吳寶雙，樊永鋒，張海洋

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

在速射武器的各結(jié)構(gòu)中，供彈機(jī)構(gòu)是最為復(fù)雜的。武器在射擊過(guò)程中，供彈機(jī)構(gòu)所出現(xiàn)的故障率約占武器總故障率的30%～70%。在目前速射武器中，使用的無(wú)鏈供彈技術(shù)主要有彈鼓式無(wú)鏈供彈系統(tǒng)和彈箱式無(wú)鏈供彈系統(tǒng)兩種典型技術(shù)。彈箱式無(wú)鏈供彈系統(tǒng)屬于大容量無(wú)鏈供彈系統(tǒng)，這種供彈系統(tǒng)既可用于自動(dòng)炮，也可用于大口徑機(jī)槍。筆者以瑞士厄利康公司的GDF-003型雙管35 mm自動(dòng)高炮為參考，介紹無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

1 彈箱供彈原理簡(jiǎn)介

推彈機(jī)構(gòu)的作用是將彈夾組件中最下面一個(gè)滿彈夾中的N發(fā)彈依次推入提彈機(jī)構(gòu)的提彈齒中。推彈機(jī)構(gòu)裝在箱底座上，它由推彈鏈輪鏈條組件及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。鏈條的上平面與箱底座上的導(dǎo)引平面齊平，都與彈夾所在的平面傾斜一定角度。因?yàn)殒湕l上的推彈齒每推動(dòng)一個(gè)彈距的同時(shí)，壓彈機(jī)構(gòu)將彈夾下壓1/(N+1)彈夾距，彈夾中的彈隨彈夾下移相同的距離，所以鏈條與導(dǎo)引平面必須存在一定的傾斜度，以保證每發(fā)炮彈下移時(shí)正好落在導(dǎo)引平面上而不發(fā)生干涉。提彈鏈輪軸轉(zhuǎn)1個(gè)周期，推彈機(jī)構(gòu)將第1個(gè)彈夾中的N發(fā)彈推完并空推1個(gè)彈位，壓彈機(jī)構(gòu)正好將第2個(gè)彈夾壓在推彈機(jī)構(gòu)初始位置上，以供推彈齒繼續(xù)推彈，這樣就保證了自動(dòng)連續(xù)供彈[1]，此過(guò)程運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示，彈箱供彈結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 彈箱傳動(dòng)系統(tǒng)速比關(guān)系分析與計(jì)算

彈箱供彈主要由彈夾組件、提彈鏈組件、推彈鏈組件及撥彈輪組件四大部分組成，彈箱傳動(dòng)系統(tǒng)是匹配上述四部分組件協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供彈功能的紐帶[2]。

2.1 提彈機(jī)構(gòu)與推彈機(jī)構(gòu)速比關(guān)系計(jì)算

由彈箱供彈原理可知，推彈鏈節(jié)每推動(dòng)1個(gè)彈位的距離，正好對(duì)應(yīng)提彈鏈節(jié)上提1個(gè)彈位的距離，即推彈機(jī)構(gòu)與提彈機(jī)構(gòu)在彈位交接處是位置對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]，如圖3所示。

假設(shè)一個(gè)彈夾中有N發(fā)彈，同時(shí)考慮到彈夾組件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，現(xiàn)將傳動(dòng)系統(tǒng)速比關(guān)系計(jì)算如下：

提彈鏈節(jié)距定為a(分m節(jié),每節(jié)a/m)，鏈節(jié)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為x；推彈鏈節(jié)距定為b(分n節(jié),每節(jié)b/n)，鏈節(jié)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為y；則提彈鏈條與推彈鏈條的速度比為

(1)

設(shè)提彈鏈輪齒數(shù)為Z1，推彈鏈輪齒數(shù)為Z2，則有：

(2)

(3)

設(shè)提彈鏈輪轉(zhuǎn)c周,推彈鏈輪轉(zhuǎn)d周,符合式(1)中的速比關(guān)系，即：

(4)

設(shè)提彈鏈輪同軸齒輪齒數(shù)為Z3，推彈鏈輪同軸齒輪齒數(shù)為Z4，則有：

(5)

通過(guò)提彈機(jī)構(gòu)與推彈機(jī)構(gòu)速比關(guān)系計(jì)算，當(dāng)彈夾中有N發(fā)彈時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以確定提彈鏈輪齒數(shù)及同軸直齒輪齒數(shù)，推彈鏈輪齒數(shù)及同軸直齒輪齒數(shù)。

2.2 提彈機(jī)構(gòu)與彈夾機(jī)構(gòu)速比關(guān)系計(jì)算

推彈機(jī)構(gòu)推(N+1)發(fā)彈(含1發(fā)空彈位)，彈夾組件整體下降一個(gè)彈夾距a(彈夾距等于提彈鏈節(jié)距)；彈底直徑設(shè)為e，推(N+1)發(fā)彈，推彈鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的周數(shù)為

(6)

由式(4)推彈鏈輪與提彈鏈輪的速比關(guān)系可知，提彈鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的周數(shù)為

(7)

即提彈鏈輪主軸與彈夾螺旋導(dǎo)桿的轉(zhuǎn)速比為Nme/bnZ1。

如圖4所示，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定，提彈鏈輪主軸外側(cè)連接一同軸圓柱齒輪1，保證轉(zhuǎn)速相同，動(dòng)力通過(guò)齒輪2傳動(dòng)到齒輪3，上述3齒輪齒數(shù)相同，保證了齒輪3與提彈鏈輪主軸轉(zhuǎn)速相同；齒輪3軸外側(cè)連接同軸錐齒輪4，錐齒輪4與錐齒輪5匹配，傳動(dòng)比不變，錐齒輪5與蝸桿軸連接，蝸桿6、9與渦輪7、8分別嚙合，且保證傳動(dòng)比為Nme/bnZ1，蝸輪與螺旋導(dǎo)桿銷連接，從理論上實(shí)現(xiàn)了上述計(jì)算的速比關(guān)系。

2.3 提彈組件與撥彈輪組件速比關(guān)系分析

如圖5所示，提彈鏈輪轉(zhuǎn)1周提4發(fā)彈，與齒輪9、10同軸撥彈輪為4爪過(guò)渡撥彈輪，該過(guò)渡撥彈輪轉(zhuǎn)1周撥4發(fā)彈，故齒輪10與齒輪11為同齒數(shù)齒輪；其余各級(jí)撥彈輪均為5爪撥彈輪，且撥彈輪軸距相等，為實(shí)現(xiàn)4爪過(guò)渡撥彈輪與5爪撥彈輪匹配傳動(dòng)，故齒輪8與齒輪9的齒數(shù)比為5∶4；動(dòng)力由提彈鏈輪主軸傳遞到齒輪11，齒輪11與齒輪10嚙合，齒輪10與齒輪9同軸傳動(dòng)，齒輪9與齒輪8嚙合，齒輪8與齒輪7同軸傳動(dòng)，齒輪7與齒輪6嚙合，齒輪6與齒輪3嚙合，齒輪3與齒輪4同軸傳動(dòng)，齒輪4與大模數(shù)齒輪5嚙合將動(dòng)力傳遞給大模數(shù)齒輪軸，彈丸經(jīng)提彈鏈輪組與撥彈輪組交接后依次通過(guò)各級(jí)撥彈輪，最終由活動(dòng)導(dǎo)板傳輸給下一輸彈單元。

3 機(jī)構(gòu)組件仿真分析

建立虛擬樣機(jī)仿真分析模型是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否可行的有效手段，彈箱供彈結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，如何確保彈丸在供彈彈箱各組件間順利交接，是供彈彈箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵[4]。

3.1 提彈組件與推彈組件仿真分析

由供彈彈箱的原理可知，提彈鏈組件、推彈鏈組件及彈夾組件的空間相對(duì)位置尺寸的確定是至關(guān)重要的，彈丸在此三組件間交接順利與否是供彈彈箱設(shè)計(jì)的核心與技術(shù)難點(diǎn)。此位置的空間布局尺寸難以依靠理論計(jì)算得出，但可以通過(guò)建立ADAMS的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)交接單元進(jìn)行動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，反復(fù)迭代得到較為精確的參考數(shù)值，模型如圖6所示。

彈丸經(jīng)推彈齒推動(dòng)，相對(duì)彈夾向左移動(dòng)，建立由推彈組件到提彈組件的ADAMS的虛擬樣機(jī)仿真，可直觀得到彈丸經(jīng)過(guò)交接單元處的運(yùn)動(dòng)軌跡，從一個(gè)滿彈夾20發(fā)彈中分別等間距選取第5發(fā)(D5)、第10發(fā)(D10)、第15發(fā)(D15)、第20發(fā)(D20)彈藥運(yùn)動(dòng)軌跡作為參考。

圖7中在橫坐標(biāo)(-938 mm，-930 mm)區(qū)間，彈丸在推彈齒作用下在彈夾中運(yùn)動(dòng)，未脫離單夾；在橫坐標(biāo)-938 mm處，彈底中心軸剛好運(yùn)動(dòng)到彈夾左邊緣，彈丸有向下運(yùn)動(dòng)微小趨勢(shì)后剛好被提彈齒接??；在橫坐標(biāo)(-960 mm，-938 mm)區(qū)間，彈丸在提彈齒與推彈齒共同作用下，既有沿著彈夾向左運(yùn)動(dòng)到完全脫離彈夾位移，也有在提彈齒作用下將彈丸向上提升運(yùn)動(dòng)的位移，故其合位移軌跡如圖7所示。

彈丸在推彈齒力作用下，相對(duì)彈夾繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，在交接處提彈齒做豎直向上運(yùn)動(dòng)，在彈丸軸心運(yùn)動(dòng)過(guò)彈夾左邊緣時(shí)，此時(shí)提彈齒提彈表面與彈丸未接觸并有一小間隙，由于提彈齒尖部與彈夾左邊緣有一定間隙，在推彈齒作用下，彈丸繼續(xù)向左下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到提彈齒尖部與彈夾左邊緣空隙部位，剛好被豎直向上運(yùn)動(dòng)的提彈齒托住，彈丸開始有豎直向上的分運(yùn)動(dòng)，故圖7在水平坐標(biāo)-937 mm處附近彈丸有向左下方折線運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。在提彈齒、推彈齒及彈夾共同作用下，實(shí)現(xiàn)彈丸在交接單元處的順利交接[5]，提彈齒與彈藥接觸力均值小于80 N,受力較小，如圖8所示。

3.2 提彈組件與撥彈組件仿真分析

由彈箱供彈原理與現(xiàn)有成熟技術(shù)的結(jié)合，采用撥彈輪系組件與提彈組件組合，完成彈丸由提彈鏈輪組件到撥彈輪組件的順利交接，如圖9所示。

由圖9結(jié)構(gòu)可知，彈丸在提彈組件的提彈齒撥動(dòng)下，經(jīng)彈底導(dǎo)槽導(dǎo)引與四爪撥彈輪匹配作用[6]，將彈丸剝離出提彈組件，并分別與一、二、三、四級(jí)撥彈輪4個(gè)五爪撥彈輪匹配交接，使彈丸依次通過(guò)上述撥彈輪組件，最后經(jīng)活動(dòng)導(dǎo)板的導(dǎo)引作用傳遞到下一輸彈單元。此過(guò)程交接的技術(shù)難點(diǎn)在于彈丸經(jīng)提彈組件與四爪撥彈輪的匹配交接，需要理論計(jì)算交接相對(duì)位置來(lái)進(jìn)行速比關(guān)系匹配，并反復(fù)斟酌撥彈爪的齒形來(lái)包容彈丸并與下一級(jí)撥彈輪順利交接。提彈與撥彈交接處彈丸運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示，其中原點(diǎn)為圖3中所示提彈鏈輪的中心，此過(guò)程彈丸與四爪撥彈輪接觸力如圖11所示。

由圖10可以得知，彈丸由提彈組件到撥彈輪組件的交接可順利完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)某小口徑艦炮供彈需求，借鑒彈箱式供彈基本原理，從理論上推導(dǎo)了一個(gè)滿彈夾中容納N發(fā)彈藥時(shí)，提彈機(jī)構(gòu)、推彈機(jī)構(gòu)及彈夾機(jī)構(gòu)三者間機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的速比關(guān)系，并以滿彈夾容納20發(fā)彈藥為例完成了彈箱式供彈的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在上述三機(jī)構(gòu)交接單元處建立虛擬樣機(jī)仿真，對(duì)彈丸在交接單元的交接過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，仿真結(jié)構(gòu)表明彈丸在交接單元處運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可靠交接，同時(shí)也驗(yàn)證了滿彈夾容納N發(fā)彈藥時(shí)，機(jī)構(gòu)間傳動(dòng)的速比關(guān)系理論推導(dǎo)的正確性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。此彈箱式供彈不論傳動(dòng)速比關(guān)系公式的理論推導(dǎo)，還是三機(jī)構(gòu)交接處具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)小口徑艦炮的供補(bǔ)彈研究都具有一定的參考價(jià)值。