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        一種供彈裝置的設計與仿真研究

        2015-11-22 03:39:34陸繼山馮廣斌
        機械制造 2015年3期
        關(guān)鍵詞:供彈力臂火炮

        □ 陸繼山 □ 馮廣斌

        軍械工程學院 軍械技術(shù)研究所 石家莊 050003

        一種供彈裝置的設計與仿真研究

        □ 陸繼山 □ 馮廣斌

        軍械工程學院 軍械技術(shù)研究所 石家莊 050003

        根據(jù)某自行火炮的彈藥自動裝填原理,提出并設計了一種操作更為簡單的彈藥輸送和裝填裝置,并在Recurdyn軟件中建立了簡化模型。對彈丸的輸送和裝填過程進行了動力學仿真分析,得出分析計算結(jié)果,同時結(jié)合彈丸的受力和質(zhì)量等實際情況,搭建了相應的簡易實驗平臺,進行多次不同情況下的操作試驗,得出相應的實驗結(jié)果;通過對比發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果與實驗結(jié)果極為相近,證明了該裝置設計的正確性與合理性,可為供彈裝置的優(yōu)化設計和深入研究提供參考。

        供彈裝置 設計 Recurdyn 仿真研究

        大口徑火炮由于彈丸質(zhì)量較大,尺寸較長,人員操作不易,因而多采用自動供彈裝置[1]?;鹋谧詣庸棛C是保證火炮輕型化、自動化的重要組成部分,它是實現(xiàn)火炮自動供彈、自動裝填、實現(xiàn)連續(xù)射擊的復雜機械系統(tǒng)[2]。供彈裝置對于自行火炮戰(zhàn)場效率的發(fā)揮和生存能力的提高具有至關(guān)重要的作用,以往的供輸彈裝置大多為半自動裝填方式,裝填過程需要耗費一定的人力且速度較慢,筆者研究設計了一種全新的全自動彈藥裝填裝置,可較大程度節(jié)省人力物力,實現(xiàn)快速裝填,對于火炮快速發(fā)揮戰(zhàn)場效能起到重要作用。

        1 簡化模型及工作原理

        Recurdyn軟件是專業(yè)的多體動力學仿真軟件,非常適合于求解大規(guī)模及復雜接觸的多體動力學問題[3]。由于筆者所設計的供彈裝置結(jié)構(gòu)比較簡單,因此只需在Recurdyn軟件中即可實現(xiàn)對裝置的簡化模型進行完善和處理,如圖1所示。

        從圖中的簡化模型可以看出,該供彈裝置主要由載彈板、推彈板、滑動力臂、底座、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成,載彈板主要負責將彈倉或藥倉給出的彈丸或藥筒接放至板面上,并由卡槽卡住,此時,由液壓系統(tǒng)提供動力,控制系統(tǒng)給出運彈指令,于是在滑動力臂的作用下,載彈板載著彈丸或藥筒朝著身管方向移動,當彈丸到達確定位置后,控制系統(tǒng)會自動給出載彈板俯仰、推彈板送彈或送藥的指令,此時,載彈板上的傳感器會根據(jù)火炮身管的射角使載彈板自動俯仰調(diào)整至與身管角度協(xié)調(diào)一致的位置,使彈丸或藥筒精確對準炮膛;爾后,推彈板迅速將彈丸或藥筒送入炮膛,關(guān)閂發(fā)射。每次裝填完畢,該裝置可迅速回到原來位置,繼續(xù)接彈或接藥,為下一次發(fā)射做準備。

        ▲圖1 供彈裝置簡化模型

        2 相關(guān)參數(shù)的確定及數(shù)學模型的建立

        根據(jù)某型火炮內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸以及操作成員數(shù)量和要求,經(jīng)計算可以確定:載彈板長210 mm、寬180 mm,推彈板厚50 mm、寬100 mm,滑動力臂的支撐力不小于1.46 kN,底座長2 000 mm、寬500 mm。推彈板推彈時彈丸受力如圖2所示,其中f為彈丸運動過程所受的摩擦力,F(xiàn)為推彈板的推力,G為炮彈自身的重力,N為載彈板對彈丸的支持力。

        ▲圖2 推彈板推彈時彈丸受力分析圖

        假設彈丸俯仰角度為 θ,則有計算公式:F-f-G*sinθ=ma,(m、a分別為彈丸的質(zhì)量和加速度),按照彈丸的質(zhì)量和載彈板材料的摩擦因數(shù)以及彈丸被正確送入所需加速度大小,可計算出F不小于876 N。

        對于模型中接觸力的計算,可用基于Recurdyn的接觸力公式來解決,即[3]:

        式中:k為用于指定接觸剛度的彈性系數(shù);c為接觸阻尼;m1、m2、m3分別為剛度、阻尼以及壓痕因數(shù);δ、分別為接觸穿透量和穿透量的導數(shù),這些參數(shù)取決于材料的類型和尺寸。

        3 添加載荷和約束

        在建立相應的簡化模型后,系統(tǒng)地研究了整個裝填過程的動力學特性,為此建立了其虛擬樣機模型,為模型添加載荷和約束。如圖3所示,在大地與底座之間建立固定副,載彈板與彈丸之間建立一個接觸副,推彈板與彈丸后部建立一個接觸副和一個推力,推彈板與載彈板之間建立一個平移副,并定義加速度驅(qū)動,大小為-65,滑動力臂與載彈板之間建立一個旋轉(zhuǎn)副,并定義速度驅(qū)動,定義式為:-80cos(2*pi),滑動力臂與底座之間建立一個平移副,定義其速度驅(qū)動,大小為-300,同時建立兩者之間的接觸副,這樣,就建立起其虛擬樣機模型,可用于動力學仿真。

        ▲圖3 供彈裝置虛擬樣機模型

        4 仿真結(jié)果分析

        對虛擬樣機模型進行動力學仿真分析,通過測量,炮身仰角為25°時的彈丸位置、推彈板的速度變化曲線和彈丸在運動過程中受力變化曲線如圖4~7所示。

        從圖中可以看出,彈丸偏離平衡位置的最大位移出現(xiàn)在1.6 s時,大小為196 mm;推彈板速度最大值出現(xiàn)在0.6 s時,大小為376 mm/s;彈丸受力最大值出現(xiàn)在2.9 s時,大小為144 kN,彈丸在Z軸正向和負向受力最大值分別出現(xiàn)在1.3 s和2.9 s時,大小分別為-1 024 N和+1 780 N。

        ▲圖4 彈丸位置變化曲線

        ▲圖5 推彈板速度變化曲線

        ▲圖6 彈丸受力變化曲線

        ▲圖7 彈丸在Z方向上受力變化曲線

        5 實驗驗證

        對所研究設計的裝置按照質(zhì)量、材料和尺寸的比例搭建相應的實驗模型,在模型的不同位置安裝相應的傳感器,經(jīng)多次試驗,模擬整個裝置在身管射角為25°時的運動過程,并用傳感器測得相應的結(jié)果數(shù)值,見表1。將表中的實驗值與仿真結(jié)果進行比對發(fā)現(xiàn),兩者極為相近,同時,查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn),某型火炮所用彈丸質(zhì)量和發(fā)射所需動力等參數(shù)值與仿真結(jié)果相近,證明了所設計裝填裝置的正確性和合理性。

        表1 實驗結(jié)果統(tǒng)計表

        6 結(jié)論

        根據(jù)自行火炮的裝填和發(fā)射原理,提出一種新型供彈裝置的設計方案,并利用多剛體系統(tǒng)動力學仿真軟件Recurdyn建立其簡化模型以及虛擬樣機模型,進行動力學仿真,得出相應仿真結(jié)果,同時通過相關(guān)實驗驗證了仿真結(jié)果與實際值極為接近,證明了所設計方案的合理性,可為將來該類裝填系統(tǒng)的研究提供參考;通過這種方法可以大大提高產(chǎn)品的設計開發(fā)速度,最大限度地縮短研發(fā)周期和降低成本,同時,還可以提高產(chǎn)品的可靠性。

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

        [2]鄭建輝.某火炮自動裝填系統(tǒng)專用實驗裝置的功能結(jié)構(gòu)分析[J].火炮發(fā)射與控制學報,2006(4):24-28.

        [3]鄭建興,張相炎.基于Recurdyn的同步帶彈箱動態(tài)特性仿真研究[J].火炮發(fā)射與控制學報,2010(4):75-78.

        [4]劉義.Recurdyn多體系統(tǒng)動力學仿真基礎應用與提高[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

        [5]侯保林,樵軍謀,劉琮敏.火炮自動裝填[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2010.

        (編輯 功 成)

        TH122;TJ303+.3

        A

        1000-4998(2015)03-0063-03

        2014年8月

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