譚 慶，李 強，李世康，安俊斌

(中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051)

一種導氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動機曲線槽設計

譚 慶，李 強，李世康，安俊斌

(中北大學 機電工程學院，山西 太原030051)

為實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)藥室可靠閉氣，平穩(wěn)、快速開鎖和閉鎖的目標，設計了一種新型的導氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動機結(jié)構(gòu)，使用微分方法對開閉鎖曲線槽進行了設計。應用ADAMS動力學仿真軟件對該自動機結(jié)構(gòu)進行了動力學特性分析，機構(gòu)運動平穩(wěn)，動作可靠，一個自動循環(huán)用時0.33s。仿真結(jié)果表明該自動機在原理上是可行的，具有一定的參考價值。

旋轉(zhuǎn)藥室；曲線槽；微積分；ADAMS

旋轉(zhuǎn)藥室技術(shù)是埋頭彈藥發(fā)射系統(tǒng)的三大關鍵技術(shù)之一[1]。旋轉(zhuǎn)藥室按其旋轉(zhuǎn)動作可分為豎直旋轉(zhuǎn)和水平旋轉(zhuǎn)兩種類型。豎直旋轉(zhuǎn)藥室在進行俯仰射擊供彈時需將炮身復位到一個固定角度方能進行供彈[2]，會使得射頻降低，與此同時，豎直旋轉(zhuǎn)藥室結(jié)構(gòu)多用于發(fā)射可燃和半可燃藥筒的彈藥，閉氣結(jié)構(gòu)復雜，所以常見的布置方式是水平旋轉(zhuǎn)藥室機構(gòu)。英國和法國共同研發(fā)的CT2000式40mm CTWS埋頭彈發(fā)射系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)藥室的旋轉(zhuǎn)是在水平方向，依靠電機驅(qū)動完成。劉建斌等[3]提出了一種管退式的埋頭彈火炮結(jié)構(gòu)，為確?；鹋诘纳鋼舴€(wěn)定性設計了專門的后坐補償機構(gòu)。韓鐵等[4]提出了一種楔形閉鎖的導氣式旋轉(zhuǎn)藥室結(jié)構(gòu)。筆者在前人研究的基礎上，提出了一種新的導氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動機結(jié)構(gòu)。

1 工作原理

導氣式旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動機結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射藥被點燃后，彈丸在火藥氣體的作用下沿膛運動。當彈丸經(jīng)過導氣孔后，部分火藥氣體進入導氣管內(nèi)，推動導氣活塞桿和小滑板后坐9mm(藥室曲線槽直線段，藥室不發(fā)生旋轉(zhuǎn))，插銷在小滑板的曲線槽內(nèi)運動，插銷從藥室座的定位孔1中拔出后插入定位孔2。導氣活塞桿繼續(xù)后坐19mm，撞擊旋轉(zhuǎn)臂，旋轉(zhuǎn)臂撞擊藥室座上的凸起，藥室座和藥室開始一起后坐12.5mm并壓縮藥室座復位簧。導氣活塞桿繼續(xù)后坐進入藥室曲線槽曲線段，推動藥室順時針旋轉(zhuǎn)90°完成開鎖。

自動裝彈完成后，小滑板和導氣活塞桿在滑板復位簧的作用下開始復位，藥室旋轉(zhuǎn)到位后，藥室和藥室座在藥室座復位簧的作用下向前復位，埋頭彈藥藥筒進入身管約7.8mm，與此同時，插銷在小滑板曲線槽內(nèi)沿曲線槽運動，由定位孔2拔出并插入定位孔1。至此，閉鎖動作完成，擊發(fā)后，高壓火藥燃氣會使藥筒前段變形并貼近身管壁，防止火藥氣體從身管與藥室之間的縫隙泄露[5-6]。

2 曲線槽數(shù)學模型的建立

曲線槽是旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動機的重要結(jié)構(gòu)，對機構(gòu)運動的平穩(wěn)性和可靠性起著決定性作用。為了使火藥氣體盡快傳遞到導氣活塞桿上，將導氣活塞桿軸線布置在身管軸線和藥室旋轉(zhuǎn)中心構(gòu)成的平面上。如圖2所示，取旋轉(zhuǎn)藥室中心為圓心，身管軸線為x軸，且身管口部方向為x軸正向。為了使導氣活塞桿作用在藥室上的有效推力最大，隨著藥室的旋轉(zhuǎn)，在曲線與x軸的交點處，曲線的切線與x軸的夾角θ應盡量為在35°～55°之間的一個固定值。曲線求取原理如圖3所示，將曲線等分成長度為ΔC的微小線段進行求解。選擇微分曲線而不是微分旋轉(zhuǎn)藥室轉(zhuǎn)動角度的原因是，距離圓心不同距離，相同轉(zhuǎn)角對應的弧長會有較大差異，在離圓心較遠處，求解出的曲線誤差較大。

先以x軸上一點A0為起點，作一條與x軸夾角為θ，長度為ΔC的線段A0A1，A0距圓心的距離為a0，A1距圓心的距離為a1，∠A0OA1=β1。旋轉(zhuǎn)藥室繞圓心O點轉(zhuǎn)動角度β1后，OA1與x軸共線，此時，以A1為起點，作另一條長度為ΔC，與線段OA1夾角為θ的線段A1A2，OA2長度為a2，∠A0OA2=β2。如此重復，旋轉(zhuǎn)藥室繞圓心轉(zhuǎn)動角度βi后，就以Ai為起點作長度為ΔC，與線段OAi夾角為θ的線段AiAi+1。當ΔC趨于無限小時，由點Ai擬合得到的曲線是一條轉(zhuǎn)動任意角度，在與x軸形成的交點處的切線均與x軸成固定角度θ的曲線，此曲線即是所求。公式(1)、(2)給出了點Ai的極坐標表達式，ai為半徑坐標，βi為角坐標。

(1)

(2)

旋轉(zhuǎn)藥室受力分析如圖4所示，藥室在旋轉(zhuǎn)中心的力假設為FOx和FOy；導氣活塞桿施加的力分別為F和滑動摩擦力f，將F沿曲線切線和法向方向進行分解為Fτ和Fn，則使藥室轉(zhuǎn)動的力矩M滿足式(3)的關系。令M′等于0，即可求解出使得M取得最大值時的θ角。

(3)

M取得最大值的θ角是與動摩擦因數(shù)μ息息相關的，圖5給出了不同摩擦因數(shù)單位旋轉(zhuǎn)力矩與θ角的關系，動摩擦系數(shù)等于0.05、0.06、0.07、0.08、0.09和0.10對應的最優(yōu)θ角分別為43.6°、43.3°、43.0°、42.7°、42.4°和42.1°。

為了減小摩擦，驅(qū)動藥室旋轉(zhuǎn)的導氣活塞桿上加有滾輪，并加以潤滑，因此取摩擦系數(shù)為0.05，則使M取得最大值，θ的最優(yōu)解為43.6°。取a0=150、ΔC=0.1mm，則曲線槽曲線段方程為

y=-2×10-11x6+9×10-9x5-2×10-6x4+

0.0002x3-0.0195x2+0.9407x+29.035

(4)

圖6為藥室模型的俯視圖，為了保證旋轉(zhuǎn)過程中自動機不會因質(zhì)量偏心而發(fā)生擺動，在對稱位置加工了兩處曲線槽。為滿足閉氣要求，在曲線槽起始處增加了一段長度為16.5mm的直線段。

3 多剛體動力學仿真分析

應用ADAMS軟件對旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動機進行動力學仿真。彈簧采用ADAMS自帶彈簧，動力學模型如圖7所示。

導氣活塞桿上施加的力為彈丸經(jīng)過導氣孔位置后的膛壓與導氣孔截面積的乘積，某埋頭彈藥火炮內(nèi)彈道時期膛壓-時間曲線如圖8所示。

旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動機的主要動作包括：藥室座和藥室后坐(如圖9所示)，藥室旋轉(zhuǎn)開鎖(如圖10所示)，供彈，藥室旋轉(zhuǎn)閉鎖，藥室座和藥室復進回位共4個動作。

藥室座和藥室是旋轉(zhuǎn)藥室的最重要零部件。藥室座的速度、加速度與時間的關系如圖11、12所示。

從圖11、12可以看出，藥室座撞擊到機框后會有少量的回彈，這是由于插銷端面導引部有8°的錐角，當插銷由定位孔1拔出插入定位孔2時，會形成一個短暫的間隙，而此時，藥室座與機框發(fā)生了碰撞，機框就會有少量的回彈。該動作不會對后續(xù)的藥室旋轉(zhuǎn)造成擾動。

藥室的角速度和角加速度與時間的關系如圖13、14所示。

從圖13、14可以看出，藥室運動段主要在0.3s前，在0～0.125s為開鎖段，藥室角速度迅速由0(°)/s升到1000(°)/s，在受到復位簧的阻力后開始逐漸減小。0.125～0.30s為閉鎖段，導氣活塞桿到達曲線槽曲線段頂點后在復位簧的作用下開始復位，藥室角速度急劇減小，并開始反向加速，在慣性的作用下，角速度越來越大，直至進入曲線槽直線段，角速度迅速衰減至0(°)/s。

4 結(jié)束語

筆者在前人關于埋頭彈藥火炮自動機的研究基礎上，提出了一種新型的埋頭彈藥火炮旋轉(zhuǎn)藥室自動機結(jié)構(gòu)，并對開閉鎖曲線槽進行了詳細設計。應用ADAMS動力學仿真軟件進行仿真，證明該機構(gòu)在原理上是可行的，避免了機構(gòu)的大位移動作，一個自動循環(huán)用時0.33s，滿足射頻要求，機構(gòu)運動平穩(wěn)，可靠。此設計為后續(xù)導氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動機的研究奠定了基礎，具有一定的參考價值。

References)

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CamSlotDesignofaNewGasOperationRotatingChamberAutomata

TAN Qing，LI Qiang，LI Shikang，AN Junbin

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan030051，Shanxi，China)

For the purposes of securing safe breath suspending of the cased telescoped ammunition gun rotating chamber as well as the rapid and smooth unlocking and locking mechanism work, a new gas operation rotating chamber automata was designed, with the cam slot couple used to unlocking and locking designed through the differential method. The dynamics characteristics of the mechanism were analyzed with ADAMS dynamics simulation software. The results show that actions are stable and reliable with one cycle taking0.33s. The automatic mechanism is feasible in principle and has a certain reference value.

rotating chamber; cam slot couple; differential; ADAMS

TJ10

： A

：1673-6524(2017)03-0042-05

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.009

2016-11-21

國家自然科學基金(51175481)

譚慶(1992—)，男，碩士研究生，主要從事武器結(jié)構(gòu)設計與發(fā)射動力學仿真技術(shù)研究。E-mail：tanying248@163.com