同旋向供彈單元設計與仿真優(yōu)化

郭競堯，謝楊楊，張永濤

（西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

目前，小口徑防空反導火炮向著高射速、高密集度、低后坐力及高毀傷概率等方向發(fā)展［1］，供彈機構是自動炮的重要組成部分，同時又是最復雜的部分之一，其結構及形式在很大程度上決定了自動炮結構的復雜程度，因而它們對自動炮的射速有著至關重要的影響［2－3］。彈鏈式供彈的結構原理己漸漸無法適應高射速火炮的要求，為了進一步提高小口徑火炮的發(fā)射速度和工作的可靠性，專用的無鏈供彈系統(tǒng)應運而生，而無鏈供彈交接本質(zhì)上就是對高速運動的炮彈與彈鏈傳動后經(jīng)撥彈輪實現(xiàn)炮彈在不同傳輸單元間的交接問題［4－5］。

目前無鏈供彈系統(tǒng)細分到炮彈的各個交接單元可分為：反旋向供彈交接和同旋向供彈交接兩種形式。筆者分析了撥彈輪之間的反旋向交接和同旋向交接的特點，以同旋向交接為重點進行了分析，以某自動機的供彈系統(tǒng)為例建立了多剛體模型，并對其進行了動力學仿真分析，得到了適應工程化設計的優(yōu)化值，分析過程及結果對無鏈供彈系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了一定的參考。

1 動力學分析模型的建立

1.1 同旋向供彈單元簡述

供彈系統(tǒng)中撥彈輪之間通常都是通過反旋向形式交接炮彈，即兩個實施炮彈交接的撥彈輪旋向相反，通過一對齒輪進行動力傳動。反旋向供彈單元中炮彈的交接過程速度變化小，繼而炮彈受沖擊力小、交接動作可靠，在供彈系統(tǒng)設計中應用廣泛，其工作形式如圖1所示。

但由于反旋向供彈單元中炮彈運行軌跡長，在一些特殊要求下，如供彈空間布局有特定要求時，甚至需要增加一級反旋向供彈單元傳遞炮彈才能達到供彈系統(tǒng)的功能要求，這無疑增加了供彈系統(tǒng)的設計難度，同時還降低了系統(tǒng)可靠性。

而同旋向供彈單元的供彈路線短，且撥彈輪之間的距離比反旋向供彈要小，比較適合結構緊湊的供彈機構，如圖2所示，但由于炮彈在撥彈輪之間傳遞時的速度方向及速度均有變化，會對炮彈帶來一定的沖擊。為了發(fā)揮同旋向供彈形式的優(yōu)勢，同時將炮彈在交接過程中的速度變化降低到合理范圍內(nèi)，需要對同旋向供彈形式進行深入分析。

1.2 多剛體模型的建立

對于剛體位形的描述，ADAMS采用質(zhì)心在慣性參考系中的笛卡爾廣義坐標來表示［6－7］：

式中：平動坐標（x，y，z）表示質(zhì)心位置；歐拉角（ψ，θ，φ）用于確定其方位。

ADAMS利用帶拉格朗日乘子的拉格朗日第一類方程的能量形式建立如下方程：

集成約束方程ADAMS可自動建立系統(tǒng)的動力學方程：

式中：T為系統(tǒng)廣義坐標表達的動能；q為廣義坐標；Q為在廣義坐標q方向的廣義力；Φ為系統(tǒng)約束方程；λ為拉格朗日乘子；P為系統(tǒng)的廣義動量；H為外力的坐標轉(zhuǎn)換矩陣。

以某自動機為例，為其設計的供彈系統(tǒng)中的同旋向供彈單元的模型見圖3。

將該模型簡化后轉(zhuǎn)化為Parasolid格式并導入機械動力學仿真軟件ADAMS中［8］，建立同旋向供彈單元的參數(shù)化仿真模型（兩撥彈輪水平放置，仿真分析中炮彈起始位置位于輸送級撥彈輪中心的豎直正上方），如圖4所示。模型中，炮彈與撥彈輪和導軌均為接觸碰撞，相應接觸中的動摩擦因數(shù)設為0.2，兩撥彈輪均設定轉(zhuǎn)動副并取相同的轉(zhuǎn)速和旋向，撥彈輪、導軌及炮彈均調(diào)用材料物性數(shù)據(jù)庫中鋼材的材料特性（彈性模量為207kN／mm2，泊松比為0.29，密度為7.801×10－6kg／mm3）。

2 動力學仿真及結果分析

同旋向供彈單元共有3個設計輸入條件：兩撥彈輪間中心距；兩撥彈輪之間相位角（以下簡稱相位角）；炮彈運行軌跡的過渡圓半徑（以下簡稱過渡圓半徑）。由于兩撥彈輪中心距多由總體布局決定，在此著重分析撥彈輪中心距一定的情況下，相位角及過渡圓半徑的影響。優(yōu)化目標：使炮彈在撥彈輪之間交接時的速度波動值較??；并且能使加工裝配中產(chǎn)生誤差的影響度較低。

仿真優(yōu)化過程依照設計參數(shù)抽樣分析的方法［9－10］，根據(jù)工程設計的特點，在供彈單元能夠工作的前提下賦予相位角及過渡圓半徑一定的取值范圍，并在取值范圍內(nèi)選取特定的采樣點進行動力學仿真，具體取值見表1。

表1 同旋向供彈單元參數(shù)輸入抽樣

在3 000 發(fā)／min 的供彈速度下，經(jīng)動力學仿真，得到各相位角下炮彈在撥彈輪交接過程中的速度變化曲線，見圖5～圖10。圖5中，A 點為炮彈由輸送級撥彈輪推動進入過渡段的起始點；B 點為兩撥彈輪交接炮彈過程的起始點；C 點為兩撥彈輪交接炮彈過程的結束點。圖6～圖10的特征點與圖5相同。

在撥彈輪交接炮彈的過程中，炮彈速度有明顯的跳動，選取合理的相位角及過渡圓半徑，可以將該跳動值盡可能地降低，即減小炮彈過渡時速度變化量。圖11、圖12為參數(shù)抽樣點分析結果擬合的炮彈速度變化量曲面圖及其俯視圖。

從圖5～圖12可知：相位角為34°時供彈交接時炮彈有速度變化振動，即此處炮彈有多次撞擊，而相位角接近39°而過渡圓半徑接近60mm 時炮彈速度變化量趨于增大，因此可得到相位角及過渡圓半徑合理的取值范圍，又由于加工及裝配誤差的存在，為保證可靠性，故在取值范圍的中心處選擇最終的設計參數(shù)，即：相位角為37°、過渡圓半徑為80mm。

3 結論

同旋向供彈單元結構緊湊，適合對空間要求更嚴格的無鏈供彈系統(tǒng)，其中撥彈輪之間的相位角及炮彈軌跡過渡圓半徑是決定炮彈交接過程速度變化量值的主要設計參數(shù)。以某自動機的供彈系統(tǒng)為例，根據(jù)工程設計特點對其中同旋向供彈單元進行了多種設計參數(shù)的動力學仿真，將仿真優(yōu)化結果應用到了實際產(chǎn)品設計中。通過對同旋向供彈單元的動力學仿真分析，得到了此類供彈單元的設計要點及設計方法，對無鏈供彈系統(tǒng)的設計及優(yōu)化提供了一定的參考。

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