郭競(jìng)堯，謝楊楊，張永濤

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099）

目前，小口徑防空反導(dǎo)火炮向著高射速、高密集度、低后坐力及高毀傷概率等方向發(fā)展［1］，供彈機(jī)構(gòu)是自動(dòng)炮的重要組成部分，同時(shí)又是最復(fù)雜的部分之一，其結(jié)構(gòu)及形式在很大程度上決定了自動(dòng)炮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，因而它們對(duì)自動(dòng)炮的射速有著至關(guān)重要的影響［2－3］。彈鏈?zhǔn)焦椀慕Y(jié)構(gòu)原理己漸漸無(wú)法適應(yīng)高射速火炮的要求，為了進(jìn)一步提高小口徑火炮的發(fā)射速度和工作的可靠性，專用的無(wú)鏈供彈系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，而無(wú)鏈供彈交接本質(zhì)上就是對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的炮彈與彈鏈傳動(dòng)后經(jīng)撥彈輪實(shí)現(xiàn)炮彈在不同傳輸單元間的交接問(wèn)題［4－5］。

目前無(wú)鏈供彈系統(tǒng)細(xì)分到炮彈的各個(gè)交接單元可分為：反旋向供彈交接和同旋向供彈交接兩種形式。筆者分析了撥彈輪之間的反旋向交接和同旋向交接的特點(diǎn)，以同旋向交接為重點(diǎn)進(jìn)行了分析，以某自動(dòng)機(jī)的供彈系統(tǒng)為例建立了多剛體模型，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了適應(yīng)工程化設(shè)計(jì)的優(yōu)化值，分析過(guò)程及結(jié)果對(duì)無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

1 動(dòng)力學(xué)分析模型的建立

1.1 同旋向供彈單元簡(jiǎn)述

供彈系統(tǒng)中撥彈輪之間通常都是通過(guò)反旋向形式交接炮彈，即兩個(gè)實(shí)施炮彈交接的撥彈輪旋向相反，通過(guò)一對(duì)齒輪進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)。反旋向供彈單元中炮彈的交接過(guò)程速度變化小，繼而炮彈受沖擊力小、交接動(dòng)作可靠，在供彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，其工作形式如圖1所示。

但由于反旋向供彈單元中炮彈運(yùn)行軌跡長(zhǎng)，在一些特殊要求下，如供彈空間布局有特定要求時(shí)，甚至需要增加一級(jí)反旋向供彈單元傳遞炮彈才能達(dá)到供彈系統(tǒng)的功能要求，這無(wú)疑增加了供彈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)還降低了系統(tǒng)可靠性。

而同旋向供彈單元的供彈路線短，且撥彈輪之間的距離比反旋向供彈要小，比較適合結(jié)構(gòu)緊湊的供彈機(jī)構(gòu)，如圖2所示，但由于炮彈在撥彈輪之間傳遞時(shí)的速度方向及速度均有變化，會(huì)對(duì)炮彈帶來(lái)一定的沖擊。為了發(fā)揮同旋向供彈形式的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)將炮彈在交接過(guò)程中的速度變化降低到合理范圍內(nèi)，需要對(duì)同旋向供彈形式進(jìn)行深入分析。

1.2 多剛體模型的建立

對(duì)于剛體位形的描述，ADAMS采用質(zhì)心在慣性參考系中的笛卡爾廣義坐標(biāo)來(lái)表示［6－7］：

式中：平動(dòng)坐標(biāo)（x，y，z）表示質(zhì)心位置；歐拉角（ψ，θ，φ）用于確定其方位。

ADAMS利用帶拉格朗日乘子的拉格朗日第一類方程的能量形式建立如下方程：

集成約束方程ADAMS可自動(dòng)建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程：

式中：T為系統(tǒng)廣義坐標(biāo)表達(dá)的動(dòng)能；q為廣義坐標(biāo)；Q為在廣義坐標(biāo)q方向的廣義力；Φ為系統(tǒng)約束方程；λ為拉格朗日乘子；P為系統(tǒng)的廣義動(dòng)量；H為外力的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。

以某自動(dòng)機(jī)為例，為其設(shè)計(jì)的供彈系統(tǒng)中的同旋向供彈單元的模型見(jiàn)圖3。

將該模型簡(jiǎn)化后轉(zhuǎn)化為Parasolid格式并導(dǎo)入機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中［8］，建立同旋向供彈單元的參數(shù)化仿真模型（兩撥彈輪水平放置，仿真分析中炮彈起始位置位于輸送級(jí)撥彈輪中心的豎直正上方），如圖4所示。模型中，炮彈與撥彈輪和導(dǎo)軌均為接觸碰撞，相應(yīng)接觸中的動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)為0.2，兩撥彈輪均設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)副并取相同的轉(zhuǎn)速和旋向，撥彈輪、導(dǎo)軌及炮彈均調(diào)用材料物性數(shù)據(jù)庫(kù)中鋼材的材料特性（彈性模量為207kN／mm2，泊松比為0.29，密度為7.801×10－6kg／mm3）。

2 動(dòng)力學(xué)仿真及結(jié)果分析

同旋向供彈單元共有3個(gè)設(shè)計(jì)輸入條件：兩撥彈輪間中心距；兩撥彈輪之間相位角（以下簡(jiǎn)稱相位角）；炮彈運(yùn)行軌跡的過(guò)渡圓半徑（以下簡(jiǎn)稱過(guò)渡圓半徑）。由于兩撥彈輪中心距多由總體布局決定，在此著重分析撥彈輪中心距一定的情況下，相位角及過(guò)渡圓半徑的影響。優(yōu)化目標(biāo)：使炮彈在撥彈輪之間交接時(shí)的速度波動(dòng)值較??；并且能使加工裝配中產(chǎn)生誤差的影響度較低。

仿真優(yōu)化過(guò)程依照設(shè)計(jì)參數(shù)抽樣分析的方法［9－10］，根據(jù)工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在供彈單元能夠工作的前提下賦予相位角及過(guò)渡圓半徑一定的取值范圍，并在取值范圍內(nèi)選取特定的采樣點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，具體取值見(jiàn)表1。

表1 同旋向供彈單元參數(shù)輸入抽樣

在3 000 發(fā)／min 的供彈速度下，經(jīng)動(dòng)力學(xué)仿真，得到各相位角下炮彈在撥彈輪交接過(guò)程中的速度變化曲線，見(jiàn)圖5～圖10。圖5中，A 點(diǎn)為炮彈由輸送級(jí)撥彈輪推動(dòng)進(jìn)入過(guò)渡段的起始點(diǎn)；B 點(diǎn)為兩撥彈輪交接炮彈過(guò)程的起始點(diǎn)；C 點(diǎn)為兩撥彈輪交接炮彈過(guò)程的結(jié)束點(diǎn)。圖6～圖10的特征點(diǎn)與圖5相同。

在撥彈輪交接炮彈的過(guò)程中，炮彈速度有明顯的跳動(dòng)，選取合理的相位角及過(guò)渡圓半徑，可以將該跳動(dòng)值盡可能地降低，即減小炮彈過(guò)渡時(shí)速度變化量。圖11、圖12為參數(shù)抽樣點(diǎn)分析結(jié)果擬合的炮彈速度變化量曲面圖及其俯視圖。

從圖5～圖12可知：相位角為34°時(shí)供彈交接時(shí)炮彈有速度變化振動(dòng)，即此處炮彈有多次撞擊，而相位角接近39°而過(guò)渡圓半徑接近60mm 時(shí)炮彈速度變化量趨于增大，因此可得到相位角及過(guò)渡圓半徑合理的取值范圍，又由于加工及裝配誤差的存在，為保證可靠性，故在取值范圍的中心處選擇最終的設(shè)計(jì)參數(shù)，即：相位角為37°、過(guò)渡圓半徑為80mm。

3 結(jié)論

同旋向供彈單元結(jié)構(gòu)緊湊，適合對(duì)空間要求更嚴(yán)格的無(wú)鏈供彈系統(tǒng)，其中撥彈輪之間的相位角及炮彈軌跡過(guò)渡圓半徑是決定炮彈交接過(guò)程速度變化量值的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。以某自動(dòng)機(jī)的供彈系統(tǒng)為例，根據(jù)工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)其中同旋向供彈單元進(jìn)行了多種設(shè)計(jì)參數(shù)的動(dòng)力學(xué)仿真，將仿真優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用到了實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。通過(guò)對(duì)同旋向供彈單元的動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了此類供彈單元的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法，對(duì)無(wú)鏈供彈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了一定的參考。

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