大口徑艦炮供彈系統(tǒng)變幅同步擺機(jī)構(gòu)分析

葉小紅，李少遠(yuǎn)，姜貴林，王茂林，王洪光

哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

射速是火炮系統(tǒng)的一個(gè)主要性能指標(biāo)，而供彈速率在一定程度上限制了火炮的發(fā)射速率［1］。單發(fā)發(fā)射的時(shí)間主要包括擺臂下擺接彈上擺送彈時(shí)間、輸彈時(shí)間、關(guān)閂時(shí)間、瞄準(zhǔn)時(shí)間、擊發(fā)時(shí)間、后坐回復(fù)時(shí)間，先瞄準(zhǔn)后供彈的斜式供彈方式通過(guò)將瞄準(zhǔn)時(shí)間與擺臂擺彈時(shí)間同時(shí)進(jìn)行而節(jié)省了供彈時(shí)間，提高供彈速率［2］。這樣的斜式供彈方式為了保證擺臂確實(shí)上擺至發(fā)射角同軸線，引入了一個(gè)變幅同步問(wèn)題，即隨著射角的變化，擺臂上擺擺角也將發(fā)生相應(yīng)的變化以保證同軸輸彈供彈［3］。

現(xiàn)有的火炮系統(tǒng)多采用自動(dòng)化的控制手段，雖然原理簡(jiǎn)單，卻也存在液壓系統(tǒng)調(diào)整困難、不穩(wěn)定，緩沖器(既要緩沖又要保證充分到位)不可靠，動(dòng)力源難以統(tǒng)一等缺點(diǎn)［4］。但是機(jī)械式變幅同步擺機(jī)構(gòu)是搖架與擺臂之間的一個(gè)機(jī)械裝置，用于實(shí)現(xiàn)搖架與擺臂的同步［5］，從而實(shí)現(xiàn)了射角與擺臂擺角同步的目的，不存在上面問(wèn)題，運(yùn)動(dòng)可靠。

俄式76 mm艦炮的裝填擺是典型的機(jī)械式變幅同步擺，現(xiàn)以此擺為例進(jìn)行同步擺運(yùn)動(dòng)分析，作為新同步擺設(shè)計(jì)分析的參考。

1 斜式裝填的射角與擺角關(guān)系

供彈方式中的斜式裝填是指在炮彈進(jìn)入炮膛之前先行進(jìn)行瞄準(zhǔn)，調(diào)整搖架的俯仰角——射角，而后擺臂上擺至膛線位置并到位，所以為了在不同射角狀態(tài)下都能保證供彈到位，擺臂需要實(shí)時(shí)的變換擺角來(lái)適應(yīng)不同的射角。于是在假定擺臂和搖架的初始位置分別是垂直位置和水平位置的條件下，擺角α和射角φ之間關(guān)系式［6］為:

圖1所示是艦炮供彈系統(tǒng)同步機(jī)構(gòu)的擺角與射角的原理關(guān)系圖。射角φ定義為膛線與水平線的夾角，擺臂擺角α定義為膛線與鉛垂線的夾角。

圖1 同步機(jī)構(gòu)的擺臂與射角關(guān)系圖

2 變幅同步擺機(jī)構(gòu)的工作原理

變幅同步擺機(jī)構(gòu)的原理圖如圖2所示，主要包括了兩部分:擺臂驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部分和搖架同步自適應(yīng)部分。

搖架同步自適應(yīng)部分主要包括了搖架上的曲線槽2，三角形杠桿12以及滑塊10，搖架以耳軸O1為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，三角形杠桿旋轉(zhuǎn)中心O2固定在炮架上。當(dāng)搖架調(diào)整射角時(shí)，搖架以O(shè)1為中心轉(zhuǎn)動(dòng)，三角形杠桿12通過(guò)連桿帶動(dòng)滑塊10移動(dòng)到位，變心D是隨著滑塊移動(dòng)的。

圖2 變幅同步擺機(jī)構(gòu)

擺臂驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部分是由曲柄7驅(qū)動(dòng)，滑塊5的移動(dòng)使滑槽連桿8沿著變心D發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，從而由后續(xù)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒弧齒條機(jī)構(gòu)，最終帶動(dòng)擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。于是可以通過(guò)精確計(jì)算曲線槽的形狀來(lái)控制滑塊10的移動(dòng)，從而保證變心D的不同位置實(shí)現(xiàn)搖架1轉(zhuǎn)動(dòng)一定的射角位置時(shí)，擺臂必定上擺到射角同軸線位置，實(shí)現(xiàn)同步［7］。

3 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化與分析

為了方便分析，這里將完整的變幅同步擺機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行分解和簡(jiǎn)化，由動(dòng)點(diǎn)D分開(kāi)，拆成兩部分:擺臂驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部分和搖架自適應(yīng)部分，分別對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行自由度計(jì)算和位置分析，并在最后將2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行耦合，從而得到凸輪曲線槽曲線方程。

3.1 機(jī)構(gòu)模型分解及自由度計(jì)算

3.1.1 機(jī)構(gòu)模型分解與簡(jiǎn)化

將圖2簡(jiǎn)化拆成如圖3和圖4所示的2個(gè)機(jī)構(gòu)，各含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)。圖3是擺臂驅(qū)動(dòng)，由曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)終端齒條的移動(dòng)(因?yàn)辇X輪對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析沒(méi)有影響，所以這里先將齒輪略去)，令D點(diǎn)固定;圖4是搖架驅(qū)動(dòng)，搖架沿耳軸的轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于是凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)D點(diǎn)移動(dòng)，此處D點(diǎn)為移動(dòng)點(diǎn)。

圖3 擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖4 搖架自適應(yīng)機(jī)構(gòu)

其中有3處固定軸線位置，齒條移動(dòng)方向固定，AC方向固定，動(dòng)點(diǎn)D的移動(dòng)方向固定，且其位置關(guān)系設(shè)為已知［8］。

3.1.2 模型的自由度計(jì)算

平面機(jī)構(gòu)自由度與機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目、低副數(shù)目和高副數(shù)目有關(guān)，其計(jì)算公式如下:式中:n是機(jī)構(gòu)中可動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目，pl是低副數(shù)目，ph是高副數(shù)目［9］。

于是分別對(duì)圖2、3、4進(jìn)行自由度計(jì)算，得:

顯然，分解前后機(jī)構(gòu)都有確定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.2 機(jī)構(gòu)初始位置分析

3.2.1 擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)初始位置分析

如圖3所示的實(shí)線部分和虛線部分分別是擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的2個(gè)極限位置，其中實(shí)線位置時(shí)擺臂處于初始位置，當(dāng)變換到虛線位置時(shí)，擺臂也由初始位置擺動(dòng)到膛線位置。

為了保證不同的射角情況下，動(dòng)點(diǎn)D的位置變化不會(huì)對(duì)擺臂機(jī)構(gòu)初始位置產(chǎn)生影響，使擺臂每次都是從垂直位置上擺，本機(jī)構(gòu)使連桿4的初始軸線位置與動(dòng)點(diǎn)D的導(dǎo)軌方向重合，從而保證無(wú)論動(dòng)點(diǎn)D怎么移動(dòng)都不會(huì)影響到擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)［10］。

且在初始位置時(shí)，點(diǎn)C即是滑塊3的初始點(diǎn)，同時(shí)也是滑塊5的導(dǎo)軌軸線與滑塊3的導(dǎo)軌軸線的焦點(diǎn)，且當(dāng)滑塊3處于C點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)E、F、G實(shí)現(xiàn)3點(diǎn)共線。

3.2.2 擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)初始位置分析

如圖4所示，實(shí)線部分為搖架自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，為了分析方便，只取其中連桿部分進(jìn)行分析，初始位置時(shí)，射角為0°，動(dòng)點(diǎn)D處于D0位置，當(dāng)射角為 φ時(shí)，動(dòng)點(diǎn)由D0移動(dòng)到D。

3.3 機(jī)構(gòu)位置分析

由于本機(jī)構(gòu)的擺臂有7°的折角，所以需對(duì)擺角與射角的關(guān)系式(1)修改為

3.3.1 擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置分析

如圖3所示的擺臂機(jī)構(gòu)，已知各桿件的長(zhǎng)度為li(i=1，2，4，5) 和 EF=b，導(dǎo)向 I、II和 III固定，并如圖建立坐 標(biāo)系，則有 C( 0 ，0)、D( 0 ，yD) 、E( 0 ，l4)、F( b ，l4) 和 G( b +l5，l4)確定的位置關(guān)系，且根據(jù)齒條位移G1G與擺臂轉(zhuǎn)角α的關(guān)系式可有G1G=Rα，其中R是耳軸中心到齒條的垂直距離，由三角關(guān)系和坐標(biāo)關(guān)系可有

于是ΔCC1D中，已知得到了

根據(jù)三角形正弦定理有

式(10)是經(jīng)過(guò)常數(shù)簡(jiǎn)化后的yD關(guān)于α的顯式表達(dá)式，并簡(jiǎn)寫(xiě)為yD=f( α)，方便后面的計(jì)算。

3.3.2 搖架自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的位置分析

設(shè)圖4機(jī)構(gòu)的初始位置已知，由圖建立坐標(biāo)系，即已知 ∠HO2O=β ，∠IO2H，D( 0 ，yD) ，D0(0 ，yD)和O1( xO1，yO1)，并設(shè)∠H1O2H=θ，則有

由三角計(jì)算公式可得

由上式可以求得θ=β－2arctan A，其中A是關(guān)

用關(guān)于 yD的函數(shù) g yD( )代替式(14)中的2arctan A－∠IO2H，從而將I1的坐標(biāo)簡(jiǎn)寫(xiě)成于yD的函數(shù)。從而可以得到I1的坐標(biāo)為

3.3.3 凸輪曲線槽分析

圖5中，曲線槽是固定在搖架上，當(dāng)搖架以O(shè)1點(diǎn)為軸心轉(zhuǎn)動(dòng)φ(即射角為φ)時(shí)，曲線槽也以O(shè)1點(diǎn)為軸心轉(zhuǎn)動(dòng)φ，即曲線槽在固定坐標(biāo)系C-xy中的位置也發(fā)生變化，而點(diǎn)I1在搖架上的位置和在固定坐標(biāo)系中的位置均發(fā)生變化，為了得到曲線槽的各點(diǎn)在搖架上的對(duì)應(yīng)位置，首先需求得當(dāng)搖架處于初始位置時(shí)，長(zhǎng)度 IO1關(guān)于射角 φ的坐標(biāo)表達(dá)式以及∠I1O1O。

圖5 曲線槽形狀分析

結(jié)合等式(3)和(10)，得到y(tǒng)D關(guān)于φ的顯式表達(dá)式y(tǒng)D=(f 97°－φ )，并最終得到連桿端點(diǎn)I1關(guān)于α的坐標(biāo)表達(dá)式為

設(shè)已知耳軸位置點(diǎn)O1的坐標(biāo)為 ( xO1，yO1)，所以可以計(jì)算得 |I1O1|的長(zhǎng)度如下:

簡(jiǎn)化式(17)中的常數(shù)，并設(shè)ρ= | IO1|，則 ρ的表達(dá)式為

點(diǎn)I1和點(diǎn) O1的連線 I1O1與水平線的夾角∠I1O1O可以在該兩點(diǎn)已知的狀態(tài)下求得如下:

簡(jiǎn)化常數(shù)可得

由圖5可知，曲線槽相對(duì)于搖架的角度 φ=∠I1O1O－φ，則最終可得到曲線槽曲線的極軸坐標(biāo)方程為

由上式可知，曲線槽的位置和形狀均由唯一參數(shù)射角φ確定，當(dāng)φ取值－15°～85°時(shí)可得到一系列的連續(xù)點(diǎn)，從而得到了凸輪曲線，整個(gè)的變幅同步擺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與位置分析也完成了。

3.4 擺臂始末速度分析

擺臂的始端是一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，而對(duì)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的速度和加速度分析已經(jīng)非常成熟，也直接引用現(xiàn)有的研究成果［11］。

從圖2中可知，本機(jī)構(gòu)是一個(gè)正置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在假定曲柄輸入為恒定的情況下，假定曲柄與CC1逆時(shí)針角度為σ，可以視滑塊的近似速度為

式中:r為圖2中桿7的長(zhǎng)度，λ是桿件7和6的長(zhǎng)度比，可將滑塊的近似速度曲線繪制如圖6所示。

圖6 滑塊速度曲線

當(dāng)σ∈0，π[)的過(guò)程中，曲柄從初始位置出發(fā)并達(dá)到極限位置，而該過(guò)程中滑塊的速度為由0變到vmax，再由vmax減小到0，從而保證擺臂在上擺送彈過(guò)程中速度沒(méi)有躍變，并在擺彈上擺到位時(shí)理論上沒(méi)有沖擊。當(dāng)σ∈π，2π[)的過(guò)程中，曲柄從極限位置回到初始位置，該過(guò)程中滑塊的速度由0變到－vmax，再由vmax減小到0，即保證擺臂在下擺接彈過(guò)程中速度沒(méi)有躍變，從而實(shí)現(xiàn)擺臂起始提速和擺彈下擺到位時(shí)理論上沒(méi)有沖擊。而這是控制系統(tǒng)所不能完成的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有變幅同步擺機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置分析和速度分析，找出重新設(shè)計(jì)適應(yīng)新艦炮要求的新同步供彈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法:1)擺臂驅(qū)動(dòng)要滿足擺臂擺動(dòng)到位是可靠且速度為零;2)其次射角的調(diào)整不會(huì)對(duì)擺臂機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響;3)可通過(guò)凸輪杠桿機(jī)構(gòu)或差動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)變幅同步擺機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)。

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