某開式彈鏈脫彈力計算分析

雷明遠，李　強，張鵬軍，陳　雷，黃　嵐

(1.中北大學 機電工程學院，山西 太原　030051；2.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州　450015)

彈鏈式供彈方式在某些中小型口徑的火炮中仍然占有一席之地，彈鏈作為火炮中的一個關(guān)鍵零件，其使用性能的好壞直接關(guān)系到火炮整體的可靠性和安全性。彈鏈在使用過程中若不能對炮彈進行有效的約束，將會出現(xiàn)掉彈等現(xiàn)象，導致火炮出現(xiàn)嚴重的射擊故障，或?qū)κ褂萌藛T造成人身傷害[1]。因此，在彈鏈的研制過程中，對脫彈力的研究是很有必要的。當前國內(nèi)外的研究主要集中在脫彈過程數(shù)理模型的建立，脫彈過程動力學仿真以及相關(guān)理論計算分析。王立新、劉演龍等[1- 2]人，根據(jù)某彈鏈的幾何結(jié)構(gòu)和彈鏈在供彈過程中的受力狀態(tài),建立了數(shù)學模型,計算了彈鏈的縱向脫彈力、橫向脫彈力；彭峰生、張本軍等[3- 5]人建立了開式彈鏈的有限元模型，利用有限元法計算彈鏈的力學性能以及脫彈過程彈體受力；吳寶雙等[6]人利用ABAQUS動力學仿真分析了彈鏈的抱彈力及脫彈阻力，從而模擬抱彈力存在時彈鏈的應力云圖和脫彈阻力的數(shù)值及變化規(guī)律。

筆者在對彈鏈的理論脫彈力、仿真脫彈力進行了計算和分析的同時，著重結(jié)合彈鏈脫彈力的反作用力壓彈尺受力的試驗測試結(jié)果，判斷該彈鏈的結(jié)構(gòu)設計是否滿足設計要求。

1　脫彈力的理論計算

1.1　基本假設

1)理論計算時，彈鏈的前后夾彈片均可簡化為對稱的矩形端面懸臂梁。

2)炮彈彈底圓被彈鏈后端的彈底卡瓣卡住，不發(fā)生縱向竄動。

3)理論計算不考慮彈鏈對炮彈的縱向脫彈力。

1.2　理論計算

彈鏈結(jié)構(gòu)的三維簡化模型如圖1所示。

圖2所示為彈鏈工作部位和夾彈片結(jié)構(gòu)，根據(jù)某火炮供彈系統(tǒng)的特點，供彈機構(gòu)脫彈時，向彈鏈夾彈片開口方向側(cè)向?qū)棄撼?。如圖3所示，將彈鏈的前后夾彈片簡化為對稱的矩形斷面懸臂梁，當向下壓彈時，兩對夾彈片必須張開讓炮彈通過。缺口張開的增量Δ為彈殼對應部分的直徑與缺口原寬度的差，這樣在炮彈通過缺口的瞬間，對稱的兩夾彈片下端面承受水平作用力。

根據(jù)理論分析，當彈鏈材料的彈性模量為E，夾彈片斷面慣性矩為J，夾彈片斷面中性線的半徑為R時，水平作用力P之值為

(1)

γ=φ(0.5+sin2θ)-0.5sin(φ-θ)cos(φ-θ)-

2sinθcos(φ-θ)+1.5sinθcosθ

(2)

計算時，需要將角度φ的度的值轉(zhuǎn)化為無量綱的弧度值。

彈殼直徑對應的前夾彈片處直徑D=38 mm，缺口寬度B=26 mm，斷面中性線半徑R=18.9 mm。彈丸通過前夾彈片口部時的增量為

Δq=D-B=38-26=12 mm

彈殼直徑對應的后夾彈片處直徑D=38 mm，缺口寬度27.8 mm，斷面中性線半徑R=20.5 mm,可得到彈丸在通過下夾彈片口部時的增量

Δh=38-27.8=10.2 mm

當φ=116°,θ=45°，由φ和θ轉(zhuǎn)化為弧度值可求得γ=2.160 3，利用式⑴并根據(jù)D、E、J、Δ等可得到:

Pq=-50.39 N

故，前夾彈片的脫彈力為

F1=Pqtanθ=-50.39 N

又已知彈鏈和模擬彈的摩擦因數(shù)為μ=0.2，可得

Ff1=μPq=-10.08 N

所以，前夾彈片總的脫彈力為

Fq=F1+Ff1=-60.47 N

同理，后夾彈片的脫彈力為

Ph=-32.84 N

F2=Phtanθ=-32.84 N

Ff2=μPh=-6.568 N

后夾彈片總的脫彈力為

Fh=F2+Ff2=-39.41 N

總脫彈力

Fz=Fq+Fh=-99.88 N

2　彈鏈脫彈力的動力學仿真計算

2.1　彈鏈式供彈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

某火炮的供彈方式為彈鏈式供彈[7]，根據(jù)其供彈機構(gòu)的工作原理，建立彈鏈式供彈機構(gòu)的簡化模型，如圖4所示。

機構(gòu)供彈時，轉(zhuǎn)筒在外能源的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，帶動曲線槽做直線運動，使曲臂下滑板也做直線運動，從而帶動撥彈滑板做往復運動，通過撥彈齒卡住彈鏈將模型彈撥到壓彈位置，隨后轉(zhuǎn)筒前端加工的凸輪帶動頂桿上下運動，固定在頂桿上的滑塊便帶動壓彈回轉(zhuǎn)杠桿運動，連接壓彈齒向下壓彈，將炮彈剝離彈節(jié)，將炮彈壓到指定位置后，撥彈滑板再次往返運動，使撥彈齒越過下一發(fā)炮彈的鏈節(jié)，準備再次撥彈。

2.2　剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

2.2.1模型約束的添加

建立三維UG模型以后，將模型導入ADAMS中進行動力學仿真計算[8]。轉(zhuǎn)筒與大地間添加旋轉(zhuǎn)副，并在其旋轉(zhuǎn)中心添加驅(qū)動；曲線槽滑板、曲臂上滑板、曲臂下滑板、撥彈滑板、壓彈控制滑板、滾筒控制桿都添加直線運動副；撥彈爪與撥彈滑板之間添加旋轉(zhuǎn)副、扭簧和接觸，壓彈杠桿和杠桿中心轉(zhuǎn)軸間添加旋轉(zhuǎn)副和扭簧，其余部件間根據(jù)需要添加接觸。

2.2.2柔性體的建立和導入

為了使彈鏈完成脫彈，必須對彈鏈進行柔性化。因為彈鏈的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，為了得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格，提高計算精度，對彈鏈模型進行了一些修改，在不影響結(jié)構(gòu)的實際動力學特性的原則下，對于結(jié)構(gòu)模型中的一些非關(guān)重倒角、倒圓、孔隙等將可能增大網(wǎng)格劃分難度的結(jié)構(gòu)特征進行刪除和修改，利用ANSYS軟件進行精確的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為solid185。圖5為網(wǎng)格劃分后的彈鏈模型。

設置單元類型、材料屬性等參數(shù)后，開始建立剛性區(qū)域。根據(jù)彈鏈的運動特點，在其上端板的上下表面以及垂直于上下端面的兩個連接部分分別建立一個剛性區(qū)域，分別選擇兩個平面上的所有節(jié)點為從節(jié)點，選擇兩平面的中心點為主節(jié)點，建立兩個剛性區(qū)域，將主節(jié)點選擇為輸出的maker點，輸出.mnf文件，并通過ADAMS/Flex導入ADAMS/View中，即可進行剛?cè)狁詈蟿恿W仿真[9]。

2.2.3脫彈力仿真結(jié)果分析

設置轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速360(°)/s，仿真時間為2 s,仿真步數(shù)為8 000步，使用ADAMS/PostProcessor觀察仿真結(jié)果，彈鏈的運動和受力情況如圖6所示。

圖6為模型彈脫鏈過程中壓彈齒的受力情況，壓彈齒的受力可以直接反映彈體脫鏈時的難易程度。仿真進行兩個周期，第1個周期(0 s

3　實際脫彈力測試分析

為了測試自動機供輸彈過程中脫彈力的實際變化規(guī)律，試驗開始前給試驗樣機裝入5發(fā)模擬彈，定義轉(zhuǎn)速為60 r/min，點擊開始進行測試，從測試結(jié)果中提取5個周期的拉壓力變化曲線，如圖7所示，為系統(tǒng)采集到的脫彈力實時曲線。曲線圖中縱坐標代表力值，橫坐標3 000個單位代表1 s。

從圖7中可以看出，脫彈力的變化規(guī)律也基本相同，提取5個周期的最大力值，如表1所示，脫彈力的平均值約為-111.6 N，負號代表受力方向。根據(jù)脫彈力的理論計算可知，在考慮摩擦的情況下，理論脫彈力為-99.88 N，對比測試所得的脫彈力結(jié)果，可知測試結(jié)果是比較接近實際的。

表1　脫彈力極值匯總表

對比理論計算結(jié)果、仿真結(jié)果和試驗測試結(jié)果可知，理論計算的脫彈力結(jié)果與實際測試的脫彈力值更加接近，兩者吻合較好[4]，仿真分析得出的脫彈力與理論計算有一定誤差，但誤差在可接受范圍內(nèi)。

4　結(jié)束語

筆者通過理論計算對某開式彈鏈的脫彈力進行了計算，并對彈鏈脫彈過程進行了動力學仿真分析，從結(jié)果中提取了仿真計算的脫彈力，通過試驗測試得出了彈鏈的真實脫彈力。將3種方法得到的脫彈力進行對比分析，發(fā)現(xiàn)理論計算的脫彈力值比較接近實際值，證明在理論計算的假設條件下進行脫彈力計算是符合實際情況的。該計算分析方法，可以作為一種研究的手段，應用到其他同類型的開式彈鏈的脫彈力分析計算中，為開式彈鏈的研究奠定了一定的理論基礎，具有一定的參考價值。

參考文獻(References)

[1] 王立新，柳占雄，龍健，等.某彈鏈力學性能計算[J].四川兵工學報，2011，32(7):16-20.

WANG Lixin，LIU Zhanxiong，LONG Jian，et al.Calculation of mechanic performance for certain type of chain shot[J].Journal of Sichuan Ordnance，2011，32(7)：16-20.(in Chinese)

[2] 劉演龍，王雷.開式彈鏈脫彈力分析[J].火炮發(fā)射與控制學報，2012(1):39-42.

LIU Yanlong，WANG Lei. The pull-off-force analysis of open ammunition chain[J].Journal of Gun Launch & Control,2012(1)：39-42.(in Chinese)

[3] 彭峰生，梁世瑞. 彈鏈設計參數(shù)協(xié)調(diào)分析方法研究[J].兵工學報，2004，25(3):272-275.

PENG Fengsheng，LIANG Shirui.A study on ammunition link design by the parameters matching analysis method[J].Acta Armamentarii，2004，25(3)：272-275.(in Chinese)

[4] 彭峰生.彈鏈力學性能研究[J].火炮發(fā)射與控制學報，2002(3):25-29.

PENG Fengsheng. Study on mechanies performance of ammunition link[J].Journal of Gun Launch & Control，2002(3)：25-29.(in Chinese)

[5] 張本軍，王瑞林，李永建，等.開式彈鏈脫彈過程建模與分析[J].兵工學報，2011，32(12):1531-1534.

ZHANG Benjun，WANG Ruilin，LI Yongjian，et al. Mode-ling and analysis of bullet discarding process of open link chain[J].Acta Armamentarii，2011，32(12)：1531-1534.(in Chinese)

[6] 吳寶雙,李強. 基于ABAQUS開式彈鏈脫彈阻力研究分析[J]. 火炮發(fā)射與控制學報,2014,35(3):26-30.

WU Baoshuang,LI Qiang.Research and analysis of open ammunition chain pop-up resistance based on ABAQUS[J]. Journal of Gun Launch & Control,2014，35(3)：26- 30.(in Chinese)

[7] 薄玉成，王惠源，李強.自動機結(jié)構(gòu)設計[M].北京：兵器工業(yè)出版社,2009：127-166.

BO Yucheng，WANG Huiyuan，LI Qiang.Automata structure design[M].Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2009：127-166. (in Chinese)

[8] 郭衛(wèi)東. 虛擬樣機技術(shù)與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：238-245.

GUO Weidong.Virtual prototyping technology and ADAMS application examples tutorial[M].Beijing：Beihang University Press，2008：238-245.(in Chinese)

[9] 陳燦，錢林方，石海軍，等. 基于剛?cè)狁詈系哪硰椝幑┹敊C構(gòu)振動分析[J].火炮發(fā)射與控制學報，2013(2):59-62.

CHEN Can，QIAN Linfang，SHI Haijun，et al.Vibration analysis of an ammunition feeding mechanism based on rigid-flexible coupling[J].Journal of Gun Launch & Control，2013(2):59-62.(in Chinese)