李永振，楊 臻，朱明一，高驍波

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國兵器裝備研究所，北京 102202）

小口徑艦炮是抗擊低空飛機(jī)和直升機(jī)和巡航導(dǎo)彈等來襲目標(biāo)的重要武器裝備，是形成驅(qū)逐艦、航母等防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著自動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小口徑艦炮的射速得到了很大的提高，炮彈消耗速度加快，炮彈補(bǔ)給成為了艦炮具備持續(xù)作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵技術(shù)。

現(xiàn)有的補(bǔ)彈裝置多為有鏈補(bǔ)彈，彈鏈易發(fā)生故障，且增加了彈鏈的質(zhì)量［1］，機(jī)構(gòu)比較繁瑣，無法實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)彈；同時(shí)，彈鏈補(bǔ)彈的彈箱容彈量較少。國內(nèi)裝備的30mm 轉(zhuǎn)管艦炮采用彈鼓供彈，采用硬質(zhì)彈夾，由人工將彈夾上提至入彈口進(jìn)行補(bǔ)彈，勞動強(qiáng)度大，補(bǔ)彈速度慢。國外無鏈補(bǔ)彈系統(tǒng)有美國的A10飛機(jī)無鏈補(bǔ)彈裝置。

筆者針對某小口徑艦炮的彈鼓裝彈數(shù)量有限、射速高、當(dāng)完成幾次射擊后需及時(shí)補(bǔ)彈［2］的問題，設(shè)計(jì)了一種新型彈箱。新設(shè)計(jì)的彈箱屬于大容量無鏈補(bǔ)彈系統(tǒng)。其后連接翻轉(zhuǎn)裝置，在整個(gè)補(bǔ)彈裝置中起到存貯、運(yùn)輸和快速補(bǔ)給炮彈的作用，炮彈存儲量大，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化快速、連續(xù)補(bǔ)彈，是彈鼓式無鏈補(bǔ)彈系統(tǒng)的核心部件。

1 彈箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈箱采用傾斜補(bǔ)彈方式，即彈箱內(nèi)部補(bǔ)彈裝置與水平面呈30°夾角，可減小補(bǔ)彈所需電機(jī)功率，有效利用炮彈自重，經(jīng)濟(jì)性較好。同時(shí)，彈箱裝彈入口的高度適中，人工操作方便。彈箱容彈量為600發(fā)。

彈箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。各機(jī)構(gòu)作用如下：

1）箱體：用于固定補(bǔ)彈裝置各部件。

2）彈夾：用于將炮彈放置于其內(nèi)部，方便搬運(yùn)和補(bǔ)彈。

3）壓彈機(jī)構(gòu)：用于實(shí)現(xiàn)補(bǔ)彈過程中彈夾跟隨壓彈機(jī)構(gòu)下移，保證補(bǔ)彈及時(shí)可靠。

4）提彈機(jī)構(gòu)：將撥彈機(jī)構(gòu)撥出的彈藥提出，并與之配合實(shí)現(xiàn)連續(xù)無空位補(bǔ)彈。

5）阻彈機(jī)構(gòu)：用于控制出彈口，實(shí)現(xiàn)單個(gè)彈夾出彈，防止彈夾中的最后一發(fā)炮彈因彈夾空位使炮彈回跳，形成卡彈，同時(shí)將下一個(gè)彈夾的出口擋住，防止下一個(gè)彈夾中的第一發(fā)炮彈滑出，使出彈口卡滯。

6）撥彈機(jī)構(gòu)：用于將炮彈從彈夾中撥出，并配合提彈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)無空位補(bǔ)彈［3］。

7）傳動螺桿機(jī)構(gòu)：用于將下滑的彈夾擋住，實(shí)現(xiàn)勻速下移，并在補(bǔ)彈結(jié)束時(shí)實(shí)現(xiàn)減速和停止補(bǔ)彈。

8）傳動系統(tǒng)：包括減速器、彈簧馬達(dá)、各傳動軸和齒輪等，用于傳遞動力，同時(shí)防止補(bǔ)彈系統(tǒng)過載，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)和緩解沖擊。

9）電機(jī)：用于提供彈箱各機(jī)構(gòu)的動力。

10）直線導(dǎo)軌：用于托住被撥炮彈所在彈夾體內(nèi)的所有炮彈，防止其因自重歪斜增加撥彈阻力。

11）彈夾導(dǎo)軌：用于固定彈夾在補(bǔ)彈過程中的姿態(tài)，保證順利補(bǔ)彈。

12）后端蓋：用于使彈夾導(dǎo)軌形成閉合回路。

彈箱通過上述各組件協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)補(bǔ)彈，使補(bǔ)彈順利、高效的進(jìn)行，保證炮彈補(bǔ)給［4－5］，使武器具備持續(xù)作戰(zhàn)能力。

2 彈箱工作原理

2.1 裝彈過程

本設(shè)計(jì)彈箱裝彈方式有兩種：彈夾裝彈和單發(fā)裝彈。

1）彈夾裝彈。先將炮彈裝入剛性彈夾，使彈夾突緣夾住彈殼底部的拉殼溝槽［2］。彈夾裝彈量為20發(fā)，總質(zhì)量為15kg。人工將裝滿炮彈的彈夾依次由彈箱入口裝入，因彈夾導(dǎo)軌與水平面成30°傾角，且壓彈機(jī)構(gòu)壓彈齒可向內(nèi)單向壓下，彈夾在自重作用下，可人工輕微推動使彈夾壓下壓彈齒并沿其導(dǎo)軌下移，直至將彈箱裝滿。最下方彈夾由傳動螺桿頂住，阻止其繼續(xù)下滑。彈箱入口如圖2所示。

2）單發(fā)裝彈。將炮彈從彈箱側(cè)面補(bǔ)彈口裝入，如圖3所示。此時(shí)彈箱內(nèi)部彈夾卡口機(jī)構(gòu)將被裝彈夾固定，直至彈夾裝滿，人工向下推動彈夾，彈夾即可向下運(yùn)動，脫離彈夾卡口機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對彈夾補(bǔ)彈。彈夾卡口機(jī)構(gòu)如圖4所示。此時(shí)下一個(gè)彈夾進(jìn)入補(bǔ)彈位置，再次對下一個(gè)彈夾補(bǔ)彈。

2.2 補(bǔ)彈過程

補(bǔ)彈時(shí)，壓彈機(jī)構(gòu)上的壓彈齒沿導(dǎo)軌向下壓彈夾，同時(shí)，傳動螺桿機(jī)構(gòu)將最下方的3個(gè)彈夾擋住，使彈夾勻速下移。如圖5所示。

撥彈機(jī)構(gòu)上的撥彈齒將最下面裝滿炮彈的彈夾中的第一發(fā)炮彈撥動并沿彈夾軌道移動，將炮彈從彈夾的一側(cè)依次擠出出彈口。

托彈機(jī)構(gòu)托住被撥彈藥所在彈夾體的彈藥，防止其因自重歪斜增加撥彈阻力。

阻彈機(jī)構(gòu)控制阻彈齒下降約一個(gè)彈夾距的1／20（補(bǔ)20 發(fā)炮彈，彈夾下降約一個(gè)彈夾距50.8 mm），擋住提彈機(jī)構(gòu)上的炮彈，防止彈夾中的最后一發(fā)炮彈在進(jìn)入提彈機(jī)后又反跳回暫時(shí)空著的撥彈機(jī)上，同時(shí)防止下一個(gè)彈夾內(nèi)的第一發(fā)炮彈滑入撥彈機(jī)而產(chǎn)生卡彈。

提彈機(jī)構(gòu)將撥彈機(jī)構(gòu)撥入的炮彈上提，并沿其固定軌道運(yùn)動。補(bǔ)彈過程如圖6所示。

炮彈由提彈機(jī)構(gòu)上提后，經(jīng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將炮彈翻轉(zhuǎn)至水平方向，再由補(bǔ)退彈接口裝置輸送至軟導(dǎo)引，最后由軟導(dǎo)引將炮彈送入彈鼓。軟導(dǎo)引與彈鼓對接時(shí)，軟導(dǎo)引接口上的聯(lián)動齒輪與彈鼓接口處的齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動［6］。

3 彈箱運(yùn)動學(xué)仿真分析

通過三維建模軟件CATIA 對彈箱各零部件三維建模，并導(dǎo)入ADAMS對彈箱進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。仿真的初始條件為：每發(fā)炮彈的質(zhì)量為0.71kg，補(bǔ)彈速度為200 發(fā)／min。

仿真得出彈夾中的第一發(fā)炮彈在整個(gè)補(bǔ)彈過程中的受力曲線如圖7所示，炮彈的位移曲線如圖8所示。炮彈在0.015s時(shí)受到大小為36N 的瞬時(shí)力的作用，使炮彈開始移動。在0.45s時(shí)刻，炮彈從彈夾中被撥出，并受到大小為1 021N 提彈機(jī)構(gòu)瞬時(shí)力的作用，使炮彈改變運(yùn)動方向，由原來沿z軸方向運(yùn)動變?yōu)檠豿軸方向運(yùn)動。其他時(shí)刻炮彈受力較小，可保證炮彈在補(bǔ)彈過程中無受力變形，確保補(bǔ)彈裝置的可行性［7］。

補(bǔ)彈過程中，在阻彈機(jī)構(gòu)的作用下，前一個(gè)彈夾中的最后一發(fā)炮彈與后一個(gè)彈夾中的第一發(fā)炮彈不會發(fā)生撞擊。

圖9為彈夾中的最后一發(fā)炮彈在補(bǔ)彈過程中的受力曲線圖。炮彈受到撥彈機(jī)構(gòu)撥彈齒的瞬時(shí)力600N 后開始補(bǔ)彈，移動過程受力較小。至5.7 s時(shí)，炮彈運(yùn)動至出彈口，受到提彈機(jī)構(gòu)瞬時(shí)力1 871N 作用，使炮彈改變運(yùn)動方向，由原來沿z軸方向運(yùn)動變?yōu)檠豿軸方向運(yùn)動。此后進(jìn)入提彈機(jī)構(gòu)軌道運(yùn)動，受力較小。

最后一發(fā)炮彈的位移曲線如圖10所示。圖10的（a）中0－5.7s為一傾斜直線，為炮彈在向出口運(yùn)動的同時(shí)也跟隨彈夾沿x軸運(yùn)動。整個(gè)補(bǔ)彈過程炮彈不會因受力過大而損壞炮彈，使補(bǔ)彈順利進(jìn)行。

由于炮彈之間存在少量間隙，在撥彈時(shí)，第一發(fā)炮彈的受力時(shí)間相對最后一發(fā)炮彈受力時(shí)間延遲0.015s。

經(jīng)計(jì)算，彈箱中的電機(jī)功率為258.5 W。補(bǔ)彈總數(shù)為600發(fā)，時(shí)間為3min。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)彈箱容彈量較大，彈箱入口高度適中，人工操作方便；采用30°傾角，實(shí)現(xiàn)了低功耗補(bǔ)彈；實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)彈的全自動化，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、連續(xù)補(bǔ)彈，減少補(bǔ)彈時(shí)間。提供了一種快速、高效的補(bǔ)彈方式，為今后快速補(bǔ)彈裝置的研究提供一種設(shè)計(jì)思路。

通過對彈箱補(bǔ)彈過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得出炮彈在補(bǔ)彈過程中的受力圖和位移曲線圖，通過分析可知，此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動化連續(xù)、快速補(bǔ)彈，具有較高的補(bǔ)彈效率，為今后補(bǔ)彈裝置的研制奠定了基礎(chǔ)。

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