馬 浩，高躍飛，周 軍，李保在

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051; 2.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司， 太原 030051)

火炮是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中普遍使用的一種常規(guī)武器，尤其是中大口徑火炮，在戰(zhàn)場上起著尤為重要的作用。但由于中大口徑火炮彈丸尺寸、質(zhì)量大，形狀不規(guī)則人工裝填效率低下[1]，且車載炮在裝填過程中往往需要將裝填手置于危險的外界環(huán)境之中，因此自動裝填技術(shù)是現(xiàn)代乃至未來車載火炮發(fā)展的重要方向[2]。除此之外，火炮彈倉的彈容量有限，后勤補(bǔ)給滿足不了_火炮發(fā)射的需要，這便在很大程度上影響了火炮的快速反應(yīng)能力[3]。為了增強(qiáng)火炮的持續(xù)作戰(zhàn)能力，補(bǔ)彈技術(shù)亦成為現(xiàn)代火炮發(fā)展的重要方向[4]。本文所設(shè)計(jì)的新型取彈裝置主要是用來在火炮發(fā)射過程中將彈丸從彈倉中取出并輸送至彈協(xié)調(diào)器上、在彈丸補(bǔ)給過程中將彈丸從補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)中取出并輸送至彈倉的裝置。

由于彈倉的布置位置，以及彈丸在彈倉中儲存的方式多種多樣，取彈裝置種類也有很多。針對大中口徑火炮的自動裝填系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，袁志華等[5]提出了一種將彈倉和藥倉分別布置在火炮兩側(cè)的自動裝填機(jī)構(gòu)。通過兩側(cè)的機(jī)械臂和機(jī)械爪相配合將彈丸取出并運(yùn)輸至輸彈中心線上。但該自動裝填機(jī)構(gòu)的布置在一定程度上增加了火炮兩側(cè)的寬度和體積，降低了火炮在戰(zhàn)場上的生存能力。王振嶸等[6]提出了一種由彈簧和棘輪組合具有自鎖性能的托彈裝置，并對其進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。在該自動裝填系統(tǒng)中，由彈倉中的推彈機(jī)構(gòu)直接將彈丸推送至托彈裝置中，沒有設(shè)計(jì)一個單獨(dú)的取彈裝置。但因此限制了彈倉的位置，空間上的限制了彈倉的彈丸容量。董邵陽[7]提出了一種2自由度的自動裝填機(jī)械手機(jī)構(gòu)。該自動裝填機(jī)械手主要任務(wù)是彈丸抓取，之后將彈丸輸送到指定位置。梁亮等[8]通過使用D-H參數(shù)方法建立運(yùn)動學(xué)方程對自行火炮的自動裝填機(jī)械手進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并在RecurDyn中建立虛擬樣機(jī)模型對所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的取彈過程進(jìn)行動力學(xué)仿真驗(yàn)證。

本文以某122 mm車載炮為研究對象設(shè)計(jì)了一種新型取彈裝置，根據(jù)自身結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性和電驅(qū)動、液壓驅(qū)動的配合來完成工作任務(wù)。該新型取彈裝置不僅可以在火炮發(fā)射過程中完成取彈的任務(wù)，還能在補(bǔ)彈過程中完成向彈倉輸送彈丸的任務(wù)。

1 取彈裝置的組成及工作原理

圖1為取彈裝置所處位置示意圖，新型取彈裝置位于彈倉和彈協(xié)調(diào)器之間，上架側(cè)邊開一補(bǔ)彈槽用來安裝補(bǔ)彈板，補(bǔ)彈板與上架之間采用軸連接。圖2為去除外殼后的取彈裝置總體結(jié)構(gòu)圖。新型取彈裝置總體主要由3部分構(gòu)成，夾彈機(jī)構(gòu)、推送機(jī)構(gòu)和托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。自動裝填時，彈倉中的推彈裝置將彈丸運(yùn)輸至輸彈口，夾彈機(jī)構(gòu)夾緊彈丸，由托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和推送機(jī)構(gòu)相互配合將彈丸運(yùn)輸至彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置上，夾彈機(jī)構(gòu)釋放彈丸完成取彈機(jī)構(gòu)的工作任務(wù)。補(bǔ)彈時，人工將彈丸放置補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)的補(bǔ)彈板上，補(bǔ)彈板繞其轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動90°，與此同時托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將夾彈機(jī)構(gòu)的機(jī)械爪對準(zhǔn)補(bǔ)彈口，到位后由推送機(jī)構(gòu)將夾彈機(jī)構(gòu)推送至補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)處，夾彈機(jī)構(gòu)夾緊彈丸，最后再由取彈裝置進(jìn)行相反的工作過程將彈丸安放至彈倉輸彈口處，最后再由彈倉內(nèi)的推彈裝置將彈丸取回彈倉完成補(bǔ)彈工作。

圖1 取彈裝置所處位置示意圖

圖2 取彈裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖3為褪去外殼的托舉機(jī)構(gòu)示意圖。托舉機(jī)構(gòu)主要是由固定件、內(nèi)圓柱、外圓筒、齒條、連接環(huán)和主動件等組成，采用圓柱凸輪的工作原理進(jìn)行工作[9]。固定件通過螺紋連接固定在外殼上。內(nèi)圓柱側(cè)面上方設(shè)計(jì)有U形軌道與固定件配合，與軌道對應(yīng)位置設(shè)計(jì)有圓形凸起，與外圓筒側(cè)面的軌道相配合。外圓筒側(cè)面軌道展開后的圖形為直角等腰三角形，下方與齒輪相連。齒條一邊在連接環(huán)的約束下與齒輪嚙合，另一邊與主動件軸連接。

圖3 托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

現(xiàn)將托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作過程做以下說明，具體如圖4所示。

圖4(a)到圖4(b)的過程：主動件繞自身轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，帶動齒條向外拉伸。齒條在連接環(huán)的約束下帶動齒輪和外圓筒轉(zhuǎn)動。由于固定件的約束作用，內(nèi)圓柱在外圓筒軌道的帶動下向上移動，運(yùn)動至圖4(b)中狀態(tài)。

圖4(b)到圖4(c)的過程：當(dāng)外圓筒轉(zhuǎn)動了90°以后，內(nèi)圓柱恰好運(yùn)動到最高點(diǎn)。此時其縱向運(yùn)動被固定件鎖定，在外圓筒的作用下開始軸向轉(zhuǎn)動。最終運(yùn)動至圖4(c)的狀態(tài)。

圖4(c)到圖4(d)的過程：當(dāng)外圓筒轉(zhuǎn)動270°以后，內(nèi)圓柱軸向轉(zhuǎn)動被固定件鎖定。在外圓筒的作用下，內(nèi)圓柱開始縱向向下運(yùn)動，最終運(yùn)動至圖4(d)位置，完成彈丸的取彈動作。

圖4(d)到圖4(a)的過程：當(dāng)外圓筒轉(zhuǎn)動360°時，主動件簽好轉(zhuǎn)動180°。隨著主動件繼續(xù)轉(zhuǎn)動，外圓筒開始反向轉(zhuǎn)動。托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)按圖4(d)、圖4(c)、圖4(b)和圖4(a)的順序做反向運(yùn)動，從而完成在不改變電機(jī)運(yùn)動方向的條件下使得托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)歸位，取下一發(fā)待發(fā)彈丸。

圖4 工作過程示意圖

根據(jù)上述的工作過程可以得知，外圓筒在齒條和主動輪的帶動下開始工作。從初始時刻開始，主動件旋轉(zhuǎn)180°，外圓筒旋轉(zhuǎn)360°；之后主動件繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°，外圓筒反向旋轉(zhuǎn)360°完成工作。根據(jù)該工作原理可得圖5齒輪、齒條和主動件的位置關(guān)系簡圖。圖5中a為以A點(diǎn)為圓心，齒輪分度圓半徑R1為半徑的圓；b為以B點(diǎn)為圓心，主動件的回轉(zhuǎn)半徑R2為半徑的圓；BC為圓a的切線，與圓b分別交于點(diǎn)D和F。根據(jù)幾何特性關(guān)系可知，當(dāng)切線過b的圓心時lDC最短lFC最長，即D點(diǎn)為托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)初始工作位置，F(xiàn)點(diǎn)為外圓筒轉(zhuǎn)動360°時刻的位置。因此可得式：

圖5 齒輪、齒條與主動件位置關(guān)系示意圖

lFC-lDC=2πR1

(1)

即

2R2=2πR1

R2=πR1

(2)

且根據(jù)結(jié)構(gòu)布置可知

lAB>R1+R2

(3)

為使該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，本文選用模數(shù)m=2.5，齒數(shù)z=32的齒輪。該結(jié)構(gòu)各位置關(guān)系參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪、齒條與主動件位置關(guān)系參數(shù)

該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程簡圖如圖6所示。圖6中θ為主動件在電機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動的角度；BE為初始時刻時齒條所在位置；CD為轉(zhuǎn)動了角度θ后齒條所在位置；CG為線段在DC方向的延長線；FC與BC垂直。

圖6 托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系簡圖

已知主動件的回轉(zhuǎn)中心和外圓筒的回轉(zhuǎn)中心之間的距離lAB為200 mm；lAD和lAE為與外圓筒相連的齒輪分度圓半徑40 mm；lBC為主動件的回轉(zhuǎn)半徑125.6 mm。

根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況和圖中的幾何關(guān)系可知，在△ABE中

(4)

故

∠ABC=∠ABE+θ

(5)

在△ABC中，由余弦定理可知

(6)

故而，由正弦定理可得：

(7)

因?yàn)樵谕信e回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作過程中，θ處于變化中，∠ACB出現(xiàn)了由鈍角到直角再到銳角的變化。由計(jì)算可得當(dāng)θ<39.6°時，∠ACB為鈍角；當(dāng)θ>39.6°時，∠ACB為銳角。

在△ACD中

(8)

根據(jù)其幾何關(guān)系可得：

∠FCG=(∠ACB+∠ACD)-90°

(9)

根據(jù)相對運(yùn)動圖解法對連桿的運(yùn)動進(jìn)行分析可知齒條在齒條方向的分速度為齒輪分度圓的線速度。根據(jù)齒條與主動件在C點(diǎn)處的相對運(yùn)動關(guān)系可得齒條方向的速度為：

v=ωz×lBC×cos∠FCG

(10)

式中，ωz為主動輪轉(zhuǎn)動角速度。

外圓筒轉(zhuǎn)動的角速度為

(11)

對外圓筒的角速度分別對時間t進(jìn)行求導(dǎo)和積分，可得外圓筒轉(zhuǎn)動的角加速度和角度計(jì)算公式。

(12)

(13)

因此，在工作期間外圓筒消耗的功率為

Pw=Jwαw×ωw

(14)

式中，Jw=0.115 8 kg·m2為外圓筒的轉(zhuǎn)動慣量。

根據(jù)托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外圓筒與內(nèi)圓柱的運(yùn)動關(guān)系可知：

當(dāng)θw<90°時，內(nèi)圓柱沿豎直方向上升。由于外圓筒的軌道沿側(cè)面展開后與水平夾角為45°，故圓筒最外側(cè)轉(zhuǎn)動線速度為內(nèi)圓筒上升的線速度。

vn=ωw×Rw

(15)

式中，Rw為外圓筒的外徑。

該過程的加速度為

(16)

消耗的功率為

Pn=(mng+mnan)vn

(17)

式中，mn=68 kg，為彈丸、推送機(jī)構(gòu)、夾彈機(jī)構(gòu)和內(nèi)圓柱的總質(zhì)量。

當(dāng)90°<θw<270°時，內(nèi)圓柱開始隨著外圓筒旋轉(zhuǎn)，角速度為

ωn=ωw

(18)

角加速度為

(19)

消耗的功率為

Pn=Jnαn×ωn

(20)

式中，Jn=9.98 kg·m2為彈丸、夾彈機(jī)構(gòu)、推送機(jī)構(gòu)和內(nèi)圓柱繞轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量。

當(dāng)θw>270°時，內(nèi)圓柱開始在外圓筒的帶動下沿豎直方向下降，速度為

vn=-ωw×Rw

(21)

該過程的加速度為

(22)

消耗的功率

Pn=(mnan-mng)vn

(23)

忽略齒條、連接環(huán)、摩擦力和主動件所做功，驅(qū)動該取彈裝置所需提供的功率為

P=Pn+Pw

(24)

代入數(shù)據(jù)后計(jì)算得P=1.25 kW。

由于計(jì)算過程中忽略了摩擦力和一些非關(guān)鍵件的運(yùn)算，因此選用額定功率為1.5 kW的伺服電動機(jī)，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 驅(qū)動電機(jī)技術(shù)參數(shù)

內(nèi)圓柱側(cè)面有一U形凹槽，與固定件配合。為防止固定件和凹槽底面與固定件的碰撞導(dǎo)致內(nèi)圓柱上下移動不隨外圓筒旋轉(zhuǎn)，將內(nèi)圓柱的側(cè)面凹槽直角部分導(dǎo)成圓角使其在下降過程中有轉(zhuǎn)動的角速度完成動作，如圖7所示。

圖7 內(nèi)圓柱示意圖

1.2 夾彈機(jī)構(gòu)

夾彈機(jī)構(gòu)主要由機(jī)械爪、機(jī)械臂、連接筒、平動活塞和液壓缸A五個部件構(gòu)成。機(jī)械臂和平動活塞、機(jī)械臂和機(jī)械爪、機(jī)械爪和連接筒之間使用軸連接，各部件均可繞連接軸轉(zhuǎn)動。平動活塞可在液壓缸的推動下在連接筒的軸線方向運(yùn)動。待彈丸被推送至輸彈口時，液壓缸A開始工作，平動活塞沿著連接筒的中心線向左運(yùn)動。在各轉(zhuǎn)動副的約束下，機(jī)械爪夾緊彈丸。待彈丸運(yùn)輸?shù)轿粫r，進(jìn)行相反的動作釋放彈丸。圖8為夾彈機(jī)構(gòu)組成示意圖。

圖8 夾彈機(jī)構(gòu)組成示意圖

根據(jù)夾彈機(jī)構(gòu)的工作原理可對該夾彈機(jī)構(gòu)做簡單受力分析，如圖9所示。F1為液壓缸對平動活塞的作用力；F2為機(jī)械爪對彈丸的作用力；lAB和lBC分別為點(diǎn)A1、B1和B1、C1之間的距離；l為力F2對點(diǎn)A的力矩；θ1為機(jī)械臂B1C1與水平方向的夾角；θ2為機(jī)械臂B1C1和A1B1之間的夾角。

圖9 夾彈機(jī)構(gòu)受力分析簡圖

根據(jù)該取彈裝置的工況可知，彈丸在夾彈機(jī)構(gòu)的作用下短時間內(nèi)先上升，再隨著托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，最后再下降由推送機(jī)構(gòu)將彈丸推送至彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置上。因此在整個運(yùn)動過程中彈丸在豎直方向受到的摩擦力最小為。

Ff1=mg+ma

(25)

式中：m為彈丸質(zhì)量，22 kg；a為彈丸在豎直方向的加速度，與內(nèi)圓柱的加速度相同。通過式(19)和式(25)的計(jì)算可得加速度最大值為10 m/s2。

根據(jù)彈丸運(yùn)動過程中的受力關(guān)系可知，機(jī)械爪所能提供的最大靜摩擦力為

Ff max=μ1F2

(26)

式中：μ為彈丸與機(jī)械爪之間的摩擦因數(shù)，為減小機(jī)械爪與彈殼之間的損耗和增大機(jī)械爪與彈殼之間的摩擦因數(shù)，在機(jī)械爪內(nèi)表面附上一層橡膠模，查表可知橡膠與鋼鐵之間的摩擦因數(shù)為0.85。

根據(jù)機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)可知

F1×cosθ1=FBC

(27)

FBC×lAB×sinθ2=F2×l

(28)

式中，F(xiàn)BC為作用在機(jī)械臂B1C1上方向沿著連桿B1C1的力，即機(jī)械臂作用于機(jī)械爪上的力。

根據(jù)工作要求可知

Ff max=Ff1

(29)

彈丸在繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中，受到機(jī)械爪帶來的向心力。因此在該過程中受到機(jī)械爪最小的力為

(30)

式中，R為彈丸轉(zhuǎn)動軌跡的半徑。

根據(jù)對該夾彈機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測量可知，在彈丸被夾緊時刻已知數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 夾彈機(jī)構(gòu)部分參數(shù)

代入數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后得到夾彈機(jī)構(gòu)液壓缸A在整個過程中最小需要提供的力為3 086.4 N。

故此根據(jù)所需要提供力的大小和具體工況要求，選用輕型拉桿液壓缸。具體參數(shù)如表4所示。

表4 夾彈機(jī)構(gòu)液壓缸A技術(shù)參數(shù)

將最大壓力代入式(30)、式(40)可以得知，該液壓缸可以為夾彈機(jī)構(gòu)提供力為4 910.9 N的夾彈力。

1.3 推送機(jī)構(gòu)

當(dāng)托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作到位后，推送機(jī)構(gòu)的液壓缸B開始工作，推動夾彈機(jī)構(gòu)和彈丸沿著安裝在內(nèi)圓柱上的導(dǎo)軌移動至彈丸中心線與彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置回轉(zhuǎn)中心線重合。圖10為推送機(jī)構(gòu)的組成圖。

圖10 推送機(jī)構(gòu)組成示意圖

根據(jù)取彈裝置的工況得知，推送機(jī)構(gòu)工作總時間為0.5 s，工作過程分為3個階段：啟動階段(0.1 s)、勻速階段(0.3 s)、減速停車階段(0.1 s)。如圖11所示。

圖11 工作階段曲線

根據(jù)行程、速度、時間的關(guān)系可知，由速度曲線與坐標(biāo)系圍成的面積為行程，即

(31)

式中：行程l=100 mm；t1=0.1 s；t2=0.4 s。

在啟動階段和停車減速階段的加速度為

(32)

因此在加速啟動階段中所需要克服的慣性力為

Fg=(m+m1+m2)×a

(33)

式中：m1為夾彈機(jī)構(gòu)質(zhì)量5.4 kg；m2液壓缸A質(zhì)量10 kg。

運(yùn)動過程中所需要克服的摩擦力為

Ff=μ2(m+m1+m2)g

(34)

式中，μ2為推送機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌與夾彈機(jī)構(gòu)之間的摩擦因數(shù)0.15。

因此，在推送機(jī)構(gòu)液壓缸B工作過程中，所需要提供的力為

F1=Ff+Fg

(35)

代入數(shù)據(jù)后計(jì)算可得所需要提供的力為232.6 N。液壓缸體積小、質(zhì)量輕，因此選用2個輕型液壓缸作為推送機(jī)構(gòu)的動力源。故單個液壓缸所需要提供力116.3 N。液壓缸技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 推送機(jī)構(gòu)液壓缸B技術(shù)參數(shù)

1.4 補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)

如圖12所示，補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)主要由補(bǔ)彈板、扭轉(zhuǎn)彈簧和擋彈板構(gòu)成。擋彈板與補(bǔ)彈板通過轉(zhuǎn)軸連接，外端套著扭轉(zhuǎn)彈簧。工作時由人工將彈丸放置補(bǔ)彈板上并由擋彈板將其固定，補(bǔ)彈板繞其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動90°使彈丸處于豎直狀態(tài)。當(dāng)取彈裝置取出彈丸后，擋彈板在扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下歸位。

圖12 補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)組成示意圖

2 動力學(xué)仿真

為了進(jìn)一步分析該機(jī)構(gòu)的工作過程，可利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對該取彈裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真，分析彈丸和各部件在工作過程中的運(yùn)動狀態(tài)。

2.1 模型建立

根據(jù)各部件的結(jié)構(gòu)尺寸在三維軟件中建立三維模型，利用軟件的CAD接口模塊ADAMS/Exchange將其導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件ADAMS中進(jìn)行動力學(xué)分析[10]。在各部件之間添加相應(yīng)的運(yùn)動副以及接觸力。根據(jù)該取彈裝置工作過程中各構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律，在不影響模型合理性的前提下做如下假設(shè)：

1) 取彈裝置中的各個部件均按作剛體處理；

2) 為了減小仿真計(jì)算量，簡化模型，將非關(guān)鍵零部件如導(dǎo)軌、銷、固定件等進(jìn)行布爾求和為一個部件；

3) 不考慮模型裝配時的尺寸公差；

4) 驅(qū)動載荷以速度的方式施加到驅(qū)動件上。

模型建立完畢，運(yùn)行仿真。

2.2 結(jié)果分析

仿真完成后，仿真結(jié)果進(jìn)行處理。得到結(jié)果如圖13～圖18所示。其中圖13～圖16為彈丸自動裝填工況下的仿真結(jié)果，圖17和圖18為補(bǔ)彈工況下的仿真結(jié)果。

圖13 彈丸受力運(yùn)動關(guān)系曲線

由圖13可知0.45 s時刻機(jī)械爪與彈丸發(fā)生碰撞，由于機(jī)械爪擁有一定速度的原因，力發(fā)生了波動，在0.46 s時刻以1 050 N的力穩(wěn)定下來。通過彈丸沿Z軸方向的位移曲線可以得知，0.6 s時，彈丸在取彈裝置作用下開始向上運(yùn)動，因此夾彈力再次發(fā)生波動。1.06 s時夾彈機(jī)構(gòu)帶著彈丸向下運(yùn)動，由于此時外圓筒轉(zhuǎn)動角速度最大，且彈丸此時由之前的繞外圓筒轉(zhuǎn)動中心旋轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向移動，故此刻的彈丸與夾彈機(jī)構(gòu)之間的碰撞最為激烈并出現(xiàn)了碰撞力的峰值3 782 N，小于液壓缸A所能提供最大的夾彈力。1.9 s時夾彈力減小，彈丸開始逐漸脫離夾彈機(jī)構(gòu)的約束。2.02 s時刻彈丸在重力的作用下開始下落并在0.9 s的時間內(nèi)完成運(yùn)動，穩(wěn)定在托彈裝置上。

圖14和圖15為托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作過程中的運(yùn)動和受力關(guān)系曲線。由圖14可知，在0.65～1.3 s和3.45～3.75 s出現(xiàn)力的波動。對比圖15托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系可知，這是因?yàn)樵?.65～1.3 s和3.45～3.75 s的2個時間段內(nèi)，內(nèi)圓柱在外圓筒的驅(qū)動和固定件的約束作用下做著先上升再旋轉(zhuǎn)最后下降的復(fù)雜運(yùn)動。2 s之前，夾彈機(jī)構(gòu)夾著彈丸，增大了該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量，故而0.65～1.3 s的波動幅度遠(yuǎn)大于3.45～3.75 s的波動幅度。觀察圖15可知，在0.75～0.86 s、1～1.08 s、3.37～3.5 s和3.6～3.73 s 4個時間段內(nèi)均出現(xiàn)了邊上升邊旋轉(zhuǎn)或邊下降邊旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動現(xiàn)象，因此在該時間段內(nèi)外圓筒和內(nèi)圓柱的碰撞力、內(nèi)圓柱與固定件的碰撞力和齒條與連接環(huán)之間的碰撞力在此時波動最大且都出現(xiàn)了此波動段的最大值。

圖14 托舉機(jī)構(gòu)受力變化曲線

圖15 托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系曲線

圖16為夾彈機(jī)構(gòu)和推送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系曲線。觀察圖16可以得知，初始時刻活塞開始運(yùn)動，推動機(jī)械爪轉(zhuǎn)動30°夾緊彈丸；隨后主動件轉(zhuǎn)動180°，帶動外圓筒轉(zhuǎn)動360°，內(nèi)圓柱先上升再回轉(zhuǎn)最后再下降完成工作；之后安裝在內(nèi)圓筒上的推送機(jī)構(gòu)將彈丸推送到位；夾彈機(jī)構(gòu)釋放彈丸；在重力作用下彈丸平穩(wěn)進(jìn)入托彈裝置之中；推送機(jī)構(gòu)歸位；主動件繼續(xù)轉(zhuǎn)動180°，外圓筒反向轉(zhuǎn)動360°，內(nèi)圓筒反向重復(fù)之前的工作。取彈裝置歸位。

圖16 夾彈機(jī)構(gòu)、推送機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系曲線

由圖17和圖18可知，1s時，補(bǔ)彈板帶動彈丸繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動90°使彈丸由水平狀態(tài)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，由于擋彈板自身的慣性原因，扭簧轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)小幅度抖動。補(bǔ)彈板停止運(yùn)動，彈丸在慣性的作用下保持之前的運(yùn)動狀態(tài)與擋彈板發(fā)生碰撞，因此扭簧轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)第一次波動防止彈丸由于自身慣性從補(bǔ)彈板中脫落出來。由圖17可以得知，1.15 s時刻，彈丸與擋彈板之間的力為0，即在補(bǔ)彈板運(yùn)動到位后0.15 s內(nèi)便可以將彈丸穩(wěn)定下來。此過程中擋彈板轉(zhuǎn)動7°。2.5 s時，夾彈機(jī)構(gòu)開始夾緊彈丸并將彈丸從補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)中取出。因此在圖17中，彈丸與擋彈板碰撞力曲線和扭轉(zhuǎn)彈簧的轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)了第二次波動。2.75 s時，彈丸與擋彈板碰撞力變?yōu)?，彈丸成功從補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)中被取出。在這個過程中擋彈板轉(zhuǎn)動12°。3.5 s時，補(bǔ)彈板開始?xì)w位，準(zhǔn)備盛放下一枚彈丸。

圖17 擋彈板運(yùn)動關(guān)系曲線

圖18 彈丸受力運(yùn)動關(guān)系曲線

由圖18中彈丸的運(yùn)動關(guān)系曲線和受力關(guān)系曲線可以得知，2.5 s時，彈丸被夾彈機(jī)構(gòu)夾緊。當(dāng)2.5～3 s時，夾彈機(jī)構(gòu)帶動彈丸水平直線移動，運(yùn)動平緩，故而此階段彈丸與夾彈板力相對較為平穩(wěn)。3 s時，彈丸由水平直線運(yùn)動變?yōu)槔@內(nèi)圓柱中心的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，故而此時彈丸與夾彈板之間出現(xiàn)了一個剛開始相對較大之后慢慢變小的力的波動。但當(dāng)3.4 s時，彈丸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動結(jié)束，在夾彈機(jī)構(gòu)和內(nèi)圓柱的帶動下開始豎直向下的位移，因此在該較為復(fù)雜的工況下再次出現(xiàn)彈丸與夾彈板之間碰撞力波動現(xiàn)象。但通過彈丸的位移曲線可知，各個階段下彈丸始終被夾彈機(jī)構(gòu)牢牢的夾緊。4.5 s時彈丸與夾彈機(jī)構(gòu)的碰撞力變?yōu)?，彈丸成功被運(yùn)送至輸彈口處，且在之后的時間里，彈丸質(zhì)心沿z軸方向的位移平穩(wěn)不變，即彈丸被平穩(wěn)安放在彈倉輸彈口處。

通過動力學(xué)分析結(jié)果可知，在整個運(yùn)動過程中，彈丸運(yùn)動狀態(tài)穩(wěn)定，取彈裝置各個機(jī)構(gòu)工作有序，在取彈過程中能夠準(zhǔn)確地將彈丸從取彈口處取出并平穩(wěn)地放置于彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置上；補(bǔ)彈過程中也能夠順利地將彈丸從補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)中取出并平穩(wěn)地放在彈倉的取彈口處。

3 結(jié)論

針對垂直式彈倉，設(shè)計(jì)了一種具有半自動補(bǔ)彈功能的新型取彈裝置。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，使用電力和液壓聯(lián)合驅(qū)動的方式，通過特定的結(jié)構(gòu)配合完成取彈動作，還可以與安裝在上架上的補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)半自動補(bǔ)彈。通過對該裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，確定夾彈機(jī)構(gòu)、托舉回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和推送機(jī)構(gòu)的動力學(xué)關(guān)系以及整個過程中彈丸的運(yùn)動狀態(tài)。仿真結(jié)果表明該取彈裝置在取彈過程中能夠在4s內(nèi)準(zhǔn)確地將彈丸從取彈口取出并平穩(wěn)的放置于彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置上，在補(bǔ)彈工作過程中能夠在4.5s內(nèi)將彈丸從補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)中取出并平穩(wěn)地放在彈倉的取彈口處。除此之外，在彈倉內(nèi)的彈丸發(fā)射完后可以通過實(shí)現(xiàn)彈丸的半自動裝填，即取彈裝置將彈丸從補(bǔ)彈機(jī)構(gòu)處取出后直接輸送至彈協(xié)調(diào)器上。為火炮自動裝填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。