多彈種快速供彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

龐偉，劉杰，李強(qiáng)，段樂(lè)樂(lè)

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2.北方工程設(shè)計(jì)研究院，石家莊050011）

多彈種快速供彈系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

龐偉1，劉杰1，李強(qiáng)1，段樂(lè)樂(lè)2

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2.北方工程設(shè)計(jì)研究院，石家莊050011）

在研究國(guó)內(nèi)外供彈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借鑒它們的可取之處，通過(guò)機(jī)構(gòu)上的綜合和創(chuàng)新來(lái)建立一個(gè)有效的、可行的方案模型，確定供彈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式與布置方式，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并在Solidworks中建立供彈系統(tǒng)的實(shí)體模型。完成了方案的總體結(jié)構(gòu)布置和時(shí)序設(shè)計(jì)。對(duì)彈鼓進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)，完成了彈丸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，運(yùn)用ADAMS對(duì)模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。為提高艦炮的射速和供彈系統(tǒng)的自動(dòng)化以及多彈種快速轉(zhuǎn)換能力提供了新的思路與構(gòu)想。

艦炮，供彈系統(tǒng)，時(shí)序設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)分析

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，艦艇面臨的作戰(zhàn)任務(wù)和威脅復(fù)雜多樣，而且越來(lái)越多的來(lái)自空中、海上和陸地的精確制導(dǎo)武器的威脅，使水面艦艇在戰(zhàn)爭(zhēng)中的生存環(huán)境變得愈加險(xiǎn)惡。由于固有的技術(shù)局限及高昂的成本，防空導(dǎo)彈不可能完全取代艦載火炮武器系統(tǒng)。大中口徑艦炮在射程上可以彌補(bǔ)兩者之間的火力盲區(qū)，又不容易受干擾，可以較好地履行中程防空任務(wù)。近年來(lái)隨著由海向陸戰(zhàn)略的提出，要求艦炮具有遠(yuǎn)程火力打擊及火力支援的功能，在裝備增程制導(dǎo)彈藥以后，可以對(duì)敵縱深目標(biāo)實(shí)施持續(xù)快速、精確的打擊。有效彌補(bǔ)艦載導(dǎo)彈數(shù)量少、造價(jià)高昂的弱點(diǎn)。隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和海軍戰(zhàn)略思想、海戰(zhàn)模式及海上戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化，艦炮武器系統(tǒng)正逐步發(fā)展成為擁有多種功能的先進(jìn)武器發(fā)射平臺(tái)［1］。

要提高整個(gè)艦炮武器系統(tǒng)的打擊效能，就要從艦炮的供彈系統(tǒng)入手，提高供彈系統(tǒng)的自動(dòng)化、載彈量水平以及反應(yīng)和運(yùn)行速度。為了滿足未來(lái)艦載大口徑火炮武器作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)要求，需要設(shè)計(jì)一套能夠快速連續(xù)供彈、快速更換彈種的全自動(dòng)供彈系統(tǒng)。

1 多彈種快速供彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

1.1 供彈系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的新型艦炮供彈系統(tǒng)應(yīng)該擁有足夠大的載彈量，能夠兼容存儲(chǔ)多種類型的彈藥，模塊化、輕量化水平高，具有良好的可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)中央計(jì)算機(jī)的指令安全迅速地識(shí)別、轉(zhuǎn)運(yùn)所需的彈藥，完成引信裝訂及參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)任意射角及方位角下彈藥的自動(dòng)裝填，具備故障自我檢測(cè)及指示功能，能夠在某些零部件損壞的情況下保證主要功能正?；蚴墙档湍承┬阅苤笜?biāo)能夠正常使用等［2］。

為了完成多彈種的存儲(chǔ)與快速選擇，本方案采取多彈鼓容彈、單線揚(yáng)彈的總體布置方式，可以根據(jù)不同艦型和作戰(zhàn)使命配置不同數(shù)量的彈鼓，本方案采用4彈鼓組合形式。4個(gè)彈鼓布置在正方形的4個(gè)角上，揚(yáng)彈機(jī)可以繞自身軸線旋轉(zhuǎn)以接收不同彈鼓推出的炮彈，它有4個(gè)固定的旋轉(zhuǎn)角，分別為-135°、-45°、45°、135°，揚(yáng)彈通道位于炮塔回轉(zhuǎn)中心。總體布置方式如圖1所示。

圖1 供彈系統(tǒng)總體布置方式

為了滿足艦載大口徑火炮的作戰(zhàn)需求，供彈系統(tǒng)至少要能提供預(yù)制破片空炸彈藥、高爆榴彈、增程制導(dǎo)炮彈等幾種基本類型的彈藥。因?yàn)榉揽兆鲬?zhàn)對(duì)火炮的射速要求較高，所以彈鼓1或是彈鼓2用于裝載防空用預(yù)制破片空炸彈藥，彈鼓3和彈鼓4分別用于裝載高爆榴彈和增程制導(dǎo)炮彈。由于供彈裝置具有4個(gè)彈鼓，可以根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境靈活布置這幾種彈藥。彈鼓1和彈鼓2可以同時(shí)裝載預(yù)制破片空炸彈藥，也可以將4個(gè)彈鼓中的一個(gè)用作備份彈鼓，在作戰(zhàn)的同時(shí)由自動(dòng)化彈庫(kù)向其中補(bǔ)充當(dāng)前所使用的彈種，在當(dāng)前彈鼓彈藥用盡時(shí)轉(zhuǎn)而使用此彈鼓，再向空彈鼓中補(bǔ)彈，以滿足射速和火力持續(xù)性的要求。供彈系統(tǒng)的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 供彈系統(tǒng)實(shí)體模型

1.2 供彈系統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)

目前世界其他國(guó)家在研或裝備的127/130 mm艦炮有美國(guó)MK45系列艦炮、意大利OTO單管127 mm艦炮、和俄羅斯A-192E型130 mm艦炮［3］，它們的主要性能參數(shù)如表1所示。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)供彈率為40 rds/min，一發(fā)彈的供彈周期為1.5 s。

現(xiàn)在以連續(xù)供彈時(shí)的一個(gè)周期為例說(shuō)明供彈裝置的工作過(guò)程。揚(yáng)彈機(jī)將炮彈供給擺彈臂后，彈藥提升裝置首先下降，對(duì)應(yīng)于t1時(shí)段。當(dāng)彈藥提升裝置完全下降到夾板以下時(shí)，揚(yáng)彈機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)并對(duì)正選定彈種的彈鼓，彈藥提升裝置繼續(xù)下降并對(duì)準(zhǔn)彈鼓的彈藥出口準(zhǔn)備接彈，彈鼓在彈藥提升裝置就位前t'時(shí)刻旋轉(zhuǎn)到位，對(duì)應(yīng)于t2時(shí)段。之后彈鼓內(nèi)的推彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將炮彈推入揚(yáng)彈機(jī)的彈藥提升裝置當(dāng)中，對(duì)應(yīng)于t3時(shí)段。之后推彈臂收回，同時(shí)揚(yáng)彈機(jī)回轉(zhuǎn)并揚(yáng)彈，在彈藥提升裝置碰到甲板前揚(yáng)彈機(jī)回轉(zhuǎn)到位；當(dāng)推彈臂收回到位后，彈鼓開(kāi)始回轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)于t4時(shí)段。彈藥提升裝置繼續(xù)上升直至將炮彈送入擺彈臂，對(duì)應(yīng)于t5時(shí)段。彈鼓在t4時(shí)段結(jié)束前開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，經(jīng)歷t5、t1時(shí)段，在t2時(shí)段結(jié)束前t'時(shí)刻旋轉(zhuǎn)到位。供第一發(fā)彈時(shí)沒(méi)有t1時(shí)段。供彈裝置工作時(shí)序圖如下頁(yè)圖3所示。

表1 世界主要127/130 mm艦炮性能指標(biāo)

圖3 供彈裝置工作時(shí)序圖

2 彈鼓子單元設(shè)計(jì)

2.1 彈鼓結(jié)構(gòu)布置形式

彈鼓單元采用齒輪傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)式總體結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)部分通過(guò)回轉(zhuǎn)支承與底座進(jìn)行連接。主要由底座、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)支承連接座、容彈具，容彈具連接座、推彈機(jī)構(gòu)，擋圈、外罩、中間傳動(dòng)模塊及傳動(dòng)模塊等主要部分組成。在綜合考慮彈鼓的徑向尺寸、驅(qū)動(dòng)功率和容彈量之間的矛盾關(guān)系，采用單個(gè)容彈彈鼓裝載20發(fā)炮彈的設(shè)計(jì)，它們?cè)谌輳椌哌B接座上呈圓周方式布置，容彈具中心的回轉(zhuǎn)半徑為780 mm。彈鼓截面布置圖如圖4所示。

圖4 彈鼓截面布置圖

2.2 彈鼓回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)

在一個(gè)供彈周期T（T=t1+t2+t3+t4+t5=1.5 s）的時(shí)間內(nèi)，除了推彈機(jī)構(gòu)動(dòng)作的時(shí)間加上t'這段時(shí)間外，是彈鼓旋轉(zhuǎn)一個(gè)彈位的時(shí)間。推彈機(jī)構(gòu)的動(dòng)作距離設(shè)計(jì)為300 mm，推彈臂的工作速度為1 m/s，空回速度為1.25 m/s，則推彈機(jī)構(gòu)動(dòng)作的時(shí)間為：

那么有0.96 s可用于彈鼓回轉(zhuǎn)，為了在推彈前使炮彈的姿態(tài)穩(wěn)定，取t'=0.16 s，那么彈鼓旋轉(zhuǎn)一個(gè)彈位（18°）用時(shí)0.8 s。取彈鼓回轉(zhuǎn)時(shí)的加減速時(shí)間段都為0.2 s，那么由梯形面積公式可知彈鼓運(yùn)動(dòng)勻速段的速度為30°/s，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖5所示。

圖5 彈鼓運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2.3 動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

加減速時(shí)角加速度的大小為：

則在加減速階段炮彈的切向加速度：

炮彈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在加減速階段所受的慣性力［4］的大小為：

炮彈的質(zhì)量為52.8 kg，所受的最大離心力為：

彈鼓回轉(zhuǎn)時(shí)炮彈的受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 炮彈運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力簡(jiǎn)圖

切向慣性力產(chǎn)生的傾覆力矩為：

重力提供的平衡力矩為：

那么容彈具上定位夾持機(jī)構(gòu)應(yīng)提供的平衡力矩為：

其作用力F為：

定位夾持機(jī)構(gòu)靠?jī)蓚€(gè)滑齒卡住炮彈的圓柱部，每側(cè)的滑齒后面并列裝有兩根彈簧，由上面的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出彈簧的剛度為2 N/mm，預(yù)壓力6 N，彈丸裝入容彈具后壓縮滑齒，此時(shí)每根彈簧提供的壓力為14.5 N，并且每側(cè)還留有1.75 mm的可壓縮空間，以防有可能出現(xiàn)的卡滯等小干涉。

2.4 仿真分析

在Solidworks中建立彈鼓的實(shí)體模型，并將模型適當(dāng)簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析，查看彈鼓的運(yùn)動(dòng)特性以及在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈丸在容彈具中的姿態(tài)。彈鼓的虛擬樣機(jī)模型如圖7所示。

圖7 虛擬樣機(jī)模型

在ADAMS中按照實(shí)際的情況為模型添加約束、接觸、柔性連接以及材料屬性等，然后按照?qǐng)D4的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為彈鼓添加驅(qū)動(dòng)，其函數(shù)表達(dá)式為（STEP（time，0，0，0.2，30）+STEP（time，0.6，0，0.8，-30））*1d。在容彈具的中心建立兩個(gè)marker點(diǎn)，一個(gè)隨容彈具運(yùn)動(dòng)，一個(gè)固定在大地上，再在彈鼓中心建立一個(gè)marker點(diǎn)，以此3個(gè)marker點(diǎn)建立角度測(cè)量，可以知道彈鼓的旋轉(zhuǎn)角度，以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)方式是否精確。在一個(gè)周期內(nèi)彈鼓的運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)的角度如圖8、圖9所示。

圖9 一個(gè)周期彈鼓旋轉(zhuǎn)的角度

在炮彈質(zhì)心與容彈具相同位置各建立一個(gè)marker點(diǎn)，建立它們之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量，以觀察運(yùn)動(dòng)過(guò)程中炮彈姿態(tài)的變化情況。則炮彈與容彈具之間在X方向（體現(xiàn)為切向）和在方向（體現(xiàn)為徑向）（Y方向與彈軸方向平衡）的偏移量如圖10、圖11所示。由圖中可以看出X方向的晃動(dòng)量在±0.75 mm以內(nèi)并且呈中心對(duì)稱，在在方向的晃動(dòng)量在-0.075mm～0.525 mm以內(nèi)。

圖10 炮彈與容彈具之間在X方向之間的偏移量

圖11 炮彈與容彈具之間在在方向之間的偏移量

定位夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖12所示，容彈具兩側(cè)滑齒的彈簧的壓力及變形量如圖13、圖14所示。

圖12 定位夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

圖13 滑齒一側(cè)彈簧的壓力及變形量

圖14 滑齒另一側(cè)彈簧的壓力及變形量

彈簧SPRING_1和SPRING_3分別位于容彈具的兩側(cè)不同的定位扶持機(jī)構(gòu)上。由以上圖可以看出，彈簧SPRING_1（受力情況和SPRING_2完全相同）在容彈彈鼓的加速段受壓較為厲害，而SPRING_3（受力情況和SPRING_4完全相同）在減速段受壓較為厲害，在勻速運(yùn)動(dòng)階段兩個(gè)彈簧的壓力保持一個(gè)比較穩(wěn)定的值，與實(shí)際的受力情況比較符合。

3 結(jié)論

由ADAMS的仿真結(jié)果可以看出彈鼓的運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)單便于控制，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，滿足設(shè)計(jì)要求。定位夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠在彈鼓旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)炮彈起到一個(gè)比較好的定位扶持作用，使炮彈保持一個(gè)比較好的姿態(tài)，有效地保護(hù)炮彈在彈鼓運(yùn)動(dòng)過(guò)程免受晃動(dòng)磕碰的傷害，在X方向的晃動(dòng)量在±0.75 mm以內(nèi)，并且呈中心對(duì)稱，符合加減速規(guī)律；在在方向的晃動(dòng)量在-0.075 mm～0.525 mm以內(nèi)，主要是由于離心力的作用而偏向外側(cè)。通過(guò)這些分析可知彈鼓的設(shè)計(jì)較好地滿足了設(shè)計(jì)要求，為工程化提供了重要參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］陳汀峰.對(duì)艦炮發(fā)展的思考［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2007，29（S1）:3-10.

［2］侯保林，樵軍謀，劉琮敏.火炮自動(dòng)裝填［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2010：1-4.

［3］張世英.三分天下的大口徑艦炮［J］.現(xiàn)代艦船，2009（10A）：40-42.

［4］蔡泰信，和興鎖.理論力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：341-342.

［5］劉杰，李強(qiáng)，周強(qiáng).轉(zhuǎn)管武器炮膛合力施加方法研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2013（2）：38-41.

Multi-balls Plant the Fast Ammunition Feed System Design Research

PANG Wei1，LIU Jie1，LI Qiang1，DUAN Le-le2
（1.School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.Norendar International LTD，Shijiazhuang 050011，China）

In research at home and abroad feeding system and learning from their merit，establishing an effective，feasible scheme model through mechanism comprehensive and innovative，the structure and layout of feeding system is determined，and solid model of the feeding system in Solidworks is established.Completed the square Case structural arrangement and timing design，playing drums on the structure and movement of conduct designed to complete the process of analysis of projectile motion，use ADAMS simulation model validation.The shell-feeding system can provide a new thinking and conception for improving its automatization level and changing ammunition type quickly.

naval gun，shell-feeding system，timing design，dynamic analysis

TJ303

A

1002-0640（2015）01-0142-04

2013-10-05

2014-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175481）

龐偉（1988-），男，內(nèi)蒙古包頭人，工學(xué)碩士。研究方向：高射速發(fā)射理論技術(shù)研究。