碰撞式能量傳遞型轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)研究

郭競(jìng)堯，黨小可，劉 彥，劉建斌

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 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(lái)越小、運(yùn)動(dòng)速度越來(lái)越快，對(duì)防御一方的威脅越來(lái)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(dòng)機(jī)的射速為目標(biāo)，從降低自動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的設(shè)想[1]。

1 結(jié)構(gòu)工作過(guò)程

轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)具有多個(gè)藥室，對(duì)應(yīng)不同藥室的輸彈、關(guān)閂、擊發(fā)、抽殼等不同的動(dòng)作在時(shí)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(dòng)機(jī)射速進(jìn)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(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)想：在轉(zhuǎn)膛體外側(cè)增加1個(gè)飛輪，當(dāng)轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)到位時(shí)撞擊飛輪，轉(zhuǎn)膛體停止而飛輪則開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)膛體動(dòng)能的一部分傳遞給飛輪儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，又撞擊轉(zhuǎn)膛體使飛輪停止而轉(zhuǎn)膛體開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(gè)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(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)位置，在此期間1號(hào)彈膛處于閉鎖狀態(tài)并完成擊發(fā)、輸彈、拋殼等動(dòng)作。飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°后到達(dá)圖1中位置2，并與轉(zhuǎn)膛體發(fā)生撞擊，由于兩個(gè)件的轉(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，在此期間進(jìn)行推彈及拋殼裝置收回，擊針收回并被卡鎖卡住，實(shí)現(xiàn)待發(fā)。轉(zhuǎn)膛體隨后轉(zhuǎn)動(dòng)90°后到達(dá)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(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)2號(hào)彈膛處在擊發(fā)位置并完成另一個(gè)擊發(fā)、輸彈、拋殼等動(dòng)作循環(huán)。轉(zhuǎn)膛體、飛輪如此交替轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)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(dòng)、停止及定位，還需設(shè)置驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向裝置和定位齒，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

驅(qū)動(dòng)輪上裝有轉(zhuǎn)向裝置，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shí)，轉(zhuǎn)向裝置在曲線(xiàn)槽的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，其前端部與飛輪脫開(kāi)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(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在轉(zhuǎn)膛體內(nèi)的另一個(gè)定位齒收回并與轉(zhuǎn)膛體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。由轉(zhuǎn)膛體到飛輪的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程與以上過(guò)程相同。在此過(guò)程中驅(qū)動(dòng)輪一直處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，其上的錐齒輪通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輸彈、擊發(fā)、拋殼機(jī)構(gòu)做前后的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

2 仿真分析

2.1 分析及仿真

基于以上驅(qū)動(dòng)模式構(gòu)建的自動(dòng)機(jī)如圖3所示。此驅(qū)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)因?yàn)椴捎昧宿D(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(dòng)、停止時(shí)的能量損失，故使用外能源驅(qū)動(dòng)自動(dòng)機(jī)工作。

其外能源驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)關(guān)系如圖4所示，電機(jī)輸出扭矩傳給錐齒輪Z2，錐齒輪Z2帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪上齒輪Z1使驅(qū)動(dòng)輪保持連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，再由Z1傳動(dòng)至齒輪Z8帶動(dòng)撥彈輪轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)電機(jī)又通過(guò)錐齒輪Z2帶動(dòng)錐齒輪Z3，錐齒輪Z3上的曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輸彈機(jī)構(gòu)推彈入膛。

該自動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有專(zhuān)用閂體前后運(yùn)動(dòng)及閉鎖時(shí)的撞擊，而輸彈功率較小可忽略，并且抽殼動(dòng)作可以引用火藥氣體的能量，因此，自動(dòng)機(jī)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(dòng)輪之間的撞擊及供彈時(shí)彈帶運(yùn)動(dòng)的功率。

所需電機(jī)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(yùn)動(dòng)功率。

2.1.1 轉(zhuǎn)膛體、飛輪和驅(qū)動(dòng)輪撞擊的平均功率計(jì)算[3]

首先，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)膛體以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到一定的角度后，轉(zhuǎn)膛體與驅(qū)動(dòng)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(dòng)，撞擊后飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為:

(2)

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

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

Jω+J2ω2=(J+J2)ω22

(3)

即：

式中：J為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

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

(4)

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

由于擊發(fā)后至下一發(fā)的過(guò)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?jī)砂l(fā)之間的時(shí)間間隔；n為射速，發(fā)/分。

2.1.2 彈帶平均功率計(jì)算[2,4]

在射擊過(guò)程中，彈帶運(yùn)動(dòng)對(duì)撥彈輪產(chǎn)生阻力。計(jì)算中將彈帶簡(jiǎn)化為沿長(zhǎng)度均勻分布的線(xiàn)彈性帶狀體，近似方法計(jì)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)時(shí)，這兩項(xiàng)相對(duì)前一項(xiàng)的值很小，可忽略不計(jì)，因此彈帶阻力矩為：

(8)

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

由傳動(dòng)關(guān)系圖可知，主動(dòng)輪至撥彈輪之間的傳速比為：

ω3=i×ω

因此，彈帶勻速運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)平均功率，見(jiàn)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(jī)平均功率對(duì)照表

2.1.3 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)膛體啟停平均功率計(jì)算

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)每次擊發(fā)間隔中，轉(zhuǎn)膛體均由靜止啟動(dòng)然后再停止，動(dòng)能完全消耗，假設(shè)每一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(shí)間；θ為轉(zhuǎn)膛體由初始角速度到最大角速度所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

由于轉(zhuǎn)膛體是由靜止開(kāi)始啟動(dòng)，所以ωc0=0，則可得:

(11)

所以，轉(zhuǎn)膛體每個(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)慣量。

因此，轉(zhuǎn)膛體每個(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)為例，其轉(zhuǎn)膛體啟停平均功率見(jiàn)表2。

表2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)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(duì)比可以看出，基于碰撞式能量傳遞型轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率也隨著射速上升呈指數(shù)上升趨勢(shì)，但利用碰撞來(lái)進(jìn)行能量傳遞，能夠使轉(zhuǎn)膛體和飛輪交替轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)一個(gè)構(gòu)件停止后其動(dòng)能傳遞到另一個(gè)構(gòu)件上，相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)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(shí)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(dòng)功率較小。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在轉(zhuǎn)膛原理自動(dòng)機(jī)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(dòng)結(jié)構(gòu)形式，降低了轉(zhuǎn)膛體啟停的功率消耗，并且可實(shí)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(dòng)機(jī)達(dá)到更高射速。

小口徑自動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)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(lái)沒(méi)有顯現(xiàn)大的改變或者突破。希望通過(guò)以上這樣的研究，使得轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)以及其他種類(lèi)的小口徑自動(dòng)機(jī)能得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

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