郭競堯，黨小可，劉 彥，劉建斌

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

射速是火炮威力的重要指標(biāo)之一。隨著工業(yè)科技技術(shù)的發(fā)展，以巡航導(dǎo)彈為代表的精確制導(dǎo)武器的體積越來越小、運動速度越來越快，對防御一方的威脅越來越大，這就要求防空高炮的射速也必須大幅度提高。筆者以提高轉(zhuǎn)膛自動機的射速為目標(biāo)，從降低自動機驅(qū)動功率的思路出發(fā)，在撞擊理論的基礎(chǔ)上，提出了碰撞式能量傳遞型轉(zhuǎn)膛自動機的設(shè)想[1]。

1 結(jié)構(gòu)工作過程

轉(zhuǎn)膛自動機具有多個藥室，對應(yīng)不同藥室的輸彈、關(guān)閂、擊發(fā)、抽殼等不同的動作在時序上有重疊，因此射速較高[2]。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)制約著轉(zhuǎn)膛自動機射速進一步提高。為此，提出了一種碰撞式能量傳遞型轉(zhuǎn)膛體驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)想：在轉(zhuǎn)膛體外側(cè)增加1個飛輪，當(dāng)轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動到位時撞擊飛輪，轉(zhuǎn)膛體停止而飛輪則開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)膛體動能的一部分傳遞給飛輪儲存起來；當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動到位后，又撞擊轉(zhuǎn)膛體使飛輪停止而轉(zhuǎn)膛體開始轉(zhuǎn)動。

該轉(zhuǎn)膛結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)膛體(中間的部分)和飛輪(外層部分)兩部分，其上各有兩個凸起用于相互撞擊，如圖1所示。圖1中位置1為轉(zhuǎn)膛體停止而飛輪開始轉(zhuǎn)動位置，在此期間1號彈膛處于閉鎖狀態(tài)并完成擊發(fā)、輸彈、拋殼等動作。飛輪轉(zhuǎn)動90°后到達圖1中位置2，并與轉(zhuǎn)膛體發(fā)生撞擊，由于兩個件的轉(zhuǎn)動慣量基本相同，撞擊后飛輪基本停止，轉(zhuǎn)膛體則以一定的速度開始轉(zhuǎn)動，在此期間進行推彈及拋殼裝置收回，擊針收回并被卡鎖卡住，實現(xiàn)待發(fā)。轉(zhuǎn)膛體隨后轉(zhuǎn)動90°后到達圖1中位置3，并與飛輪發(fā)生撞擊，撞擊后轉(zhuǎn)膛體基本停止，飛輪則以一定的速度開始轉(zhuǎn)動，此時2號彈膛處在擊發(fā)位置并完成另一個擊發(fā)、輸彈、拋殼等動作循環(huán)。轉(zhuǎn)膛體、飛輪如此交替轉(zhuǎn)動實現(xiàn)自動機的連發(fā)射擊。

為了能夠準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)膛體和飛輪的轉(zhuǎn)動、停止及定位，還需設(shè)置驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向裝置和定位齒，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

驅(qū)動輪上裝有轉(zhuǎn)向裝置，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)向裝置的前端部與飛輪嚙合，當(dāng)飛輪接近碰撞位置時，轉(zhuǎn)向裝置在曲線槽的作用下轉(zhuǎn)動，其前端部與飛輪脫開并與轉(zhuǎn)膛體嚙合，后端部則推出安裝于飛輪內(nèi)的定位齒并嵌入炮箱的定位槽中。在與轉(zhuǎn)膛體的撞擊后，在定位齒的作用下，飛輪停轉(zhuǎn)并被固定在相應(yīng)的位置，而轉(zhuǎn)膛體則在飛輪的撞擊下獲得一定的速度后開始轉(zhuǎn)動，安裝在轉(zhuǎn)膛體內(nèi)的另一個定位齒收回并與轉(zhuǎn)膛體一起轉(zhuǎn)動。由轉(zhuǎn)膛體到飛輪的運動轉(zhuǎn)換過程與以上過程相同。在此過程中驅(qū)動輪一直處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，其上的錐齒輪通過曲柄連桿機構(gòu)帶動輸彈、擊發(fā)、拋殼機構(gòu)做前后的直線運動。

2 仿真分析

2.1 分析及仿真

基于以上驅(qū)動模式構(gòu)建的自動機如圖3所示。此驅(qū)動模式的轉(zhuǎn)膛自動機因為采用了轉(zhuǎn)膛體、飛輪碰撞交替旋轉(zhuǎn)的特性，盡可能地減小了轉(zhuǎn)膛體啟動、停止時的能量損失，故使用外能源驅(qū)動自動機工作。

其外能源驅(qū)動傳動關(guān)系如圖4所示，電機輸出扭矩傳給錐齒輪Z2，錐齒輪Z2帶動驅(qū)動輪上齒輪Z1使驅(qū)動輪保持連續(xù)轉(zhuǎn)動，再由Z1傳動至齒輪Z8帶動撥彈輪轉(zhuǎn)動。同時電機又通過錐齒輪Z2帶動錐齒輪Z3，錐齒輪Z3上的曲柄連桿機構(gòu)帶動輸彈機構(gòu)推彈入膛。

該自動機由于沒有專用閂體前后運動及閉鎖時的撞擊，而輸彈功率較小可忽略，并且抽殼動作可以引用火藥氣體的能量，因此，自動機主要消耗的功率為轉(zhuǎn)膛體、飛輪之間的撞擊，轉(zhuǎn)膛體、飛輪分別與驅(qū)動輪之間的撞擊及供彈時彈帶運動的功率。

所需電機平均功率為:

P=P1+P2

(1)

式中：P1為撞擊消耗的平均功率；P2彈帶運動功率。

2.1.1 轉(zhuǎn)膛體、飛輪和驅(qū)動輪撞擊的平均功率計算[3]

首先，當(dāng)驅(qū)動輪帶動轉(zhuǎn)膛體以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到一定的角度后，轉(zhuǎn)膛體與驅(qū)動輪脫離，然后轉(zhuǎn)膛體撞擊飛輪，撞擊飛輪后轉(zhuǎn)膛體停止轉(zhuǎn)動，撞擊后飛輪的轉(zhuǎn)動角速度為:

(2)

式中：J1為轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動慣量；J2為飛輪轉(zhuǎn)動慣量；b為撞擊恢復(fù)系數(shù)。

然后驅(qū)動輪撞擊飛輪并帶動飛輪轉(zhuǎn)動。驅(qū)動輪撞擊飛輪后，根據(jù)動量守恒可得：

Jω+J2ω2=(J+J2)ω22

(3)

即：

式中：J為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動慣量。

因此，轉(zhuǎn)膛體撞擊飛輪，然后驅(qū)動輪撞擊飛輪過程中消耗的能量為：

(4)

同理可得，當(dāng)驅(qū)動輪帶動飛輪轉(zhuǎn)過一定角度后，飛輪撞擊轉(zhuǎn)膛體、飛輪停止轉(zhuǎn)動，然后驅(qū)動輪撞擊轉(zhuǎn)膛體后一起轉(zhuǎn)動過程消耗的能量為:

由于擊發(fā)后至下一發(fā)的過程，分別完成以上的兩次撞擊。因此，消耗的平均功率為:

(6)

式中:t=60/n，t為每兩發(fā)之間的時間間隔；n為射速，發(fā)/分。

2.1.2 彈帶平均功率計算[2,4]

在射擊過程中，彈帶運動對撥彈輪產(chǎn)生阻力。計算中將彈帶簡化為沿長度均勻分布的線彈性帶狀體，近似方法計算彈帶阻力。如果彈帶傾斜放置(如圖5所示)，則彈帶阻力還應(yīng)包括炮彈和彈鏈節(jié)的重力分量及摩擦力，利用彈性力學(xué)的方法推導(dǎo)出彈帶阻力矩的簡化公式為:

n1(m22+ml)gf+

n2(m22+ml)g(sinα+fcosα)

(7)

式中:n1(m22+ml)gf為平置炮彈因重力產(chǎn)生的摩擦力；n2(m22+ml)g(sinα+fcosα)為懸掛部分的重力和摩擦力。

因在高速運動時，這兩項相對前一項的值很小，可忽略不計，因此彈帶阻力矩為：

(8)

式中：K為單個彈鏈節(jié)的剛度；mdl為單個炮彈及彈鏈節(jié)的質(zhì)量；RRc為彈軸到撥彈輪軸線之距；ω3為撥彈輪的角速度。

由傳動關(guān)系圖可知，主動輪至撥彈輪之間的傳速比為：

ω3=i×ω

因此，彈帶勻速運動消耗的功率為:

P2=Tp×ω3

(9)

以這種結(jié)構(gòu)的30 mm口徑、4膛轉(zhuǎn)膛自動機為例，取b=0.4，i=2.5，根據(jù)式(1)、(6)和(9)可得不同射速下的撞擊平均消耗功率、彈帶平均消耗功率及電機平均功率，見表1和圖6。

表1 撞擊平均消耗功率、彈帶平均消耗功率及電機平均功率對照表

2.1.3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動機的轉(zhuǎn)膛體啟停平均功率計算

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動機每次擊發(fā)間隔中，轉(zhuǎn)膛體均由靜止啟動然后再停止，動能完全消耗，假設(shè)每一個運動周期轉(zhuǎn)膛體按恒角加速度加速和減速，則有:

(10)

即：

式中：αc為轉(zhuǎn)膛體的角加速度；ωc0為轉(zhuǎn)膛體的初始角速度；tc為轉(zhuǎn)膛體由初始角速度到最大角速度所需的時間；θ為轉(zhuǎn)膛體由初始角速度到最大角速度所轉(zhuǎn)過的角度。

由于轉(zhuǎn)膛體是由靜止開始啟動，所以ωc0=0，則可得:

(11)

所以，轉(zhuǎn)膛體每個運動周期內(nèi)消耗的能量為:

(12)

式中：Tc為產(chǎn)生轉(zhuǎn)膛體角加速度的扭矩；Jc為轉(zhuǎn)膛體的轉(zhuǎn)動慣量。

因此，轉(zhuǎn)膛體每個運動周期內(nèi)消耗的平均功率為：

(13)

根據(jù)狀態(tài)假設(shè)有t=2tc

(14)

以30 mm口徑、4膛傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動機為例，其轉(zhuǎn)膛體啟停平均功率見表2。

表2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動機轉(zhuǎn)膛體啟停平均功率

2.2 仿真結(jié)果分析

從表1、圖6，以及表1和表2的對比可以看出，基于碰撞式能量傳遞型轉(zhuǎn)膛自動機的驅(qū)動功率也隨著射速上升呈指數(shù)上升趨勢，但利用碰撞來進行能量傳遞，能夠使轉(zhuǎn)膛體和飛輪交替轉(zhuǎn)動時一個構(gòu)件停止后其動能傳遞到另一個構(gòu)件上，相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動機轉(zhuǎn)膛體啟停所需功率已經(jīng)大大降低，加之此結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)連續(xù)供彈，消耗功率在相同射速下也較間歇式供彈低，所以總體所需驅(qū)動功率較小。

3 結(jié)束語

本文在轉(zhuǎn)膛原理自動機的范疇中，提出了一種利用碰撞式能量傳遞型轉(zhuǎn)膛體驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式，降低了轉(zhuǎn)膛體啟停的功率消耗，并且可實現(xiàn)連續(xù)供彈又能降低消耗在供彈上的功率，故而有利于自動機達到更高射速。

小口徑自動機經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)形成了固定的幾種原理，而每種原理下又有固定的一種或幾種結(jié)構(gòu)形式，近些年來沒有顯現(xiàn)大的改變或者突破。希望通過以上這樣的研究，使得轉(zhuǎn)膛自動機以及其他種類的小口徑自動機能得到更進一步的發(fā)展。

[1] 梁世瑞．自動機創(chuàng)新學(xué)引論[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2007：126-128．

LIANG Shi-rui . The automatic machine innovation learns general introduction[M] ．Beijing : National Defense Industry Press，2007：126-128．(in Chinese)

[2] 何志強，黃守仁，李載弘．航空自動機武器設(shè)計手冊[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1990：135-136，229-230．

HE Zhi-qiang，HUANG Shou-ren，LI Zai-hong．Aircraft automatic gun design manual[M] ．Beijing : National Defense Industry Press，1990：135-136，229-230．(in Chinese)

[3] 韓魁英，王夢林，朱素君．火炮自動機設(shè)計[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1988：85-89．

Han Kui-ying，WANG Meng-lin，ZHU Su-jun．Automatic gun design[M]．Beijing:National Defense Industry Press,1988：85-89．(in Chinese)

[4] 齊曉林．航空自動武器[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2008：56-58．

QI Xiao-lin．Aircraft automatic weapon[M]．Beijing : National Defense Industry Press，2008：56-58．(in Chinese)