周杰

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

某緊湊型彈倉動(dòng)力學(xué)分析

周杰

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：為了更加適應(yīng)新環(huán)境下的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭要求，大口徑火炮武器將來采用自動(dòng)化裝填系統(tǒng)是大勢所趨。以某大口徑火炮的緊湊型彈倉為研究對(duì)象，以使彈倉更加緊湊，節(jié)省有限的火炮彈倉，傳動(dòng)更加平穩(wěn)等為目的，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。運(yùn)用adams軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真 ，仿真結(jié)果由adams給出的二維圖展示。

關(guān)鍵詞：緊湊型彈倉；動(dòng)力學(xué)分析；鏈傳動(dòng)；平穩(wěn)

Dynamic Analysis of Compact Magazine

ZHOU Jie

(School of Mechannical Engineering, Nanjing University of Science &Technology, Nanjing 210094,China)

Abstract:In order to adapt modern warfare to the new environment, the inevitable trend of its development is that the automatic loading system is used in the large caliber guns. This paper takes the compact magazine of a large caliber gun as study object. It aims at making the magazine more compact, saving the place of the limited gunmagazine and letting the transmission be more smooth. It also does the dynamic analysis and simulation of this gunmagazine, using the ADAMS software. The simulation results are showed in the two-dimensional map.

Keywords:compact magazine；dynamic analysis；chain drive；smooth

0引言

未來對(duì)軍事戰(zhàn)車的需求是，具有無與倫比的火力保護(hù)，集成到一個(gè)高流動(dòng)性如坦克等戰(zhàn)車上。戰(zhàn)車要有較低的質(zhì)量并減少車載人員。為了滿足這些需求，所有系統(tǒng)都必須緊湊，質(zhì)量輕，能夠以最小的消耗空間被包裝在一個(gè)戰(zhàn)斗車輛內(nèi)[1]。文中主要研究某緊湊型彈倉，將其簡化并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

1緊湊型彈倉的結(jié)構(gòu)分析

彈倉包括一個(gè)殼體，殼體包括一個(gè)卸彈端口和一個(gè)彈藥輸送機(jī)[2-3]。彈藥輸送機(jī)有一系列的彈筒，每個(gè)彈筒包括一對(duì)剛性的接合單元，每個(gè)彈筒宜于保留彈藥。這些彈筒通過內(nèi)外鏈板相互連接可轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)輸送機(jī)鏈，和被耦合到驅(qū)動(dòng)鏈的輸送機(jī)鏈條沿蛇形路徑面對(duì)提取位置端口，進(jìn)行卸彈[4-5]。另外，在按照上述目標(biāo)，方案中提供了一種彈藥輸送機(jī)[6]，包括殼體，它具有一個(gè)彈藥端口和彈藥輸送機(jī)[7-8]。彈藥輸送包括由一個(gè)單一的運(yùn)行在共同的垂直平面互連的單元輸送鏈(如圖1)。成員包括殼體指導(dǎo)彈筒在運(yùn)送沿著蜿蜒的路徑，包括多個(gè)層次的水平運(yùn)行，并連接180°和90°的旋轉(zhuǎn)。復(fù)數(shù)包含在輸送傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鏈輪，鏈條輸送指引單元提取面朝出口的位置，通過它指引卸下彈藥。為了分析簡化，彈鏈設(shè)計(jì)為一圈16個(gè)彈筒(已編1～16號(hào))連在一起(如圖2)，不分析多層循環(huán)蛇形彈鏈連接。

圖1　緊湊型彈倉傳動(dòng)示意圖

圖2　緊湊型彈倉簡化為一圈彈鏈圖

彈筒間具體連接方式爆破圖如圖3所示。由3個(gè)彈筒示意，3個(gè)彈筒由外鏈板，內(nèi)鏈板相連，內(nèi)外鏈板間用隔板隔開。彈筒上端套上滾子套，頂端加上頂蓋，頂蓋與彈倉內(nèi)壁貼合，通過鏈輪撥動(dòng)滾子套實(shí)現(xiàn)整個(gè)彈鏈的傳動(dòng)。一個(gè)彈筒移動(dòng)至下一個(gè)彈筒的距離為180mm。

1—彈筒；2—內(nèi)鏈板；3—隔板；4—外連接器；5—滾子套；6—頂蓋圖3　彈筒連接方式

2緊湊型彈倉的動(dòng)力學(xué)分析

緊湊型彈倉供彈機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真是將彈倉的彈鏈模型輸入到虛擬仿真軟件Adams中，定義相應(yīng)的約束，并且添加驅(qū)動(dòng)，模擬實(shí)際的工作狀態(tài)，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析[9-11]。

2.1彈鏈拓?fù)鋵W(xué)分析

如圖2所示有16個(gè)彈筒，8個(gè)外連接器，8個(gè)內(nèi)鏈板，16個(gè)滾子套，所以在Admas里要定義32個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中16個(gè)是彈筒和外鏈板間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，另16個(gè)是內(nèi)鏈板與彈筒之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，還要定義鏈輪和16個(gè)滾子套間的接觸。為了模擬方便，將彈筒和彈丸看作整體，相互之間的接觸力忽略不計(jì)。

2.2緊湊型彈倉的驅(qū)動(dòng)

彈倉傳動(dòng)中選用較為成熟的蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸輪與彈倉中鏈輪相連。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩Td由實(shí)驗(yàn)室獲得的電機(jī)機(jī)械特性給出，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括2臺(tái)400W的電機(jī)，一對(duì)齒輪減速和一對(duì)蝸輪蝸桿減速組成，其驅(qū)動(dòng)簡化原理圖如圖4。其中取蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率是0.5，選取齒輪的傳動(dòng)效率為0.95，滾輪和軌道的摩擦因數(shù)是0.1。電機(jī)不受反饋控制，電機(jī)輸入的轉(zhuǎn)矩是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試以后的電機(jī)特性給出的，其特性見圖5。

圖4　緊湊型彈倉驅(qū)動(dòng)原理簡化圖

圖5　電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性

2.3緊湊型彈倉傳動(dòng)鏈的仿真分析

緊湊型彈倉傳動(dòng)鏈在傳動(dòng)時(shí)，鏈輪與滾子之間一定會(huì)產(chǎn)生沖擊力，并且在不同工作狀態(tài)下其受力情況也不一樣。為了更好地對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分以下兩種情況分析計(jì)算：

a) 彈倉所有彈筒載滿彈；b)主動(dòng)輪處載滿彈，而被動(dòng)輪處不載彈。

空載情況對(duì)文中研究沒有太大參考價(jià)值，所以忽略。主動(dòng)輪處不載彈，被動(dòng)輪處載滿彈時(shí)與第二種情況相反，其不僅要克服彈倉的摩擦力與慣性力，還要克服彈丸的重力做的負(fù)工，所以這種情況是緊湊型彈倉最差的工作狀況之一，文中也未對(duì)這種情況作分析。

1) 彈倉所有彈筒載滿彈

如圖6中鏈輪扭矩大約在0.23s左右降為0N·mm，對(duì)應(yīng)圖7中鏈輪角速度為145 °/s左右，這是因?yàn)橛蓤D5的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速>145 °/s時(shí)，其扭矩為0。但當(dāng)在0.51s～0.62s這一時(shí)間段時(shí)，圖7中鏈輪的扭矩出現(xiàn)了一個(gè)小波峰，這個(gè)波峰的值達(dá)到1.61e5N·mm。出現(xiàn)此波峰的原因是在0.51s時(shí)鏈輪與彈倉3上的滾子套發(fā)生接觸，產(chǎn)生沖擊力。此時(shí)鏈輪角速度也開始下降。

圖6　鏈輪扭矩

圖7　鏈輪角速度

接觸力是反映緊湊型彈倉傳動(dòng)平穩(wěn)性的重要指標(biāo)之一。為此將計(jì)算緊湊型彈倉的鏈輪與已接觸滾子、將接觸滾子間的接觸力，提高這種緊湊型彈倉的傳動(dòng)平穩(wěn)性。主要分析鏈輪與已接觸的滾子套2還有將要接觸的滾子套3之間的接觸力。

如圖8中，緊湊型彈倉啟動(dòng)之后鏈輪與滾子套之間的接觸力一開始為3942N，然后慢慢地下降，在0.23s左右降到1200N，在此情況波動(dòng)。在0.51s突然躍升至3800N左右，然后又急劇下降至550N。在0.53s出現(xiàn)此波峰的原因是彈倉3進(jìn)入與鏈輪的接觸，產(chǎn)生較大沖擊。圖9是鏈輪與滾子套3間的接觸力，就是滾子套3剛接觸鏈輪接觸的情況。也就是在0.52s時(shí)滾子套3與鏈輪產(chǎn)生接觸，波峰達(dá)到2750N，然后到達(dá)1300N左右波動(dòng)。

圖8　鏈輪與滾子套2接觸力

圖9　鏈輪與滾子套3之間的接觸力

2)主動(dòng)輪處載滿彈，而被動(dòng)輪處不載彈

當(dāng)緊湊型彈倉中主動(dòng)輪處滿載而被動(dòng)輪處空載時(shí)，彈丸的重力將會(huì)做正功，這樣對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是有利的，鏈輪在工作時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)的更快。

如圖10中在0.125s左右鏈輪扭矩降為0N·mm，之后一直為0N·mm，這是因?yàn)樵?.125s時(shí)鏈輪角速度達(dá)到145°/s，而之后因?yàn)槭侵鲃?dòng)輪滿載，被動(dòng)輪空載，鏈輪做加速運(yùn)動(dòng)，其角速度一直>145°/s，所以轉(zhuǎn)矩在0.12s后一直為0N·mm。如圖11中鏈輪角速度在1.25s時(shí)達(dá)到145°/s，之后角速度一直>145°/s。出現(xiàn)兩次波動(dòng)是鏈輪與彈筒3、彈筒4上的滾子套發(fā)生接觸，產(chǎn)生沖擊力，導(dǎo)致鏈輪速度降低，但并未降低到145°/s以下，故鏈輪扭矩一直為0N·mm。

圖10　鏈輪轉(zhuǎn)矩

圖11　鏈輪角速度

如圖12是鏈輪與彈筒2上滾子的接觸力，剛接觸時(shí)達(dá)到峰值3880N，之后緩慢下降，在0.14s左右到達(dá)1300N后左右波動(dòng)。在0.41s左右彈筒3上滾子套與鏈輪發(fā)生接觸，接觸力突然上升達(dá)到3650N，之后下降波動(dòng)直到降為0N·mm，但是在0.72s時(shí)彈倉4上滾子套與鏈輪發(fā)生接觸，其接觸力也瞬間上升至4400N。圖13是鏈輪與彈筒3上滾子套之間的接觸力，在0.41s開始發(fā)生接觸，其接觸力為2700N，之后當(dāng)彈筒4上滾子套進(jìn)入接觸時(shí)，彈筒3上滾子套受力達(dá)到峰值7650N。

圖12　鏈輪與滾子套2接觸力

圖13　鏈輪與滾子套3接觸力

3結(jié)語

通過對(duì)某緊湊型彈倉的動(dòng)力學(xué)分析研究，經(jīng)過簡化后導(dǎo)入Adams中分為兩種情況，得到相關(guān)分析數(shù)據(jù)。文中的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可為以后進(jìn)行彈倉設(shè)計(jì)時(shí)作為參考，使彈倉更緊湊傳動(dòng)并顯得更加平穩(wěn)和流暢。

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收稿日期：2014-12-30

中圖分類號(hào)：TJ303

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)04-0188-04

作者簡介：周杰(1988-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：火炮自動(dòng)武器。