一種導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動(dòng)機(jī)曲線槽設(shè)計(jì)

譚 慶，李 強(qiáng)，李世康，安俊斌

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

一種導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動(dòng)機(jī)曲線槽設(shè)計(jì)

譚 慶，李 強(qiáng)，李世康，安俊斌

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原030051)

為實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)藥室可靠閉氣，平穩(wěn)、快速開鎖和閉鎖的目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種新型的導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使用微分方法對(duì)開閉鎖曲線槽進(jìn)行了設(shè)計(jì)。應(yīng)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)該自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作可靠，一個(gè)自動(dòng)循環(huán)用時(shí)0.33s。仿真結(jié)果表明該自動(dòng)機(jī)在原理上是可行的，具有一定的參考價(jià)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(guān)鍵技術(shù)之一[1]。旋轉(zhuǎn)藥室按其旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行俯仰射擊供彈時(shí)需將炮身復(fù)位到一個(gè)固定角度方能進(jìn)行供彈[2]，會(huì)使得射頻降低，與此同時(shí)，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(fù)雜，所以常見的布置方式是水平旋轉(zhuǎn)藥室機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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)，為確保火炮的射擊穩(wěn)定性設(shè)計(jì)了專門的后坐補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。韓鐵等[4]提出了一種楔形閉鎖的導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室結(jié)構(gòu)。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)。

1 工作原理

導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射藥被點(diǎn)燃后，彈丸在火藥氣體的作用下沿膛運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈丸經(jīng)過導(dǎo)氣孔后，部分火藥氣體進(jìn)入導(dǎo)氣管內(nèi)，推動(dòng)導(dǎo)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(yùn)動(dòng)，插銷從藥室座的定位孔1中拔出后插入定位孔2。導(dǎo)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(fù)位簧。導(dǎo)氣活塞桿繼續(xù)后坐進(jìn)入藥室曲線槽曲線段，推動(dòng)藥室順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°完成開鎖。

自動(dòng)裝彈完成后，小滑板和導(dǎo)氣活塞桿在滑板復(fù)位簧的作用下開始復(fù)位，藥室旋轉(zhuǎn)到位后，藥室和藥室座在藥室座復(fù)位簧的作用下向前復(fù)位，埋頭彈藥藥筒進(jìn)入身管約7.8mm，與此同時(shí)，插銷在小滑板曲線槽內(nèi)沿曲線槽運(yùn)動(dòng)，由定位孔2拔出并插入定位孔1。至此，閉鎖動(dòng)作完成，擊發(fā)后，高壓火藥燃?xì)鈺?huì)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(xué)模型的建立

曲線槽是旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動(dòng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dǎo)氣活塞桿上，將導(dǎo)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?yàn)閤軸正向。為了使導(dǎo)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(diǎn)處，曲線的切線與x軸的夾角θ應(yīng)盡量為在35°～55°之間的一個(gè)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(jìn)行求解。選擇微分曲線而不是微分旋轉(zhuǎn)藥室轉(zhuǎn)動(dòng)角度的原因是，距離圓心不同距離，相同轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的弧長會(huì)有較大差異，在離圓心較遠(yuǎn)處，求解出的曲線誤差較大。

先以x軸上一點(diǎn)A0為起點(diǎn)，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(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度β1后，OA1與x軸共線，此時(shí)，以A1為起點(diǎn)，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(fù)，旋轉(zhuǎn)藥室繞圓心轉(zhuǎn)動(dòng)角度βi后，就以Ai為起點(diǎn)作長度為ΔC，與線段OAi夾角為θ的線段AiAi+1。當(dāng)ΔC趨于無限小時(shí)，由點(diǎn)Ai擬合得到的曲線是一條轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度，在與x軸形成的交點(diǎn)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(diǎn)Ai的極坐標(biāo)表達(dá)式，ai為半徑坐標(biāo)，βi為角坐標(biāo)。

(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(shè)為FOx和FOy；導(dǎo)氣活塞桿施加的力分別為F和滑動(dòng)摩擦力f，將F沿曲線切線和法向方向進(jìn)行分解為Fτ和Fn，則使藥室轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩M滿足式(3)的關(guān)系。令M′等于0，即可求解出使得M取得最大值時(shí)的θ角。

(3)

M取得最大值的θ角是與動(dòng)摩擦因數(shù)μ息息相關(guān)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(guān)系，動(dòng)摩擦系數(shù)等于0.05、0.06、0.07、0.08、0.09和0.10對(duì)應(yīng)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(dòng)藥室旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)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(dòng)機(jī)不會(huì)因質(zhì)量偏心而發(fā)生擺動(dòng)，在對(duì)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(dòng)力學(xué)仿真分析

應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。彈簧采用ADAMS自帶彈簧，動(dòng)力學(xué)模型如圖7所示。

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

旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動(dòng)機(jī)的主要?jiǎng)幼靼ǎ核幨易退幨液笞?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(fù)進(jìn)回位共4個(gè)動(dòng)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(shí)間的關(guān)系如圖11、12所示。

從圖11、12可以看出，藥室座撞擊到機(jī)框后會(huì)有少量的回彈，這是由于插銷端面導(dǎo)引部有8°的錐角，當(dāng)插銷由定位孔1拔出插入定位孔2時(shí)，會(huì)形成一個(gè)短暫的間隙，而此時(shí)，藥室座與機(jī)框發(fā)生了碰撞，機(jī)框就會(huì)有少量的回彈。該動(dòng)作不會(huì)對(duì)后續(xù)的藥室旋轉(zhuǎn)造成擾動(dòng)。

藥室的角速度和角加速度與時(shí)間的關(guān)系如圖13、14所示。

從圖13、14可以看出，藥室運(yùn)動(dòng)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(fù)位簧的阻力后開始逐漸減小。0.125～0.30s為閉鎖段，導(dǎo)氣活塞桿到達(dá)曲線槽曲線段頂點(diǎn)后在復(fù)位簧的作用下開始復(fù)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(jìn)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(guān)于埋頭彈藥火炮自動(dòng)機(jī)的研究基礎(chǔ)上，提出了一種新型的埋頭彈藥火炮旋轉(zhuǎn)藥室自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，并對(duì)開閉鎖曲線槽進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。應(yīng)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行仿真，證明該機(jī)構(gòu)在原理上是可行的，避免了機(jī)構(gòu)的大位移動(dòng)作，一個(gè)自動(dòng)循環(huán)用時(shí)0.33s，滿足射頻要求，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可靠。此設(shè)計(jì)為后續(xù)導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室自動(dòng)機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)，具有一定的參考價(jià)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(xué)基金(51175481)

譚慶(1992—)，男，碩士研究生，主要從事武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)研究。E-mail：tanying248@163.com