□ 陸繼山 □ 馮廣斌

軍械工程學(xué)院 軍械技術(shù)研究所 石家莊 050003

一種供彈裝置的設(shè)計與仿真研究

□ 陸繼山 □ 馮廣斌

軍械工程學(xué)院 軍械技術(shù)研究所 石家莊 050003

根據(jù)某自行火炮的彈藥自動裝填原理，提出并設(shè)計了一種操作更為簡單的彈藥輸送和裝填裝置，并在Recurdyn軟件中建立了簡化模型。對彈丸的輸送和裝填過程進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析，得出分析計算結(jié)果，同時結(jié)合彈丸的受力和質(zhì)量等實(shí)際情況，搭建了相應(yīng)的簡易實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行多次不同情況下的操作試驗(yàn)，得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；通過對比發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果極為相近，證明了該裝置設(shè)計的正確性與合理性，可為供彈裝置的優(yōu)化設(shè)計和深入研究提供參考。

供彈裝置 設(shè)計 Recurdyn 仿真研究

大口徑火炮由于彈丸質(zhì)量較大，尺寸較長，人員操作不易，因而多采用自動供彈裝置［1］?；鹋谧詣庸棛C(jī)是保證火炮輕型化、自動化的重要組成部分，它是實(shí)現(xiàn)火炮自動供彈、自動裝填、實(shí)現(xiàn)連續(xù)射擊的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)［2］。供彈裝置對于自行火炮戰(zhàn)場效率的發(fā)揮和生存能力的提高具有至關(guān)重要的作用，以往的供輸彈裝置大多為半自動裝填方式，裝填過程需要耗費(fèi)一定的人力且速度較慢，筆者研究設(shè)計了一種全新的全自動彈藥裝填裝置，可較大程度節(jié)省人力物力，實(shí)現(xiàn)快速裝填，對于火炮快速發(fā)揮戰(zhàn)場效能起到重要作用。

1 簡化模型及工作原理

Recurdyn軟件是專業(yè)的多體動力學(xué)仿真軟件，非常適合于求解大規(guī)模及復(fù)雜接觸的多體動力學(xué)問題［3］。由于筆者所設(shè)計的供彈裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，因此只需在Recurdyn軟件中即可實(shí)現(xiàn)對裝置的簡化模型進(jìn)行完善和處理，如圖1所示。

從圖中的簡化模型可以看出，該供彈裝置主要由載彈板、推彈板、滑動力臂、底座、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，載彈板主要負(fù)責(zé)將彈倉或藥倉給出的彈丸或藥筒接放至板面上，并由卡槽卡住，此時，由液壓系統(tǒng)提供動力，控制系統(tǒng)給出運(yùn)彈指令，于是在滑動力臂的作用下，載彈板載著彈丸或藥筒朝著身管方向移動，當(dāng)彈丸到達(dá)確定位置后，控制系統(tǒng)會自動給出載彈板俯仰、推彈板送彈或送藥的指令，此時，載彈板上的傳感器會根據(jù)火炮身管的射角使載彈板自動俯仰調(diào)整至與身管角度協(xié)調(diào)一致的位置，使彈丸或藥筒精確對準(zhǔn)炮膛；爾后，推彈板迅速將彈丸或藥筒送入炮膛，關(guān)閂發(fā)射。每次裝填完畢，該裝置可迅速回到原來位置，繼續(xù)接彈或接藥，為下一次發(fā)射做準(zhǔn)備。

▲圖1 供彈裝置簡化模型

2 相關(guān)參數(shù)的確定及數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)某型火炮內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸以及操作成員數(shù)量和要求，經(jīng)計算可以確定：載彈板長210 mm、寬180 mm，推彈板厚50 mm、寬100 mm，滑動力臂的支撐力不小于1.46 kN，底座長2 000 mm、寬500 mm。推彈板推彈時彈丸受力如圖2所示，其中f為彈丸運(yùn)動過程所受的摩擦力，F(xiàn)為推彈板的推力，G為炮彈自身的重力，N為載彈板對彈丸的支持力。

▲圖2 推彈板推彈時彈丸受力分析圖

假設(shè)彈丸俯仰角度為 θ，則有計算公式：F-f-G*sinθ=ma，（m、a分別為彈丸的質(zhì)量和加速度），按照彈丸的質(zhì)量和載彈板材料的摩擦因數(shù)以及彈丸被正確送入所需加速度大小，可計算出F不小于876 N。

對于模型中接觸力的計算，可用基于Recurdyn的接觸力公式來解決，即［3］：

式中：k為用于指定接觸剛度的彈性系數(shù)；c為接觸阻尼；m1、m2、m3分別為剛度、阻尼以及壓痕因數(shù)；δ、分別為接觸穿透量和穿透量的導(dǎo)數(shù)，這些參數(shù)取決于材料的類型和尺寸。

3 添加載荷和約束

在建立相應(yīng)的簡化模型后，系統(tǒng)地研究了整個裝填過程的動力學(xué)特性，為此建立了其虛擬樣機(jī)模型，為模型添加載荷和約束。如圖3所示，在大地與底座之間建立固定副，載彈板與彈丸之間建立一個接觸副，推彈板與彈丸后部建立一個接觸副和一個推力，推彈板與載彈板之間建立一個平移副，并定義加速度驅(qū)動，大小為-65，滑動力臂與載彈板之間建立一個旋轉(zhuǎn)副，并定義速度驅(qū)動，定義式為：-80cos（2*pi），滑動力臂與底座之間建立一個平移副，定義其速度驅(qū)動，大小為-300，同時建立兩者之間的接觸副，這樣，就建立起其虛擬樣機(jī)模型，可用于動力學(xué)仿真。

▲圖3 供彈裝置虛擬樣機(jī)模型

4 仿真結(jié)果分析

對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動力學(xué)仿真分析，通過測量，炮身仰角為25°時的彈丸位置、推彈板的速度變化曲線和彈丸在運(yùn)動過程中受力變化曲線如圖4～7所示。

從圖中可以看出，彈丸偏離平衡位置的最大位移出現(xiàn)在1.6 s時，大小為196 mm；推彈板速度最大值出現(xiàn)在0.6 s時，大小為376 mm/s；彈丸受力最大值出現(xiàn)在2.9 s時，大小為144 kN，彈丸在Z軸正向和負(fù)向受力最大值分別出現(xiàn)在1.3 s和2.9 s時，大小分別為-1 024 N和+1 780 N。

▲圖4 彈丸位置變化曲線

▲圖5 推彈板速度變化曲線

▲圖6 彈丸受力變化曲線

▲圖7 彈丸在Z方向上受力變化曲線

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對所研究設(shè)計的裝置按照質(zhì)量、材料和尺寸的比例搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在模型的不同位置安裝相應(yīng)的傳感器，經(jīng)多次試驗(yàn)，模擬整個裝置在身管射角為25°時的運(yùn)動過程，并用傳感器測得相應(yīng)的結(jié)果數(shù)值，見表1。將表中的實(shí)驗(yàn)值與仿真結(jié)果進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，兩者極為相近，同時，查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，某型火炮所用彈丸質(zhì)量和發(fā)射所需動力等參數(shù)值與仿真結(jié)果相近，證明了所設(shè)計裝填裝置的正確性和合理性。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計表

6 結(jié)論

根據(jù)自行火炮的裝填和發(fā)射原理，提出一種新型供彈裝置的設(shè)計方案，并利用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件Recurdyn建立其簡化模型以及虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真，得出相應(yīng)仿真結(jié)果，同時通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果與實(shí)際值極為接近，證明了所設(shè)計方案的合理性，可為將來該類裝填系統(tǒng)的研究提供參考；通過這種方法可以大大提高產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)速度，最大限度地縮短研發(fā)周期和降低成本，同時，還可以提高產(chǎn)品的可靠性。

［1］梁輝，馬春茂，潘江峰，等.大口徑火炮彈藥自動裝填系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀和趨勢［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2010（3）：103-107.

［2］鄭建輝.某火炮自動裝填系統(tǒng)專用實(shí)驗(yàn)裝置的功能結(jié)構(gòu)分析［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2006（4）：24-28.

［3］鄭建興，張相炎.基于Recurdyn的同步帶彈箱動態(tài)特性仿真研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2010（4）：75-78.

［4］劉義.Recurdyn多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真基礎(chǔ)應(yīng)用與提高［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［5］侯保林，樵軍謀，劉琮敏.火炮自動裝填［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2010.

（編輯 功 成）

TH122；TJ303+.3

A

1000-4998（2015）03-0063-03

2014年8月