基于艦炮供彈系統(tǒng)控制時(shí)序的電氣化控制方案探究*

季　杰　韓　峻

(1.海軍工程大學(xué)　武漢　430033)(2.92721部隊(duì)　舟山　316000)

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基于艦炮供彈系統(tǒng)控制時(shí)序的電氣化控制方案探究*

季杰1,2韓峻1

(1.海軍工程大學(xué)武漢430033)(2.92721部隊(duì)舟山316000)

論文基于艦炮供彈系統(tǒng)的控制時(shí)序，提出了一種用電信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械化傳動(dòng)控制方式的電氣化供彈方案，并設(shè)計(jì)了一套電氣化供彈模擬器，運(yùn)用C8051F020單片機(jī)控制LED燈對(duì)艦炮供彈系統(tǒng)進(jìn)行了彈位運(yùn)動(dòng)模擬，加入時(shí)序控制和供彈結(jié)構(gòu)邏輯控制模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)供彈程序進(jìn)行檢測(cè)、判斷、控制和人機(jī)交互等功能。

供彈系統(tǒng); 時(shí)序控制; 模擬器; 電氣化控制

Class NumberTH12

1　引言

艦炮是艦艇最基本的武器之一，而供彈系統(tǒng)作為艦炮武器的重要組成部分，其可靠性、擴(kuò)展性和先進(jìn)性對(duì)整個(gè)艦炮的性能有著至關(guān)重要的影響[1]。目前國(guó)內(nèi)在役的大、中口徑艦炮供彈率較低，持續(xù)打擊能力較差，導(dǎo)致艦炮的作戰(zhàn)威力大打折扣，為此，建立一個(gè)自動(dòng)化程度高、性能可靠的艦炮供彈系統(tǒng)具有重要意義[2]。本文基于供彈系統(tǒng)時(shí)序關(guān)系，嘗試用電信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械化傳動(dòng)控制方式，為艦炮的電氣化控制做了初步探究。

2　供彈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及時(shí)序分析

2.1供彈系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

艦炮供彈系統(tǒng)負(fù)責(zé)把彈藥從底層艙室運(yùn)送至炮塔處，主要包括存儲(chǔ)單元、轉(zhuǎn)運(yùn)單元、提升單元和控制單元。存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)炮彈的存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)運(yùn)單元負(fù)責(zé)炮彈的水平轉(zhuǎn)移，提升單元負(fù)責(zé)炮彈豎直方向的運(yùn)動(dòng)，控制單元負(fù)責(zé)控制各個(gè)動(dòng)作的順序，使之能互相協(xié)調(diào)[3～4]。供彈系統(tǒng)先進(jìn)與否對(duì)艦炮威力大小至關(guān)重要，AK-176是俄羅斯一款設(shè)計(jì)較為先進(jìn)的艦炮[5]，本文以此為研究對(duì)象，其采用左右交替供彈，因而供彈系統(tǒng)分為左、右兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同部分，這兩部分通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)鏈接起來(lái)，并從減速箱獲得動(dòng)力。供彈系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2供彈系統(tǒng)時(shí)序分析

傳統(tǒng)的機(jī)械化供彈是一個(gè)由各結(jié)構(gòu)部件通過(guò)機(jī)械嚙合進(jìn)行的復(fù)雜聯(lián)動(dòng)過(guò)程，既有傳動(dòng)的銜接，也有時(shí)序的重疊，其機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)過(guò)程[6～7]如下(以左側(cè)供彈過(guò)程為例)：

圖1　俄羅斯AK-176毫米艦炮供彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

初始狀態(tài)，輸彈槽、接彈裝置和揚(yáng)彈機(jī)口處各有一發(fā)彈，左右壓彈機(jī)在初始位，炮門(mén)打開(kāi)，供彈電機(jī)啟動(dòng)，供彈減速箱脫開(kāi)，揚(yáng)彈機(jī)轉(zhuǎn)換手柄在結(jié)合位。

接到擊發(fā)指令后，帶彈的輸彈槽下降輸彈入膛關(guān)門(mén)擊發(fā)，擊發(fā)后火炮后坐，撥動(dòng)左壓彈機(jī)，后坐位移大于340mm時(shí)壓彈機(jī)撥動(dòng)結(jié)束，開(kāi)始?jí)簭棧?dāng)壓彈機(jī)返回初始位時(shí)壓彈機(jī)撥桿與搖架上的杠桿相作用，通過(guò)桿系把運(yùn)動(dòng)傳到供彈結(jié)合結(jié)構(gòu)，使左供彈減速箱結(jié)合，左側(cè)供彈系統(tǒng)開(kāi)始工作。并在同一供彈周期內(nèi)完成下列動(dòng)作：左擺臂抬起把左接彈裝置內(nèi)的彈送到左裝填機(jī)構(gòu)末端位；左揚(yáng)彈機(jī)把其入口處的炮彈提升到接彈裝置內(nèi)；彈鏈開(kāi)始運(yùn)動(dòng)并把彈送到推彈位；當(dāng)彈鏈停止運(yùn)動(dòng)后，推彈器把推彈位的這發(fā)彈推入揚(yáng)彈機(jī)內(nèi)，推彈器在彈簧的作用下返回；當(dāng)擺臂降下時(shí)抓住揚(yáng)彈機(jī)新提升進(jìn)來(lái)的炮彈；當(dāng)供彈循環(huán)完成后借助供彈脫開(kāi)機(jī)構(gòu)使供彈減速箱脫開(kāi)，左側(cè)供彈系統(tǒng)停止運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)同一供彈周期內(nèi)完成的動(dòng)作，補(bǔ)供彈任務(wù)可分解為以下五段子系統(tǒng)[8]：首先考慮炮彈在彈鏈中的運(yùn)動(dòng)，時(shí)間為T(mén)1；再考慮推彈過(guò)程，時(shí)間為T(mén)2，設(shè)推彈的推出和復(fù)位時(shí)間相同，分別為t21和t22，則有T2=t21+t22；接下來(lái)是揚(yáng)彈過(guò)程，時(shí)間T3；然后是擺彈過(guò)程，由于射角不同，以擺彈的兩個(gè)極限角度分別研究，射角范圍-15°～+85°，由擺角β與射角φ關(guān)系β=97°-φ可知，擺角的兩個(gè)極限角度為112°和12°，但擺臂的角度及所用時(shí)間差異較小，這里不做深入分析，設(shè)擺動(dòng)到壓彈口t41和擺回到接彈裝置t42，整個(gè)擺彈時(shí)間為T(mén)4，則有T4=t41+t42；最后是壓彈過(guò)程，時(shí)間為T(mén)5。

查閱全炮循環(huán)圖數(shù)據(jù)可知：T1=0.74s，T2=0.16s，T3=0.65s，T4=0.71s，T5=0.15s，整個(gè)供彈周期為0.96s。為了便于觀察和描述，把時(shí)間軸換算成角度軸，一個(gè)供彈周期相當(dāng)于角度盤(pán)一周360°，則1°=0.96/360=0.002667s，通過(guò)換算可以得到T1=277°，T2=60°，T3=243°，T4=266.3°，T5=56.2°。設(shè)模擬時(shí)長(zhǎng)為720°，可得到供彈時(shí)序角度盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圖如圖2所示。

圖2　供彈時(shí)序角度盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圖

3　供彈系統(tǒng)電氣化控制方案

3.1基于供彈時(shí)序的電氣化控制思路

傳統(tǒng)的機(jī)械化控制以減速箱為唯一動(dòng)力源，供彈過(guò)程中通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械嚙合將動(dòng)力傳輸至各裝置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各部件的聯(lián)動(dòng)。電氣化控制將電信號(hào)代替機(jī)械傳動(dòng)，主要部件(轉(zhuǎn)彈、推彈、揚(yáng)彈、擺彈、壓彈)配置獨(dú)立電機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源分散，系統(tǒng)根據(jù)供彈時(shí)序分別對(duì)各動(dòng)力源進(jìn)行邏輯控制，從而實(shí)現(xiàn)各相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作。

3.2電氣化控制的主要優(yōu)勢(shì)

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占用面積少

電氣化控制的最大特點(diǎn)是將供彈系統(tǒng)的各部件從復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中解脫出來(lái)，實(shí)現(xiàn)硬件層面的相對(duì)獨(dú)立，由系統(tǒng)統(tǒng)一根據(jù)時(shí)序發(fā)出的電信號(hào)進(jìn)行配合工作。用電纜代替機(jī)械傳動(dòng)部件，可以將艦炮的總體布局設(shè)計(jì)得更為緊湊，占用面積減少。

2)容易定位故障，維修快速便捷

機(jī)械化供彈的硬件是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，牽一發(fā)而動(dòng)全身，任何一個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都將導(dǎo)致整個(gè)供彈系統(tǒng)的癱瘓，而且排除故障較為麻煩，只能根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行逐段排查，機(jī)械的復(fù)雜嚙合也為維修帶來(lái)了很大困難。電氣化供彈通過(guò)電信號(hào)將各硬件進(jìn)行整合，供彈過(guò)程中如果出現(xiàn)故障，根據(jù)各子系統(tǒng)反饋的電信號(hào)將可以快速定位故障位置，同時(shí)高度模塊化的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)故障部件的快速更換，維修難度與維修時(shí)間大為改善。

3)設(shè)置聯(lián)鎖裝置，性能安全可靠

為了防止在艦炮工作期間出現(xiàn)意外而致使火炮和炮彈受損，艦炮供彈系統(tǒng)設(shè)有聯(lián)鎖裝置。以AK-176毫米艦炮為例，其每一路供彈系統(tǒng)都有5個(gè)機(jī)電聯(lián)鎖和1個(gè)機(jī)械聯(lián)鎖，以保證出現(xiàn)故障時(shí)斷開(kāi)相應(yīng)一側(cè)的供彈減速箱。電氣化供彈方式下，可將聯(lián)鎖信號(hào)與控制時(shí)序進(jìn)行緊密結(jié)合，當(dāng)出現(xiàn)聯(lián)鎖信號(hào)與時(shí)序不匹配時(shí)立即切斷電源進(jìn)行自我保護(hù)，電信號(hào)傳輸?shù)目焖傩钥梢员ＷC在出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)識(shí)別快、應(yīng)對(duì)快，對(duì)艦炮的損失降到最低。

4)自動(dòng)化程序高，供彈效率提升

電氣化控制使得供彈系統(tǒng)更為自動(dòng)化，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的有效減少使得各機(jī)構(gòu)運(yùn)作效率得到提升，能很好地彌補(bǔ)目前我國(guó)大、中口徑艦炮存在的供彈率較低這一短板。

4　電氣化供彈系統(tǒng)模擬器設(shè)計(jì)

4.1模擬器設(shè)計(jì)的目的及意義

系統(tǒng)基于供彈時(shí)序關(guān)系，采用C8051F020單片機(jī)控制LED燈對(duì)艦炮供彈系統(tǒng)進(jìn)行彈位運(yùn)動(dòng)模擬[9]。模擬器與艦炮實(shí)物具有相同的原理，一方面能直觀地展示供彈系統(tǒng)中彈位的運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)，為學(xué)員平時(shí)的訓(xùn)練和維修提供了一個(gè)技術(shù)平臺(tái)；另一方面也是對(duì)我國(guó)艦炮供彈系統(tǒng)由機(jī)械化控制轉(zhuǎn)向電氣化控制作出的技術(shù)性嘗試，具有重要意義。

4.2硬件設(shè)計(jì)

為了真實(shí)還原炮彈在艦炮供彈系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)路徑，系統(tǒng)采用了六塊電路板分別模擬左右彈鏈平臺(tái)(×2)、左右揚(yáng)彈擺彈機(jī)構(gòu)(×2)、裝填機(jī)構(gòu)以及總體控制部分，每部分獨(dú)立供電。系統(tǒng)核心部件由單片機(jī)控制芯片C8051F020、時(shí)鐘電路、電源模塊、ULN2003驅(qū)動(dòng)電路以及LED顯示板等組成。硬件整體工作流程：C8051F020根據(jù)供彈時(shí)序關(guān)系，結(jié)合定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖次數(shù)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)LED顯示板的控制。

LED的設(shè)置直接影響到模擬效果，AK-176毫米艦炮彈鏈平臺(tái)有75個(gè)彈位，為了更好地顯示炮彈的步進(jìn)過(guò)程，在每個(gè)彈位之間加了一個(gè)過(guò)渡彈位，同時(shí)模擬推彈過(guò)程設(shè)置10個(gè)LED燈，因此彈鏈平臺(tái)總共有160個(gè)燈，所以選用兩片8×10 LED顯示板；揚(yáng)彈過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，模擬用16個(gè)LED燈來(lái)實(shí)現(xiàn)，擺彈過(guò)程受不同擺動(dòng)角度的影響，為了模擬效果，只考慮在平射狀態(tài)下擺動(dòng)90°用了16個(gè)LED燈來(lái)顯示，因此揚(yáng)彈擺彈模塊選用一片4×8 LED顯示板；裝填過(guò)程同樣加入過(guò)渡彈位，左右分別用了8個(gè)LED燈顯示，每進(jìn)行一次發(fā)射就進(jìn)行一次壓彈，相應(yīng)的炮彈往前步進(jìn)一個(gè)彈位，發(fā)射過(guò)程用也用了8個(gè)LED燈顯示，故裝填機(jī)構(gòu)模塊選用了一片3×8 LED顯示板。模擬器的硬件結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖如圖3、4所示。

圖3　模擬器硬件結(jié)構(gòu)

圖4　模擬器實(shí)物

4.3軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用中斷思路，設(shè)定定時(shí)器周期性地產(chǎn)生中斷，以2.6ms為一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期(即時(shí)鐘脈沖頻率f=384.6Hz)，計(jì)360個(gè)時(shí)鐘脈沖正好作為一個(gè)供彈周期，相當(dāng)于角度盤(pán)的360°供彈周期，相應(yīng)的T1～T5角度值則轉(zhuǎn)化為供彈各子系統(tǒng)所需接收的時(shí)鐘脈沖數(shù)，例如炮彈在彈鏈中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間T1=277°，表示彈位步進(jìn)一次需接收277個(gè)時(shí)鐘脈沖。

LED采用動(dòng)態(tài)掃描方式[10]，設(shè)立兩個(gè)數(shù)組：顯示緩存區(qū)Dp[i]和彈位寄存器Rd[i]。每個(gè)指示燈狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)顯示緩存區(qū)中的一個(gè)狀態(tài)位，而顯示緩存區(qū)為8位寄存器相當(dāng)于一個(gè)字節(jié)，控制8個(gè)LED燈。邏輯程序及時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯數(shù)組的彈位寄存器內(nèi)相應(yīng)數(shù)值的變化，進(jìn)而一一對(duì)應(yīng)顯示緩存區(qū)的改變，實(shí)時(shí)反映在每個(gè)指示燈的亮暗變化上，從而模擬真實(shí)彈位的變化。圖5為彈位寄存器Rd[i]左移一位實(shí)現(xiàn)相應(yīng)LED動(dòng)態(tài)變化的圖5。

程序運(yùn)行流程：當(dāng)系統(tǒng)接收到連桿信號(hào)后，啟動(dòng)定時(shí)器，中斷服務(wù)程序中開(kāi)始記錄時(shí)鐘脈沖數(shù)，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)脈沖數(shù)時(shí)(程序根據(jù)圖2時(shí)序關(guān)系提前預(yù)設(shè)各子系統(tǒng)進(jìn)行彈位變化所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù))，程序即對(duì)相應(yīng)子系統(tǒng)的彈位寄存器Rd[i]進(jìn)行移位操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)LED的動(dòng)態(tài)變化，直至360個(gè)時(shí)鐘脈沖，即一個(gè)供彈周期結(jié)束，系統(tǒng)關(guān)閉定時(shí)器等待下一個(gè)連桿信號(hào)。圖6為中斷程序流程圖。

圖5　LED模擬彈位步進(jìn)程序設(shè)計(jì)

圖6　中斷程序流程圖

5　結(jié)語(yǔ)

本文以俄羅斯AK-176毫米艦炮為分析對(duì)象，對(duì)其供彈系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制時(shí)序進(jìn)行分析，同時(shí)提出了一種基于供彈時(shí)序關(guān)系，采用電信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械化傳動(dòng)控制方式的電氣化供彈方案，并設(shè)計(jì)了一套電氣化供彈模擬器，模擬器直觀展示了供彈系統(tǒng)中彈位的運(yùn)動(dòng)變化狀態(tài)，模擬結(jié)果有效驗(yàn)證了供彈系統(tǒng)電氣化控制的可行性。

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Electric Control Scheme Based on Naval Gun Cannonball Supply System Control Sequence

JI Jie1,2HAN Jun1

(1.Naval University of Engineering, Wuhan430033)(2. No. 92721 Troops of PLA, Zhoushan316000)

This paper uses electric single instead of traditional mechanically transmission, proposes a theory of electric control of naval gun cannonball supply system based on sequential control. By the way, an electric cannonball supply simulator is designed, which used the C8051F020 microcontroller to control the LED to carry out a sport simulation of the naval gun cannonball supply system, joining the sequential control and logic control for structure simulation to realize the cannonball supply system of the whole process monitoring, judgment, control and man-machine exchange function.

cannonball supply system, sequential control, simulator, electric control

2016年4月8日,

2016年5月28日

季杰,男,碩士研究生,研究方向：武器系統(tǒng)運(yùn)用與保障工程。韓峻,男,碩士生導(dǎo)師,研究方向：兵器測(cè)試技術(shù)。

TH12

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.040