寧延平，李運(yùn)濤，徐 娟，王 舉，呂佼珂

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展，要發(fā)揮防空高炮近程防空最后一道屏障的作用，就必須提高火力部分的威力，因此，高射速自動機(jī)與高速供彈技術(shù)在高炮中的應(yīng)用成為必然。由于新一代防空高炮信息化程度要求不斷提高，固有平臺空間內(nèi)需要集成容納物體越來越多，同時在高射頻的要求下，攜彈數(shù)量也越來越多[1-2]。

目前，小口徑高炮使用的存儲供彈系統(tǒng)存在以下不足：炮彈只可存儲在供彈機(jī)附近的空間內(nèi)，攜彈數(shù)量少；炮彈從存儲空間進(jìn)入供彈機(jī)的路線長，供彈阻力大，某種程度上降低了火炮射頻；操作維修困難。

針對目前存儲供彈系統(tǒng)存在的問題[3-4]，并結(jié)合軍事發(fā)展需求，筆者提出了一種新型旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但滿足全程高射速情況下輸彈動作平穩(wěn)，拖彈阻力小，而且結(jié)構(gòu)緊湊，輸彈時間短，攜彈量大，并且操作維修方便。

1 總體設(shè)計方案

旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)主要由小彈倉、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、承載機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)及手-機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

1.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)工作時，手-機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)處于“機(jī)動”狀態(tài)，存儲彈箱中的4個小彈倉存儲滿炮彈，小彈倉內(nèi)的最后一發(fā)炮彈卡在抱彈機(jī)構(gòu)中?；鹋谏鋼魰r，當(dāng)某個小彈倉中的最后一發(fā)炮彈被拉起，最后一發(fā)炮彈剛剛脫離開抱彈機(jī)構(gòu)，存儲彈箱旋轉(zhuǎn)信號觸發(fā)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動存儲彈箱開始旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)至下個小彈倉中部與進(jìn)彈口位置相對應(yīng)時，傳感器發(fā)出存儲彈箱旋轉(zhuǎn)到位信號，存儲彈箱旋轉(zhuǎn)停止。

1.2 抱彈機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)中解決的重要問題是如何保證供彈時旋轉(zhuǎn)控制信號的可靠輸出，防止因射擊控制方式不同、操作的失誤及射擊故障而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)誤旋轉(zhuǎn)，針對以上問題設(shè)計了可多次重復(fù)使用，可自我鎖定的抱彈機(jī)構(gòu)，如圖3所示。抱彈機(jī)構(gòu)中活動卡手與固定卡手形成的大半圓箍包裹住小彈倉中最后一發(fā)炮彈，使得最后一發(fā)炮彈輸彈前可靠定位，保證炮彈在供彈過程中進(jìn)入進(jìn)彈口的位置不發(fā)生改變，從而保證了整個供彈過程平穩(wěn)。當(dāng)最后一發(fā)炮彈一旦脫離抱彈機(jī)構(gòu)時，鎖軸自動伸出，卡擋住活動卡手，除人工操作干預(yù)外，任何情況都不會出現(xiàn)開關(guān)誤觸動，誤給出旋轉(zhuǎn)信號，保證了旋轉(zhuǎn)信號的可靠性。同時活動卡手與固定卡手多次重復(fù)使用后性能可靠，沒有變形，卡彈到位信號輸出可靠。

1.3 存儲彈箱及攜彈量計算

考慮人-機(jī)-環(huán)設(shè)計要求及系統(tǒng)總體對攜彈數(shù)量的要求，存儲彈箱[4-7]由4個設(shè)計角度為75°的小彈倉組成，存儲彈箱共計300°，剩余的60°作為驅(qū)動部分的安裝空間以及后續(xù)操作維修用。

炮彈之間由彈鏈連接，呈“∽”型排列在存儲彈箱中。兩發(fā)由彈鏈連接的炮彈中心距為L，根據(jù)安裝平臺總體空間尺寸，炮彈以圓周排列，其彈鏈連接處直徑為D，帶彈鏈的兩層炮彈面對面時的中心距為C1，帶彈鏈的兩層炮彈背對背時的中心距為C2，則經(jīng)彈鏈連接的兩層炮彈中心距為C：

(1)

存儲彈箱總高度為H，根據(jù)以往工程實踐，容彈系數(shù)選為1.1，則有：

(2)

(3)

式中：n為存貯彈箱中可共存儲炮彈的層數(shù)；T為總的攜彈量數(shù)。

根據(jù)目前35 mm炮彈通用尺寸及已定型產(chǎn)品總體空間尺寸，存儲彈箱可容納600發(fā)炮彈。

1.4 旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)變形計算

旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)變形主要是承載機(jī)構(gòu)的變形，針對其使用工況，計算模擬方位電機(jī)急起加速度的影響，將其過程簡化為線性加速過程，則角加速度為

(4)

考慮方向機(jī)電機(jī)2倍調(diào)轉(zhuǎn)加速度，將4個小彈倉、手-機(jī)轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)和電機(jī)減速機(jī)構(gòu)簡化為質(zhì)點，計算模型如圖4所示，約束承載機(jī)構(gòu)與其安裝連接面3個方向位移。

通過對承載機(jī)構(gòu)受力變形和等效應(yīng)力的計算，結(jié)果表明：

1)在2倍過載方向電機(jī)調(diào)轉(zhuǎn)急起加速度作用下，旋轉(zhuǎn)承載供彈系統(tǒng)變形較小，最大變形0.5 mm，具有較好的剛度。

2)結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較低，最大等效應(yīng)力77.4 MPa，且高應(yīng)力區(qū)域較小，結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度儲備。

1.5 小彈倉供彈過程的可靠性

1.5.1 輸彈鏈約束設(shè)計

小彈倉內(nèi)腔設(shè)計為75°扇形結(jié)構(gòu)，輸彈鏈呈“∽”型布置在小彈倉內(nèi)，彈首指向回轉(zhuǎn)中心，為防止和減小輸彈鏈在供彈過程擺動，彈倉內(nèi)腔徑向尺寸設(shè)計為炮彈全長加大10 mm, 限制輸彈鏈的徑向擺動。輸彈鏈主要是指沿彈倉圓周方向擺動，分兩種情況分析：

1)在小彈倉中最后一發(fā)炮彈未脫離抱彈機(jī)構(gòu)之前，隨著射擊，倉內(nèi)運(yùn)動的輸彈鏈不斷加長，輸彈鏈擺動趨勢加大，由于大多數(shù)炮彈留在小彈倉中，供彈過程中輸彈鏈?zhǔn)軅}內(nèi)剩余輸彈鏈的牽制、自重的影響，運(yùn)動的輸彈鏈擺動量很小，當(dāng)供彈接近最后一層輸彈鏈時，運(yùn)動的輸彈鏈因受進(jìn)彈口和抱彈機(jī)兩點的約束和揚(yáng)彈機(jī)拉力F1和拉力F2的作用，輸彈鏈擺動量只有10 mm左右，對供彈不影響。

2)在倉內(nèi)最后一發(fā)炮彈脫離抱彈機(jī)構(gòu)后，這時輸彈鏈呈“擺鐘”自由狀態(tài)，小彈倉開始旋轉(zhuǎn)，此時輸彈鏈擺動幅度應(yīng)最大，但由于自由狀態(tài)時間很短，瞬間又受到下一個彈倉內(nèi)彈鏈的拖拽，輸彈鏈又恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)。最后一發(fā)炮彈脫離抱彈機(jī)構(gòu)受力狀態(tài)如圖5所示。

1.5.2 擺放的防“低頭”設(shè)計

為了具有好的彈形系數(shù)和減小抽殼阻力，35 mm制式彈藥的彈殼外形有一定的錐度，這樣輸彈鏈炮彈在彈倉內(nèi)擺裝時隨著擺放層數(shù)的增多，炮彈殼錐度被逐步放大，使得最頂層炮彈的傾斜角度越來越大，出現(xiàn)彈首“低頭”現(xiàn)象，這樣有可能低頭彈藥的彈丸部分插入下層炮彈的縫隙中，造成供彈阻力增大，并有可能發(fā)生輸彈鏈卡滯現(xiàn)象。

針對此問題，在彈倉底板靠近炮彈的2/3處增設(shè)了一個扇形斜面,如圖6所示，裝彈時首先使底層彈增加了約30°傾角，也讓后續(xù)彈層重心不斷向彈底緣方向移動，這樣不但解決了輸彈鏈“低頭”問題，同時也增加了小彈倉的剛度。

經(jīng)過兩輪試驗驗證，累計射彈10 385發(fā)，整個射擊試驗中，小彈倉供彈通暢、平穩(wěn)，無卡滯現(xiàn)象。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)需要滿足1 100～1 300發(fā)/min的供彈匹配性控制要求，且在火炮任何工作狀態(tài)下，存儲供彈系統(tǒng)均能與其匹配工作。系統(tǒng)主要包括存儲彈箱的啟?？刂?，每個小彈倉的彈盡告警開關(guān)控制、小彈倉旋轉(zhuǎn)到位控制、小彈倉旋轉(zhuǎn)軟保護(hù)和異常報警指示等。電氣控制系統(tǒng)組成圖如圖7所示。

電氣控制系統(tǒng)采用PLC控制器控制存儲彈箱的旋轉(zhuǎn)，并在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部位安裝4個行程開關(guān)，在承載機(jī)構(gòu)部位安裝一個傳感器，保證存儲彈箱旋轉(zhuǎn)供彈的連續(xù)性與流暢性。其中4個小彈倉的彈盡開關(guān)安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方[8-9]，承載機(jī)構(gòu)外圈安裝有一個非接觸式傳感器。彈盡開關(guān)用于對每個小彈倉是否有炮彈進(jìn)行判斷，當(dāng)該開關(guān)開始作用時，表示這個小彈倉的炮彈已射擊完，小彈倉應(yīng)開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)至非接觸式傳感器發(fā)出到位信號后，小彈倉旋轉(zhuǎn)停止。其控制流程圖如圖8所示。

此外，系統(tǒng)還設(shè)有小彈倉旋轉(zhuǎn)軟保護(hù)措施，當(dāng)小彈倉開始旋轉(zhuǎn)時計時開始，旋轉(zhuǎn)過程中對這個時間進(jìn)行判斷，當(dāng)大于一定值時，小彈倉必須停止旋轉(zhuǎn)。

2.2 保護(hù)時間設(shè)定

旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)中軟件控制系統(tǒng)的保護(hù)功能也是重點設(shè)計對象。根據(jù)實際試驗測量，空載及滿載時4個小彈倉(標(biāo)號1#、2#、3#、4#)旋轉(zhuǎn)到位停止時間如表1、2所示。

表1 空載狀態(tài)小彈倉旋轉(zhuǎn)時間測量結(jié)果

表2 滿載狀態(tài)小彈倉旋轉(zhuǎn)時間測量結(jié)果

從表1和表2可以看出：空載時小彈倉旋轉(zhuǎn)到停位所需時間在4.84 s附近波動；滿載時小彈倉旋轉(zhuǎn)到停位所需時間在5 s附近波動。保護(hù)時間設(shè)計原則為：保證小彈倉能正常旋轉(zhuǎn)到位，不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)超過兩個停位。綜合考慮后將保護(hù)時間設(shè)定為7 s，經(jīng)樣機(jī)試驗驗證，該設(shè)計設(shè)定合理可行。

3 結(jié)束語

筆者通過對目前小口徑高炮使用的存儲供彈系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，提出了一種可以旋轉(zhuǎn)式供彈的新型旋轉(zhuǎn)存儲供彈系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使得炮彈集中在進(jìn)彈口處給供彈系統(tǒng)進(jìn)行供彈，縮短了供彈線路，提高了供彈可靠性，增加了容彈量；通過對供彈過程及裝彈狀態(tài)平衡分析，得出使用抱彈機(jī)構(gòu)和在小彈倉底部增加扇形平面能大幅度提高存儲彈箱的裝彈可靠性；通過試驗驗證出存儲彈箱旋轉(zhuǎn)到位控制的合理時間，保證旋轉(zhuǎn)供彈的安全性。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某型裝備中，可以為后續(xù)其他小口徑高炮存儲供彈系統(tǒng)的研制提供參考。