程中彈丸的姿態(tài)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果.高速攝影3 個(gè)時(shí)刻的推彈圖如圖11所示.與實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從彈丸姿態(tài)上看其計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際.

圖11 高速攝影圖Fig.11 High speed photos

4 結(jié)論

通過對(duì)臂式輸彈機(jī)基本結(jié)構(gòu)的分析，建立了彈丸在強(qiáng)制行程內(nèi)姿態(tài)計(jì)算的理論模型，并通過實(shí)驗(yàn)分析了計(jì)算結(jié)果.通過實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題與實(shí)際機(jī)械模型的誤差對(duì)理論計(jì)算模型進(jìn)行了修正，得到合適的推彈點(diǎn)位置范圍.在臂式輸彈機(jī)輸彈過程中，若推彈點(diǎn)在彈丸尾部中心位置，則彈丸姿態(tài)是穩(wěn)定的.由于實(shí)際模型誤差及加工、裝配誤差，使得推彈點(diǎn)會(huì)偏離彈丸尾部中心位置，這使在推彈臂末端的推彈點(diǎn)位置選擇有了要求.通過分析得到要使得彈丸姿態(tài)保持穩(wěn)定，推彈臂末端推彈點(diǎn)位置范圍是彈丸中心線下2mm 以上，最優(yōu)位置為彈丸中心線以上0.02m 處.

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