自行高炮動態(tài)模擬訓練器結構設計

田景輝，蔣彥明，薛慶陽,鄭峰峰

(1.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.山西北方機械制造有限責任公司，山西 太原 030009)

模擬訓練器是某自行高炮武器系統(tǒng)的配套裝備，主要用于學員上炮前的模擬培訓[1]。近年來，隨著新型自行高炮陸續(xù)裝備部隊，為了盡快掌握高炮武器系統(tǒng)的基本操作技能，使訓練結果真實有效，新型高炮對模擬訓練器提出了更加接近實戰(zhàn)環(huán)境的要求，以往的桌面式模擬訓練器已不能適應部隊日常訓練的需要，大型的具有一定技術含量的動態(tài)模擬訓練器在主戰(zhàn)坦克、步兵戰(zhàn)車、戰(zhàn)斗機等領域已廣泛應用,但用于自行高炮系統(tǒng)的動態(tài)模擬訓練器，國內尚無報道[2]。為此，筆者依據(jù)某自行高炮模擬訓練器的戰(zhàn)技指標和功能要求，成功研制了一種與自行高炮人機界面相同，操作環(huán)境近似，能夠模擬炮塔方位回轉且具有一定機動能力的動態(tài)模擬訓練器。解決了學員在已往桌面式模擬訓練器上無法實現(xiàn)接近真實的操作感覺、心理感受和生理適應性難題。

1 總體結構及布局

1.1 總體結構

模擬訓練器外形三維圖如圖1(正等側視)、圖2(俯視)和圖3(左視)所示。它主要由下列部分組成：

1)底架：由主架、扛起螺桿、旋轉臂、運動裝置、牽引轉向機構等組成。

2)轉臺：由轉臺座板、安全護欄、艙門等組成。

3)操控臺：由架體、電氣柜、操控盒、顯示器、操縱桿等組成。

4)方向機：由機動傳動箱、手動傳動箱、手動/機動轉換裝置等組成。

5)隨動裝置：由驅動器箱、控制器箱、控制電源箱、受信儀等組成。

6)艙門及護欄：由艙門、安全護欄、艙門聯(lián)鎖裝置組成。

7)模擬裝置：主控仿真裝置、光電模擬裝置、雷達模擬裝置等。

8)方位固定器：由手柄、微動開關等組成。

9)座圈：借用牽引37 mm高炮座圈。

10)座椅：選用制式座椅。

11)回轉接觸器：選用HZJ-20匯流環(huán)。

12)腳擊發(fā)機構：借用35 mm自行高炮腳擊發(fā)機構。

1.2 總體布局

總體布局關鍵是最大限度地接近自行高炮乘員艙操作環(huán)境，車長和炮手各自的操作要求與自行高炮相同?？紤]到人的生理特征和操作空間范圍，首先確定車長和炮手位置，其他裝置布置均以操作者為中心[3]。車長位在左，炮手位在右，座椅布置在轉臺回轉中心偏后180 mm，沿轉臺縱軸面對稱布置，座椅中心距離為700 mm。操控臺布置在轉臺正前方，距回轉中心410 mm。艙門及安全護欄沿轉臺周邊布置，用螺釘固定在轉臺上。方位固定器布置在炮手座椅右下方，腳擊發(fā)機構布置在炮手座椅右前方。方向機安裝在車長與炮手座椅中間位置，方向機主齒輪中心與轉臺回轉中心相距468 mm。為使轉臺轉動平衡，模擬裝置和隨動裝置機箱全部安裝在操控臺電氣柜中，回轉接觸器安裝在底架上。

底架、座圈和轉臺是模擬訓練器的主要部件，座圈是連接轉臺與底架的樞紐，也是轉臺實現(xiàn)回轉的關鍵部件。安裝形式為座圈外齒圈(不動件)用螺釘固定在底架裝配面上，座圈內圈(轉動件)固定在轉臺裝配面上。方向機固定在轉臺上，其輸出端主齒輪與外齒圈嚙合，因此，當方向機主齒輪轉動時，帶動轉臺沿齒圈轉動。如圖4所示。

2 工作原理

模擬訓練器系統(tǒng)啟動進入 “戰(zhàn)斗”狀態(tài)后，由控制臺進行訓練方式和訓練課目指定，同時進行模擬目標航路產(chǎn)生。雷達模擬裝置搜索雷達對“目標”進行搜索，搜索到“目標”后，進行敵我識別，同時進行威脅度判斷，通過導引將指定“目標”坐標發(fā)送給跟蹤雷達模塊、光電跟蹤模塊和隨動系統(tǒng)。方向機在隨動裝置控制下，帶動轉臺回轉。模擬自行高炮將火炮身管和瞄準線指向“目標”，同時跟蹤雷達模塊或光電跟蹤模塊對“目標”實施截獲和跟蹤，必要時可以采用操縱桿對“目標”進行半自動跟蹤。在光電跟蹤方式下，光電模擬裝置模擬炮手監(jiān)視器顯示畫面，顯示光電跟蹤圖形和目標信息?；鹂胤抡婺K模擬射擊諸元解算，當“目標”進入有效射程之內，炮手適時對“目標”實施射擊。

3 主要部件設計

3.1 底架

底架是模擬訓練器的承載平臺，相當于自行高炮的底盤。底架不僅承受整個轉臺重力，還要承受轉臺啟動、停止和加速產(chǎn)生的慣性力矩。為保證模擬訓練器回轉時不產(chǎn)生晃動，3個扛起螺桿與地面產(chǎn)生的靜摩擦力矩Mf必須大于慣性力矩Mg。在靜摩擦力不變的條件下(模擬訓練器總質量是常量)，增大摩擦力臂是增強模擬訓練器穩(wěn)定的最有效措施。因此，在底架水平方向上，設計了兩個可展開和收縮的旋轉臂，旋轉臂上各安裝一個扛起螺桿，訓練時，兩旋轉臂向外旋轉90°，到位后自動鎖緊，轉動扛起螺桿手輪，使模擬訓練器緩慢升起離開地面，所有重力由3個扛起螺桿承受。這樣，增加了摩擦力矩，又不增大結構尺寸和質量，保證了模擬訓練器的動態(tài)穩(wěn)定性。為了滿足功能要求，底架上還設計有牽引轉向機構、制動器、運動裝置，使模擬訓練器具有一定的機動能力。

3.2 轉臺

在轉臺布局上，把操控臺、艙門、安全護欄沿轉臺周邊安裝，構成了一個相當于半封閉的“炮塔”乘員艙。座椅、操控臺、腳擊發(fā)機構、方向機、方位固定器等相對位置、人機關系與主裝備接近。從視覺、聽覺、觸覺和感覺方面，為學員營造了一個逼真的操作環(huán)境，使學員最大限度地得到接近真實的訓練。

轉臺上安裝了模擬訓練器所有裝置，是承受動載荷最大的轉動部件。不但要有足夠的剛度和強度，而且盡量使轉動慣量最小，為此，在設計中采取的措施是：

1)在材料選用上，鋁合金具有密度小，強度高，加工性能好等優(yōu)點，是武器輕量化的首選輕質結構材料[4]，所以轉臺上結構最復雜和質量最大的承載件—底座，采用ZL-104鑄造鋁合金，為了合理有效地使用材料，減輕質量，把鑄件斷面形狀設計為U形空腔結構，在受力部位局部增加鑄造筋，達到了減重效果。

2)在結構設計上，箱形整體結構、雙層空腔結構方式是提高部件剛度和強度的有效方法[5]。因此把艙門及安全護欄，設計為雙層箱形結構，采用1 mm薄鋼板沖壓拼焊形成。裝配時把上述各部件用螺釘組裝固定在轉臺上。

3.3 操控臺

為了方便學員培訓，操控臺人機操作界面完全模擬自行高炮。從操控臺面板布置、結構組成、操作順序到操縱桿、顯示器、按鈕、開關、鍵盤、各種指示燈等硬件與自行高炮基本相同。因操控臺為雙人操作，布置的模塊較多，因此，采用按功能分區(qū)方法，把操控臺劃分成17個獨立單元，每個單元具有特定的功能和作用。在結構上，應用模塊化、通用化設計方法，所有操控盒采用相同結構形式，把每個單元設計成單獨“機箱”形式 ，既為操控盒又是構成操控臺面板的一部分，每個操控盒用統(tǒng)一的不脫螺釘緊固在架體上。17個單元組裝成一個完整的操作面板，這樣各單元安裝拆卸互不影響，維修十分方便。操控盒采用鋁合金鑄造后，經(jīng)機械加工而成，外形精美漂亮。操控臺電氣柜需容納較多的機箱，采用空心型鋼和薄鋼板組焊而成，機柜內設計有導軌、定位、鎖緊機構，用來安裝和固定機箱。為能承受使用和運輸過程產(chǎn)生的沖擊與振動，操控臺采用整體減振方式，通過8個EA40減震器與轉臺浮動連接，達到了較好的減振效果。

3.4 方向機

方向機是驅動轉臺回轉運動的傳動裝置。方向機由機動傳動箱和手動傳動箱構成，可以實現(xiàn)手動/機動轉換。手動傳動箱安裝在機動傳動箱的上部，手動/機動轉換是通過1個滑動聯(lián)軸器、1個限位開關和1個轉換手柄完成。跟蹤速度0.05～70(°)/s,、最大跟蹤加速度60(°)/s2等參數(shù)與主炮相同。為使結構緊湊輕便，方向機機動傳動采用塔形齒輪結構，經(jīng)四級直齒圓柱齒輪減速，方位電機功率為2.2 kW。為滿足傳動平穩(wěn)性和傳動誤差要求，齒輪精度選為6級。手動傳動由一級直齒錐齒輪與兩級直齒圓柱齒輪構成。方向機安裝在轉臺底座上，用定位銷和螺釘固定。

4 模擬訓練器設計特點

模擬訓練器的設計特點有：

1)小型化、輕量化。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，武器裝備的小型化、輕量化技術越來越受到人們的重視。為了滿足戰(zhàn)技指標，在結構設計中，首先利用虛擬樣機技術，完成模擬訓練器的虛擬裝配，由此計算出全部質量、轉動慣量、質心位置，并進行有限元力學分析，依據(jù)計算結果，對設計方案和技術參數(shù)不斷調整、優(yōu)化；其次在設計上采用箱形、雙層空腔結構形式；最后在材料上選用輕質結構材料，達到了小型化、輕量化。

2)逼真的操作環(huán)境，真實的操作感覺。以往的自行高炮模擬訓練器均為桌面式，學員在靜態(tài)下操作訓練，無法體驗真實的操作感覺。動態(tài)模擬訓練器在仿真軟件模擬目標、背景、截獲、跟蹤和射擊等作戰(zhàn)畫面和轉臺回轉聲響配合下，從視覺、聽覺、觸覺和感覺方面，為學員營造了一個逼真的操作環(huán)境，增強了學員操作訓練興趣，解決了學員在以往桌面式模擬訓練器上無法體驗接近真實的操作感覺、心理感受和生理適應性難題，提高了訓練效率。

3)綜合集成。以往的桌面式自行高炮模擬訓練器，各裝置安裝在桌面上，不僅拆裝、包裝、運輸麻煩，而且裝備檔次和品位低。依據(jù)戰(zhàn)技指標和功能要求，參考國內外裝甲兵類似產(chǎn)品，采用綜合集成設計方法和總體結構技術，把各部件有機地集成為一臺產(chǎn)品，使裝配、測試、運輸方便。

4)操作宜人，維修方便，安全防護裝置齊全。從勤務方面看，對模擬訓練器的要求是性能穩(wěn)定可靠、操作安全、維修方便。操作性影響裝備效能的發(fā)揮，可靠性與維修性直接關系到裝備性能的實現(xiàn)。因此，在總體布局設計時，充分考慮了操作者的心理和生理特征及維修保養(yǎng)的可達性。利用虛擬技術對可操作性作了驗證，從而保證了操作性。各單體采用模塊化、通用化設計，在轉臺及底架設計有維修窗口、測試口、觀察窗口，機箱、電纜、插座一律朝外，便于維修。艙門和方位固定器設計有電氣聯(lián)鎖裝置，扛起螺桿設計有鎖緊機構，運動裝置設計有制動器，確保訓練和運輸過程人員和產(chǎn)品的安全。

5)創(chuàng)新、實用、結構造型新穎。桌面式模擬訓練器已在高炮武器系統(tǒng)中廣泛應用,但動態(tài)模擬訓練器在國內尚屬應用首例。因此動態(tài)模擬訓練器具有創(chuàng)新、實用、結構造型新穎等特點。

5 結束語

動態(tài)模擬訓練器經(jīng)使用試驗，通過對模擬空中目標實施搜索、截獲、導引、跟蹤、射擊，車長和炮手協(xié)同操作訓練及可靠性考核試驗，產(chǎn)品性能滿足戰(zhàn)技指標和使用要求，模擬訓練器運行正常。該模擬訓練器為主裝備盡快形成戰(zhàn)斗力，提供了有力的技術保障。

動態(tài)模擬訓練器性能滿足戰(zhàn)技指標要求，能夠完成自行高炮的各項科目訓練，具有較強的綜合訓練能力和一定的創(chuàng)新實用性。并具有功能齊全、安全可靠、運輸及維修方便等特點。動態(tài)模擬訓練器的成功研制，為后續(xù)研發(fā)新型號自行高炮模擬訓練器的研制奠定了基礎，具有一定的參考和推廣價值。

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