劉海濤，高躍飛，信義兵，劉海剛

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

車載火炮作為重要的陸軍武器之一，集成了牽引火炮和自行火炮二者的優(yōu)點(diǎn)，因其具有質(zhì)量輕、機(jī)動能力強(qiáng)，便于運(yùn)輸、在戰(zhàn)場上易于快速戰(zhàn)略部署等優(yōu)勢在部隊(duì)得到大規(guī)模的裝備［1－3］。然而低射速是車載火炮的一個弱點(diǎn)，主要原因是車載火炮的彈藥裝填多為人工輸送或?yàn)榘胱詣友b填。針對此情形，設(shè)計(jì)了一種能夠快速連續(xù)供彈藥的全自動化供輸彈裝置，該裝置省略了常規(guī)裝填裝置中輸彈機(jī)和彈倉之間必需的供彈轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，且彌補(bǔ)了常規(guī)裝填裝置中藥筒需要人工擺放到輸藥盤上這一缺點(diǎn)，完全實(shí)現(xiàn)了彈和藥的自動化裝填，大大提高了車載火炮的射速，為增加火力贏取戰(zhàn)爭的勝利提供了強(qiáng)有力的條件。

1 供輸彈裝置整體結(jié)構(gòu)

本供輸彈裝置放置在車載火炮搖架尾部后方，整套裝置與身管保持平行，共同俯仰，因此可以省略掉常規(guī)炮塔式自行火炮自動裝填裝置中的輸彈機(jī)和彈倉之間必需的供彈轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，大大縮短了彈藥裝填時間。

本設(shè)計(jì)總體方案采用彈鼓式儲彈和藥鼓式儲藥，單線推彈藥，雙向擺臂機(jī)構(gòu)間歇擺彈藥，輸彈(藥)機(jī)輸彈藥的供彈方式。彈鼓機(jī)構(gòu)和藥鼓機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)儲彈并將彈丸和藥筒一發(fā)一發(fā)間歇回轉(zhuǎn)到推彈藥機(jī)構(gòu)推板處，推彈藥機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將彈丸和藥筒準(zhǔn)確安全地推送到雙向擺臂機(jī)構(gòu)的通道中，擺彈器和擺藥器將彈丸和藥筒間歇的擺到供彈中心線，輸彈(藥)機(jī)先后推動彈丸和藥筒進(jìn)入炮膛。供輸彈裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 供輸彈裝置整體結(jié)構(gòu)

2 供輸彈裝置設(shè)計(jì)

2.1 彈鼓和藥鼓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈藥鼓機(jī)構(gòu)在整個供輸彈裝置中起彈丸和藥筒供給的作用，彈藥鼓供給的彈藥由推彈藥機(jī)構(gòu)推送到前方通道。因此彈藥在彈藥鼓中完成了從裝填位置到推彈藥機(jī)構(gòu)推送位置的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

如圖2所示，彈鼓機(jī)構(gòu)中的9個儲彈筒整周均勻布置在中心輪2上，中心輪1、2和行星輪以及行星輪擋圈等組成彈鼓機(jī)構(gòu)的整周間歇回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。布置在彈藥鼓機(jī)構(gòu)前方的轉(zhuǎn)向錐齒輪組、傳動軸和固定座等組成整個彈藥鼓機(jī)構(gòu)的傳動系統(tǒng)。藥鼓機(jī)構(gòu)和彈鼓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類似，只是在外形尺寸上有所差別，藥鼓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不再贅述。供彈時，傳動系統(tǒng)驅(qū)動彈鼓機(jī)構(gòu)和藥鼓機(jī)構(gòu)完成同步的相向間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動，即轉(zhuǎn)動40°，彈鼓和藥鼓停歇，此時推彈藥機(jī)構(gòu)完成間歇推送動作，即彈藥鼓停歇期間推彈藥機(jī)構(gòu)完成一次推送動作并回到初始位置然后靜止，等待下一次推送。

圖2 彈藥鼓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

為保證供輸彈裝置正常運(yùn)行，分度機(jī)構(gòu)必須分度準(zhǔn)確以保證彈藥鼓機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確回轉(zhuǎn)到推彈藥機(jī)構(gòu)推送處，同時要求推彈藥機(jī)構(gòu)推送行程必須精準(zhǔn)，以保證彈藥被推送至雙向擺臂機(jī)構(gòu)通道處停止，如果推送行程過大或過小都會使雙向擺臂機(jī)構(gòu)無法工作，導(dǎo)致供輸彈失敗。因此，分度機(jī)構(gòu)和推彈藥機(jī)構(gòu)均采用交流伺服電機(jī)，通過編碼器對交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制，精確控制分度機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動角度和推彈藥機(jī)構(gòu)的推送行程。

由于車載火炮在行軍和戰(zhàn)斗中車體必然會出現(xiàn)上下抖動和顛簸現(xiàn)象，這就造成儲存在彈鼓和藥鼓機(jī)構(gòu)中的彈藥在沒有任何約束的情況下便會與筒體產(chǎn)生撞擊和磕碰，甚至滑出筒體，這對彈藥本身和供輸彈動作的執(zhí)行都是非常不利的，為此設(shè)計(jì)了彈藥定位機(jī)構(gòu)以確保彈藥在筒體中相對靜止。

如圖3所示，彈丸置于儲彈筒中，彈丸的后端限位由后端限位板和扭簧完成，后端限位板可繞銷軸回轉(zhuǎn)。前端限位主要由弧形擋板和扭簧來完成，弧形擋板在扭簧的彈力作用下處于閉合狀態(tài)。在彈鼓機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)過程中，弧形擋板被前端限位板鎖住，此時推桿處于靜止?fàn)顟B(tài)，安裝在推桿上的凹形頂板頂住十字形回轉(zhuǎn)板的C分支，而與A分支連接的解鎖彈簧處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)彈鼓機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)到位間歇停止時，推彈藥機(jī)構(gòu)開始執(zhí)行推送彈藥動作，此時推桿向前移動，凹形頂板與十字形回轉(zhuǎn)板的C分支迅速分離，十字形回轉(zhuǎn)板在解鎖彈簧的作用力下繞軸旋轉(zhuǎn)，安裝在B分支上的解鎖頂桿以圓形軌跡推動限位桿，使限位桿受到撞擊力后回轉(zhuǎn)，前端限位板轉(zhuǎn)到筒體外側(cè)，達(dá)到解鎖狀態(tài)，彈丸在推彈板作用下前行同時將弧形擋板推開，當(dāng)彈丸脫離儲彈筒后，弧形擋板在扭簧作用力下閉合。此后推桿按原行程返回，在返回的過程中凹形頂板撞擊十字形回轉(zhuǎn)板C分支，回轉(zhuǎn)板回轉(zhuǎn)，解鎖頂桿與限位桿分離，限位桿在前端限位扭簧作用下帶動限位板轉(zhuǎn)回儲彈筒內(nèi)側(cè)，達(dá)到閉鎖狀態(tài)。而A分支壓縮解鎖彈簧，為下一次解鎖頂桿撞擊限位桿儲存能量，當(dāng)回轉(zhuǎn)板回轉(zhuǎn)到一定角度時，D分支與定位銷接觸，在定位銷和推彈藥機(jī)構(gòu)共同的作用下回轉(zhuǎn)板停止回轉(zhuǎn)，推桿靜止。此時彈鼓機(jī)構(gòu)間歇停止完畢，再次執(zhí)行回轉(zhuǎn)動作，待下一發(fā)彈丸回轉(zhuǎn)到位后定位機(jī)構(gòu)再次執(zhí)行以上解鎖閉鎖動作。藥筒在儲藥筒中的定位機(jī)構(gòu)與此類似，只是在尺寸上有所差異，不再贅述。

圖3 彈丸定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.2 推彈藥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

推彈藥機(jī)構(gòu)是負(fù)責(zé)將彈藥從彈藥鼓推送到雙向擺臂機(jī)構(gòu)的中間機(jī)構(gòu)，是整個裝置的關(guān)鍵部分，推彈藥機(jī)構(gòu)的性能、速度和加速度對整個裝置的影響最為顯著，直接影響到供彈的速率。

如圖4所示，編碼器對交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制，動力輸入到傳動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)帶動偏置曲柄連桿轉(zhuǎn)動，雙聯(lián)齒輪組驅(qū)動活動齒條直行，安裝在推桿兩側(cè)的推彈板和推藥板同時執(zhí)行推送彈藥動作。由于在一發(fā)炮彈射擊完畢后，藥殼會掉落在雙向擺臂系統(tǒng)的凹槽內(nèi)，因此在推彈藥機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)了推藥殼機(jī)構(gòu)。推藥殼機(jī)構(gòu)與推彈藥板共同前進(jìn)后退，在推彈藥板推彈藥的過程中同時將上一發(fā)射擊過后的藥殼推出系統(tǒng)之外。推殼板上裝有擋板，藥殼在掉落的過程中沿著擋板下落在凹槽中，推殼板與活動齒條之間通過連桿銜接，連桿可繞活動齒條上的軸回轉(zhuǎn)，為防止直行滾輪在凹槽內(nèi)行走時出現(xiàn)上下跳動現(xiàn)象，在壓桿板與連桿之間放置壓桿彈簧，以使?jié)L輪在凹槽內(nèi)行走時與其緊密貼合。

圖4 推彈藥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.3 雙向間歇擺臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙向間歇擺臂機(jī)構(gòu)主要用于接收推彈藥系統(tǒng)推送過來的彈藥，擺彈臂和擺藥臂間歇地向供彈中心線擺送彈藥，它也是整個裝置的關(guān)鍵部分之一，擺臂能否精確地?cái)[彈到位直接影響輸彈機(jī)的輸彈。

如圖5所示，雙向擺臂機(jī)構(gòu)主要由擺彈器和擺藥器以及間歇機(jī)構(gòu)3部分組成。擺彈器由擺彈連桿、擺彈臂和擺彈筒等組成，擺彈筒接收推彈藥機(jī)構(gòu)推送來的彈丸后在擺彈連桿的帶動下擺彈臂向輸彈(藥)板入口處擺送彈丸，擺彈器在定位緩沖板和間歇機(jī)構(gòu)聯(lián)合作用下在入口處間歇停止，輸彈機(jī)開始執(zhí)行輸彈動作，輸彈完畢后空回，擺彈臂按原行程返回到初始位置保持間歇靜止。此時擺藥器間歇靜止結(jié)束開始擺送藥筒，其結(jié)構(gòu)組成和擺送動作與擺彈器類似，擺藥到位后間歇停止，輸彈(藥)機(jī)推送藥筒進(jìn)入炮膛后空回，擺藥器按原行程返回到初始位置保持間歇靜止，等待下一次推彈藥機(jī)構(gòu)推送過來的彈藥。

圖5 雙向擺臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

擺彈器和擺藥器的間歇擺送動作主要由安裝在擺臂機(jī)構(gòu)上方的間歇機(jī)構(gòu)來控制。圖6為間歇控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，不完全齒輪組1和2中各含有一個半圓段輪齒的不完全齒輪，呈中心對稱布置，當(dāng)傳動系統(tǒng)帶動不完全齒輪組2中的不完全齒輪轉(zhuǎn)動時，與急回曲柄連桿2直行端的直行滑動條相固連的活動齒條驅(qū)動圓形齒輪2回轉(zhuǎn)，動力再依次通過錐齒輪組傳遞進(jìn)擺臂機(jī)構(gòu)。此過程中，不完全齒輪轉(zhuǎn)動75°，急回曲柄連桿實(shí)現(xiàn)去行程，擺彈臂擺彈到位，當(dāng)輸彈機(jī)輸彈完畢后，不完全齒輪再次轉(zhuǎn)動105°，急回曲柄連桿實(shí)現(xiàn)回行程，擺彈臂收回。其中不完全齒輪轉(zhuǎn)到75°后出現(xiàn)的間歇停止?fàn)顟B(tài)，即擺彈臂等待輸彈(藥)板執(zhí)行輸彈和空回動作的時間，主要依靠控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，180～360°出現(xiàn)的間歇停止?fàn)顟B(tài)，即擺彈臂等待擺藥臂執(zhí)行擺送藥筒和空回動作的時間，依靠不完全齒輪組的鎖止弧實(shí)現(xiàn)［4］。在不完全齒輪組2的180～360°角位移時期，不完全齒輪組1開始執(zhí)行一系列動作，其運(yùn)動過程與上同理。

2.4 輸彈(藥)機(jī)設(shè)計(jì)

輸彈機(jī)和輸藥機(jī)是將彈藥推送進(jìn)炮膛的重要裝置，也是整個供輸彈過程的最后環(huán)節(jié)［5－6］，輸彈機(jī)設(shè)計(jì)是否合理直接決定著彈丸能否準(zhǔn)確卡膛，為了達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊節(jié)省空間的目的，將輸彈機(jī)和輸藥機(jī)結(jié)合為一體。輸彈(藥)機(jī)為偏置曲柄齒輪齒條機(jī)構(gòu)，輸彈機(jī)輸彈為半強(qiáng)制行程輸彈，輸藥則為全強(qiáng)制行程輸藥［7］。輸彈(藥)機(jī)機(jī)構(gòu)的封閉向量方程式如圖7所示。

圖7 輸彈(藥)機(jī)機(jī)構(gòu)關(guān)系矢量

式中:r1為曲柄長度;r2為連桿長度;α為曲柄轉(zhuǎn)角;β為連桿轉(zhuǎn)角;x為齒輪位移量;e為齒輪與機(jī)座的位置差。將式(1)展開后分別取虛部和實(shí)部得

與市場上現(xiàn)有的低風(fēng)險(xiǎn)屬性的理財(cái)產(chǎn)品相比，短債基金優(yōu)勢明顯。與貨幣基金相比，短債基金能夠提供更有競爭力的收益率，能夠代表短期債券的中債-綜合財(cái)富（1年以下）指數(shù)自基日2001年12月31日以來及最近5年，年化收益率達(dá)4.06%，而2018年以來貨幣基金收益率持續(xù)降低，就連傳統(tǒng)“旺季”年末時點(diǎn)的7日年化收益率平均值也僅有2.95%（截至12月24日）。相較銀行理財(cái)產(chǎn)品，短債基金采取開放式運(yùn)作，建倉期過后沒有封閉周期，方便投資者隨用隨取，流動性更優(yōu)。

將式(3)對時間求導(dǎo)數(shù)得出速度

兩邊乘以e－iβ展開并取實(shí)部得

由式(6)、式(7)可知:此機(jī)構(gòu)為一行程和速度均放大的機(jī)構(gòu)，通過合理地控制α、β、ω1即可獲得輸彈機(jī)輸彈所需速度以及輸藥所需的長行程。

3 供輸彈裝置仿真分析

利用ADAMS軟件對供輸彈裝置的彈藥鼓機(jī)構(gòu)、推彈藥機(jī)構(gòu)，輸彈(藥)機(jī)以及擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。以重要組件推彈藥機(jī)構(gòu)和輸彈(藥)機(jī)為例，其相應(yīng)的動力學(xué)曲線如圖8～圖11所示。其他機(jī)構(gòu)速度、加速度等曲線不再贅述。

由圖8可知，推彈藥機(jī)構(gòu)的推彈板在0°射角下到達(dá)推彈行程終點(diǎn)時速度為0，推彈板對彈丸的推力在起始階段產(chǎn)生了瞬時沖擊力，主要因?yàn)橥茝棸迮c彈丸有一定距離所致。在推彈行程后半段推彈板對彈丸推力逐漸減小，這正是所期望的，對減小彈丸離開推彈板時的速度、減小沖擊、提高接口的可靠性、安全性大有好處，這樣的機(jī)構(gòu)比較合乎實(shí)際要求，能夠保證供彈平穩(wěn)且可快速完成。

圖8 0°射角下推彈藥系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖9 不同射角下彈丸頭部相對z軸偏移量曲線

圖10 不同射角下彈丸頭部相對y軸偏移量曲線

圖11 不同射角下推彈板和彈丸速度曲線

圖9～圖11為輸彈(藥)機(jī)輸彈過程部分動力學(xué)曲線，由圖9和圖10可知，在強(qiáng)制輸彈行程時間段內(nèi)，不同射角下彈丸頭部相對于y和z軸的位移偏移量沒有出現(xiàn)顯著的變化，即彈丸頭部沒有出現(xiàn)過大的上下左右擺動的現(xiàn)象，這說明輸彈(藥)機(jī)工作時彈丸的姿態(tài)是穩(wěn)定的，對彈丸進(jìn)入炮膛穩(wěn)定卡膛是有積極的意義的。彈丸出現(xiàn)明顯的擺動現(xiàn)象出現(xiàn)在慣性輸彈行程時間段，這是因?yàn)閺椡杳撾x輸彈(藥)板后進(jìn)入炮尾和身管，與其產(chǎn)出了一定的碰撞所導(dǎo)致的。

由圖11可知，在不同射角下，強(qiáng)制輸彈行程內(nèi)輸彈(藥)板和彈丸的速度都是在沒有明顯的波動情況下逐漸增加的，在強(qiáng)制輸彈結(jié)束時刻，根據(jù)仿真結(jié)果得出彈丸脫離輸彈(藥)板時速度均達(dá)到了vq，仿真數(shù)值與理論計(jì)算數(shù)值較為一致，當(dāng)彈丸脫離輸彈板后進(jìn)入慣性輸彈行程階段，此時彈丸通過炮尾進(jìn)入身管坡膛內(nèi)，由仿真結(jié)果看出此時的彈丸速度均達(dá)到了vk。在慣性輸彈行程末段，彈丸速度由vk迅速降低為零，說明此時彈丸卡膛到位，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

4 供輸彈裝置時序研究

供輸彈裝置工作過程為彈藥鼓機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動、推彈藥機(jī)構(gòu)推彈藥、擺臂機(jī)構(gòu)擺彈藥、輸彈(藥)機(jī)輸送彈藥組成，每一個動作都需要一定時間，如果采用并行時序設(shè)計(jì)，減小循環(huán)時間便可以大大縮減整個裝置所用時間，提高供輸彈速率。

采用并行時序設(shè)計(jì)必須使各機(jī)構(gòu)動作連續(xù)、協(xié)調(diào)一致。進(jìn)行時序分析時，采用人工繪時序圖進(jìn)行分析的方法效率低，耗時耗力。為了實(shí)現(xiàn)供輸彈裝置時序動態(tài)管理，本設(shè)計(jì)應(yīng)用Matlab/Stateflow對裝置的時序邏輯進(jìn)行建模，通過分析生成的時序邏輯曲線反復(fù)調(diào)整時間常量，最終確定供輸彈裝置的時序。

由圖12可知，裝置開始運(yùn)行時，先進(jìn)行推彈藥正行程，推彈藥到位后，立即逆行程返回，當(dāng)返回到A點(diǎn)時刻，觸發(fā)擺彈，擺彈臂開始擺彈正行程而推彈藥繼續(xù)返回;在E時刻，推彈藥返回到位，立即觸發(fā)轉(zhuǎn)彈藥，轉(zhuǎn)彈藥運(yùn)行;擺彈臂在B時刻擺彈到位，觸發(fā)輸彈機(jī)輸彈并逆行程返回;擺彈臂逆行程返回到C時刻觸發(fā)擺藥臂擺藥;D時刻擺藥到位，觸發(fā)輸藥機(jī)輸藥并逆行程返回;擺藥臂在F時刻返回到位，觸發(fā)推彈藥正行程，第二發(fā)彈藥開始。

供輸彈裝置輸送一發(fā)彈藥響應(yīng)時間為

式中:t為一發(fā)彈藥響應(yīng)時間;Tt為推彈藥時間;Tbd為擺彈臂擺彈時間;Tsd為輸彈板伸出和收回時間;Tby為擺藥臂擺藥時間;Tsy為輸藥板伸出和收回時間;Δt為擺藥臂開始擺藥與擺彈臂開始逆行程返回所在時間點(diǎn)之差。

圖12 供輸彈裝置時序邏輯曲線

5 結(jié)論

通過對供輸彈裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和虛擬樣機(jī)仿真，得出其相應(yīng)的動力學(xué)特性均能滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了彈藥鼓同時供彈藥，單線推彈藥，雙向間歇擺彈藥，輸彈(藥)機(jī)輸送彈藥機(jī)理是可行的。本方案中各機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，適裝性好，采用編碼器對交流伺服調(diào)速電機(jī)進(jìn)行控制，精度較高，供彈速率較高等優(yōu)點(diǎn)，供輸彈裝置可以方便地與車載火炮對接，對提高車載火炮射速具有重要意義，為車載火炮供輸彈裝置的發(fā)展提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

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(責(zé)任編輯周江川)