馬 浩，高躍飛，周 軍，李保在

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院， 太原 030051; 2.山西北方機械制造有限責(zé)任公司， 太原 030051)

火炮是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中普遍使用的一種常規(guī)武器，尤其是中大口徑火炮，在戰(zhàn)場上起著尤為重要的作用。但由于中大口徑火炮彈丸尺寸、質(zhì)量大，形狀不規(guī)則人工裝填效率低下[1]，且車載炮在裝填過程中往往需要將裝填手置于危險的外界環(huán)境之中，因此自動裝填技術(shù)是現(xiàn)代乃至未來車載火炮發(fā)展的重要方向[2]。除此之外，火炮彈倉的彈容量有限，后勤補給滿足不了_火炮發(fā)射的需要，這便在很大程度上影響了火炮的快速反應(yīng)能力[3]。為了增強火炮的持續(xù)作戰(zhàn)能力，補彈技術(shù)亦成為現(xiàn)代火炮發(fā)展的重要方向[4]。本文所設(shè)計的新型取彈裝置主要是用來在火炮發(fā)射過程中將彈丸從彈倉中取出并輸送至彈協(xié)調(diào)器上、在彈丸補給過程中將彈丸從補彈機構(gòu)中取出并輸送至彈倉的裝置。

由于彈倉的布置位置，以及彈丸在彈倉中儲存的方式多種多樣，取彈裝置種類也有很多。針對大中口徑火炮的自動裝填系統(tǒng)設(shè)計研究，袁志華等[5]提出了一種將彈倉和藥倉分別布置在火炮兩側(cè)的自動裝填機構(gòu)。通過兩側(cè)的機械臂和機械爪相配合將彈丸取出并運輸至輸彈中心線上。但該自動裝填機構(gòu)的布置在一定程度上增加了火炮兩側(cè)的寬度和體積，降低了火炮在戰(zhàn)場上的生存能力。王振嶸等[6]提出了一種由彈簧和棘輪組合具有自鎖性能的托彈裝置，并對其進行動力學(xué)仿真分析。在該自動裝填系統(tǒng)中，由彈倉中的推彈機構(gòu)直接將彈丸推送至托彈裝置中，沒有設(shè)計一個單獨的取彈裝置。但因此限制了彈倉的位置，空間上的限制了彈倉的彈丸容量。董邵陽[7]提出了一種2自由度的自動裝填機械手機構(gòu)。該自動裝填機械手主要任務(wù)是彈丸抓取，之后將彈丸輸送到指定位置。梁亮等[8]通過使用D-H參數(shù)方法建立運動學(xué)方程對自行火炮的自動裝填機械手進行軌跡規(guī)劃，并在RecurDyn中建立虛擬樣機模型對所設(shè)計的機械手的取彈過程進行動力學(xué)仿真驗證。

本文以某122 mm車載炮為研究對象設(shè)計了一種新型取彈裝置，根據(jù)自身結(jié)構(gòu)的機械特性和電驅(qū)動、液壓驅(qū)動的配合來完成工作任務(wù)。該新型取彈裝置不僅可以在火炮發(fā)射過程中完成取彈的任務(wù)，還能在補彈過程中完成向彈倉輸送彈丸的任務(wù)。

1 取彈裝置的組成及工作原理

圖1為取彈裝置所處位置示意圖，新型取彈裝置位于彈倉和彈協(xié)調(diào)器之間，上架側(cè)邊開一補彈槽用來安裝補彈板，補彈板與上架之間采用軸連接。圖2為去除外殼后的取彈裝置總體結(jié)構(gòu)圖。新型取彈裝置總體主要由3部分構(gòu)成，夾彈機構(gòu)、推送機構(gòu)和托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)。自動裝填時，彈倉中的推彈裝置將彈丸運輸至輸彈口，夾彈機構(gòu)夾緊彈丸，由托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)和推送機構(gòu)相互配合將彈丸運輸至彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置上，夾彈機構(gòu)釋放彈丸完成取彈機構(gòu)的工作任務(wù)。補彈時，人工將彈丸放置補彈機構(gòu)的補彈板上，補彈板繞其轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動90°，與此同時托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)將夾彈機構(gòu)的機械爪對準(zhǔn)補彈口，到位后由推送機構(gòu)將夾彈機構(gòu)推送至補彈機構(gòu)處，夾彈機構(gòu)夾緊彈丸，最后再由取彈裝置進行相反的工作過程將彈丸安放至彈倉輸彈口處，最后再由彈倉內(nèi)的推彈裝置將彈丸取回彈倉完成補彈工作。

圖1 取彈裝置所處位置示意圖

圖2 取彈裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)

圖3為褪去外殼的托舉機構(gòu)示意圖。托舉機構(gòu)主要是由固定件、內(nèi)圓柱、外圓筒、齒條、連接環(huán)和主動件等組成，采用圓柱凸輪的工作原理進行工作[9]。固定件通過螺紋連接固定在外殼上。內(nèi)圓柱側(cè)面上方設(shè)計有U形軌道與固定件配合，與軌道對應(yīng)位置設(shè)計有圓形凸起，與外圓筒側(cè)面的軌道相配合。外圓筒側(cè)面軌道展開后的圖形為直角等腰三角形，下方與齒輪相連。齒條一邊在連接環(huán)的約束下與齒輪嚙合，另一邊與主動件軸連接。

圖3 托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖

現(xiàn)將托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作過程做以下說明，具體如圖4所示。

圖4(a)到圖4(b)的過程：主動件繞自身轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，帶動齒條向外拉伸。齒條在連接環(huán)的約束下帶動齒輪和外圓筒轉(zhuǎn)動。由于固定件的約束作用，內(nèi)圓柱在外圓筒軌道的帶動下向上移動，運動至圖4(b)中狀態(tài)。

圖4(b)到圖4(c)的過程：當(dāng)外圓筒轉(zhuǎn)動了90°以后，內(nèi)圓柱恰好運動到最高點。此時其縱向運動被固定件鎖定，在外圓筒的作用下開始軸向轉(zhuǎn)動。最終運動至圖4(c)的狀態(tài)。

圖4(c)到圖4(d)的過程：當(dāng)外圓筒轉(zhuǎn)動270°以后，內(nèi)圓柱軸向轉(zhuǎn)動被固定件鎖定。在外圓筒的作用下，內(nèi)圓柱開始縱向向下運動，最終運動至圖4(d)位置，完成彈丸的取彈動作。

圖4(d)到圖4(a)的過程：當(dāng)外圓筒轉(zhuǎn)動360°時，主動件簽好轉(zhuǎn)動180°。隨著主動件繼續(xù)轉(zhuǎn)動，外圓筒開始反向轉(zhuǎn)動。托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)按圖4(d)、圖4(c)、圖4(b)和圖4(a)的順序做反向運動，從而完成在不改變電機運動方向的條件下使得托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)歸位，取下一發(fā)待發(fā)彈丸。

圖4 工作過程示意圖

根據(jù)上述的工作過程可以得知，外圓筒在齒條和主動輪的帶動下開始工作。從初始時刻開始，主動件旋轉(zhuǎn)180°，外圓筒旋轉(zhuǎn)360°；之后主動件繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°，外圓筒反向旋轉(zhuǎn)360°完成工作。根據(jù)該工作原理可得圖5齒輪、齒條和主動件的位置關(guān)系簡圖。圖5中a為以A點為圓心，齒輪分度圓半徑R1為半徑的圓；b為以B點為圓心，主動件的回轉(zhuǎn)半徑R2為半徑的圓；BC為圓a的切線，與圓b分別交于點D和F。根據(jù)幾何特性關(guān)系可知，當(dāng)切線過b的圓心時lDC最短lFC最長，即D點為托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)初始工作位置，F(xiàn)點為外圓筒轉(zhuǎn)動360°時刻的位置。因此可得式：

圖5 齒輪、齒條與主動件位置關(guān)系示意圖

lFC-lDC=2πR1

(1)

即

2R2=2πR1

R2=πR1

(2)

且根據(jù)結(jié)構(gòu)布置可知

lAB>R1+R2

(3)

為使該機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，本文選用模數(shù)m=2.5，齒數(shù)z=32的齒輪。該結(jié)構(gòu)各位置關(guān)系參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪、齒條與主動件位置關(guān)系參數(shù)

該機構(gòu)的運動過程簡圖如圖6所示。圖6中θ為主動件在電機的帶動下轉(zhuǎn)動的角度；BE為初始時刻時齒條所在位置；CD為轉(zhuǎn)動了角度θ后齒條所在位置；CG為線段在DC方向的延長線；FC與BC垂直。

圖6 托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)運動關(guān)系簡圖

已知主動件的回轉(zhuǎn)中心和外圓筒的回轉(zhuǎn)中心之間的距離lAB為200 mm；lAD和lAE為與外圓筒相連的齒輪分度圓半徑40 mm；lBC為主動件的回轉(zhuǎn)半徑125.6 mm。

根據(jù)機構(gòu)的工作情況和圖中的幾何關(guān)系可知，在△ABE中

(4)

故

∠ABC=∠ABE+θ

(5)

在△ABC中，由余弦定理可知

(6)

故而，由正弦定理可得：

(7)

因為在托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)的工作過程中，θ處于變化中，∠ACB出現(xiàn)了由鈍角到直角再到銳角的變化。由計算可得當(dāng)θ<39.6°時，∠ACB為鈍角；當(dāng)θ>39.6°時，∠ACB為銳角。

在△ACD中

(8)

根據(jù)其幾何關(guān)系可得：

∠FCG=(∠ACB+∠ACD)-90°

(9)

根據(jù)相對運動圖解法對連桿的運動進行分析可知齒條在齒條方向的分速度為齒輪分度圓的線速度。根據(jù)齒條與主動件在C點處的相對運動關(guān)系可得齒條方向的速度為：

v=ωz×lBC×cos∠FCG

(10)

式中，ωz為主動輪轉(zhuǎn)動角速度。

外圓筒轉(zhuǎn)動的角速度為

(11)

對外圓筒的角速度分別對時間t進行求導(dǎo)和積分，可得外圓筒轉(zhuǎn)動的角加速度和角度計算公式。

(12)

(13)

因此，在工作期間外圓筒消耗的功率為

Pw=Jwαw×ωw

(14)

式中，Jw=0.115 8 kg·m2為外圓筒的轉(zhuǎn)動慣量。

根據(jù)托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)外圓筒與內(nèi)圓柱的運動關(guān)系可知：

當(dāng)θw<90°時，內(nèi)圓柱沿豎直方向上升。由于外圓筒的軌道沿側(cè)面展開后與水平夾角為45°，故圓筒最外側(cè)轉(zhuǎn)動線速度為內(nèi)圓筒上升的線速度。

vn=ωw×Rw

(15)

式中，Rw為外圓筒的外徑。

該過程的加速度為

(16)

消耗的功率為

Pn=(mng+mnan)vn

(17)

式中，mn=68 kg，為彈丸、推送機構(gòu)、夾彈機構(gòu)和內(nèi)圓柱的總質(zhì)量。

當(dāng)90°<θw<270°時，內(nèi)圓柱開始隨著外圓筒旋轉(zhuǎn)，角速度為

ωn=ωw

(18)

角加速度為

(19)

消耗的功率為

Pn=Jnαn×ωn

(20)

式中，Jn=9.98 kg·m2為彈丸、夾彈機構(gòu)、推送機構(gòu)和內(nèi)圓柱繞轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量。

當(dāng)θw>270°時，內(nèi)圓柱開始在外圓筒的帶動下沿豎直方向下降，速度為

vn=-ωw×Rw

(21)

該過程的加速度為

(22)

消耗的功率

Pn=(mnan-mng)vn

(23)

忽略齒條、連接環(huán)、摩擦力和主動件所做功，驅(qū)動該取彈裝置所需提供的功率為

P=Pn+Pw

(24)

代入數(shù)據(jù)后計算得P=1.25 kW。

由于計算過程中忽略了摩擦力和一些非關(guān)鍵件的運算，因此選用額定功率為1.5 kW的伺服電動機，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 驅(qū)動電機技術(shù)參數(shù)

內(nèi)圓柱側(cè)面有一U形凹槽，與固定件配合。為防止固定件和凹槽底面與固定件的碰撞導(dǎo)致內(nèi)圓柱上下移動不隨外圓筒旋轉(zhuǎn)，將內(nèi)圓柱的側(cè)面凹槽直角部分導(dǎo)成圓角使其在下降過程中有轉(zhuǎn)動的角速度完成動作，如圖7所示。

圖7 內(nèi)圓柱示意圖

1.2 夾彈機構(gòu)

夾彈機構(gòu)主要由機械爪、機械臂、連接筒、平動活塞和液壓缸A五個部件構(gòu)成。機械臂和平動活塞、機械臂和機械爪、機械爪和連接筒之間使用軸連接，各部件均可繞連接軸轉(zhuǎn)動。平動活塞可在液壓缸的推動下在連接筒的軸線方向運動。待彈丸被推送至輸彈口時，液壓缸A開始工作，平動活塞沿著連接筒的中心線向左運動。在各轉(zhuǎn)動副的約束下，機械爪夾緊彈丸。待彈丸運輸?shù)轿粫r，進行相反的動作釋放彈丸。圖8為夾彈機構(gòu)組成示意圖。

圖8 夾彈機構(gòu)組成示意圖

根據(jù)夾彈機構(gòu)的工作原理可對該夾彈機構(gòu)做簡單受力分析，如圖9所示。F1為液壓缸對平動活塞的作用力；F2為機械爪對彈丸的作用力；lAB和lBC分別為點A1、B1和B1、C1之間的距離；l為力F2對點A的力矩；θ1為機械臂B1C1與水平方向的夾角；θ2為機械臂B1C1和A1B1之間的夾角。

圖9 夾彈機構(gòu)受力分析簡圖

根據(jù)該取彈裝置的工況可知，彈丸在夾彈機構(gòu)的作用下短時間內(nèi)先上升，再隨著托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動，最后再下降由推送機構(gòu)將彈丸推送至彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置上。因此在整個運動過程中彈丸在豎直方向受到的摩擦力最小為。

Ff1=mg+ma

(25)

式中：m為彈丸質(zhì)量，22 kg；a為彈丸在豎直方向的加速度，與內(nèi)圓柱的加速度相同。通過式(19)和式(25)的計算可得加速度最大值為10 m/s2。

根據(jù)彈丸運動過程中的受力關(guān)系可知，機械爪所能提供的最大靜摩擦力為

Ff max=μ1F2

(26)

式中：μ為彈丸與機械爪之間的摩擦因數(shù)，為減小機械爪與彈殼之間的損耗和增大機械爪與彈殼之間的摩擦因數(shù)，在機械爪內(nèi)表面附上一層橡膠模，查表可知橡膠與鋼鐵之間的摩擦因數(shù)為0.85。

根據(jù)機械爪的結(jié)構(gòu)可知

F1×cosθ1=FBC

(27)

FBC×lAB×sinθ2=F2×l

(28)

式中，F(xiàn)BC為作用在機械臂B1C1上方向沿著連桿B1C1的力，即機械臂作用于機械爪上的力。

根據(jù)工作要求可知

Ff max=Ff1

(29)

彈丸在繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中，受到機械爪帶來的向心力。因此在該過程中受到機械爪最小的力為

(30)

式中，R為彈丸轉(zhuǎn)動軌跡的半徑。

根據(jù)對該夾彈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和測量可知，在彈丸被夾緊時刻已知數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 夾彈機構(gòu)部分參數(shù)

代入數(shù)據(jù)，進行數(shù)值計算后得到夾彈機構(gòu)液壓缸A在整個過程中最小需要提供的力為3 086.4 N。

故此根據(jù)所需要提供力的大小和具體工況要求，選用輕型拉桿液壓缸。具體參數(shù)如表4所示。

表4 夾彈機構(gòu)液壓缸A技術(shù)參數(shù)

將最大壓力代入式(30)、式(40)可以得知，該液壓缸可以為夾彈機構(gòu)提供力為4 910.9 N的夾彈力。

1.3 推送機構(gòu)

當(dāng)托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)工作到位后，推送機構(gòu)的液壓缸B開始工作，推動夾彈機構(gòu)和彈丸沿著安裝在內(nèi)圓柱上的導(dǎo)軌移動至彈丸中心線與彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置回轉(zhuǎn)中心線重合。圖10為推送機構(gòu)的組成圖。

圖10 推送機構(gòu)組成示意圖

根據(jù)取彈裝置的工況得知，推送機構(gòu)工作總時間為0.5 s，工作過程分為3個階段：啟動階段(0.1 s)、勻速階段(0.3 s)、減速停車階段(0.1 s)。如圖11所示。

圖11 工作階段曲線

根據(jù)行程、速度、時間的關(guān)系可知，由速度曲線與坐標(biāo)系圍成的面積為行程，即

(31)

式中：行程l=100 mm；t1=0.1 s；t2=0.4 s。

在啟動階段和停車減速階段的加速度為

(32)

因此在加速啟動階段中所需要克服的慣性力為

Fg=(m+m1+m2)×a

(33)

式中：m1為夾彈機構(gòu)質(zhì)量5.4 kg；m2液壓缸A質(zhì)量10 kg。

運動過程中所需要克服的摩擦力為

Ff=μ2(m+m1+m2)g

(34)

式中，μ2為推送機構(gòu)的導(dǎo)軌與夾彈機構(gòu)之間的摩擦因數(shù)0.15。

因此，在推送機構(gòu)液壓缸B工作過程中，所需要提供的力為

F1=Ff+Fg

(35)

代入數(shù)據(jù)后計算可得所需要提供的力為232.6 N。液壓缸體積小、質(zhì)量輕，因此選用2個輕型液壓缸作為推送機構(gòu)的動力源。故單個液壓缸所需要提供力116.3 N。液壓缸技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 推送機構(gòu)液壓缸B技術(shù)參數(shù)

1.4 補彈機構(gòu)

如圖12所示，補彈機構(gòu)主要由補彈板、扭轉(zhuǎn)彈簧和擋彈板構(gòu)成。擋彈板與補彈板通過轉(zhuǎn)軸連接，外端套著扭轉(zhuǎn)彈簧。工作時由人工將彈丸放置補彈板上并由擋彈板將其固定，補彈板繞其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動90°使彈丸處于豎直狀態(tài)。當(dāng)取彈裝置取出彈丸后，擋彈板在扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下歸位。

圖12 補彈機構(gòu)組成示意圖

2 動力學(xué)仿真

為了進一步分析該機構(gòu)的工作過程，可利用虛擬樣機技術(shù)對該取彈裝置進行動力學(xué)仿真，分析彈丸和各部件在工作過程中的運動狀態(tài)。

2.1 模型建立

根據(jù)各部件的結(jié)構(gòu)尺寸在三維軟件中建立三維模型，利用軟件的CAD接口模塊ADAMS/Exchange將其導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件ADAMS中進行動力學(xué)分析[10]。在各部件之間添加相應(yīng)的運動副以及接觸力。根據(jù)該取彈裝置工作過程中各構(gòu)件的運動規(guī)律，在不影響模型合理性的前提下做如下假設(shè)：

1) 取彈裝置中的各個部件均按作剛體處理；

2) 為了減小仿真計算量，簡化模型，將非關(guān)鍵零部件如導(dǎo)軌、銷、固定件等進行布爾求和為一個部件；

3) 不考慮模型裝配時的尺寸公差；

4) 驅(qū)動載荷以速度的方式施加到驅(qū)動件上。

模型建立完畢，運行仿真。

2.2 結(jié)果分析

仿真完成后，仿真結(jié)果進行處理。得到結(jié)果如圖13～圖18所示。其中圖13～圖16為彈丸自動裝填工況下的仿真結(jié)果，圖17和圖18為補彈工況下的仿真結(jié)果。

圖13 彈丸受力運動關(guān)系曲線

由圖13可知0.45 s時刻機械爪與彈丸發(fā)生碰撞，由于機械爪擁有一定速度的原因，力發(fā)生了波動，在0.46 s時刻以1 050 N的力穩(wěn)定下來。通過彈丸沿Z軸方向的位移曲線可以得知，0.6 s時，彈丸在取彈裝置作用下開始向上運動，因此夾彈力再次發(fā)生波動。1.06 s時夾彈機構(gòu)帶著彈丸向下運動，由于此時外圓筒轉(zhuǎn)動角速度最大，且彈丸此時由之前的繞外圓筒轉(zhuǎn)動中心旋轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向移動，故此刻的彈丸與夾彈機構(gòu)之間的碰撞最為激烈并出現(xiàn)了碰撞力的峰值3 782 N，小于液壓缸A所能提供最大的夾彈力。1.9 s時夾彈力減小，彈丸開始逐漸脫離夾彈機構(gòu)的約束。2.02 s時刻彈丸在重力的作用下開始下落并在0.9 s的時間內(nèi)完成運動，穩(wěn)定在托彈裝置上。

圖14和圖15為托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)在工作過程中的運動和受力關(guān)系曲線。由圖14可知，在0.65～1.3 s和3.45～3.75 s出現(xiàn)力的波動。對比圖15托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動關(guān)系可知，這是因為在0.65～1.3 s和3.45～3.75 s的2個時間段內(nèi)，內(nèi)圓柱在外圓筒的驅(qū)動和固定件的約束作用下做著先上升再旋轉(zhuǎn)最后下降的復(fù)雜運動。2 s之前，夾彈機構(gòu)夾著彈丸，增大了該回轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量，故而0.65～1.3 s的波動幅度遠(yuǎn)大于3.45～3.75 s的波動幅度。觀察圖15可知，在0.75～0.86 s、1～1.08 s、3.37～3.5 s和3.6～3.73 s 4個時間段內(nèi)均出現(xiàn)了邊上升邊旋轉(zhuǎn)或邊下降邊旋轉(zhuǎn)的運動現(xiàn)象，因此在該時間段內(nèi)外圓筒和內(nèi)圓柱的碰撞力、內(nèi)圓柱與固定件的碰撞力和齒條與連接環(huán)之間的碰撞力在此時波動最大且都出現(xiàn)了此波動段的最大值。

圖14 托舉機構(gòu)受力變化曲線

圖15 托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)運動關(guān)系曲線

圖16為夾彈機構(gòu)和推送機構(gòu)的運動關(guān)系曲線。觀察圖16可以得知，初始時刻活塞開始運動，推動機械爪轉(zhuǎn)動30°夾緊彈丸；隨后主動件轉(zhuǎn)動180°，帶動外圓筒轉(zhuǎn)動360°，內(nèi)圓柱先上升再回轉(zhuǎn)最后再下降完成工作；之后安裝在內(nèi)圓筒上的推送機構(gòu)將彈丸推送到位；夾彈機構(gòu)釋放彈丸；在重力作用下彈丸平穩(wěn)進入托彈裝置之中；推送機構(gòu)歸位；主動件繼續(xù)轉(zhuǎn)動180°，外圓筒反向轉(zhuǎn)動360°，內(nèi)圓筒反向重復(fù)之前的工作。取彈裝置歸位。

圖16 夾彈機構(gòu)、推送機構(gòu)運動關(guān)系曲線

由圖17和圖18可知，1s時，補彈板帶動彈丸繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動90°使彈丸由水平狀態(tài)變?yōu)榇怪睜顟B(tài)，由于擋彈板自身的慣性原因，扭簧轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)小幅度抖動。補彈板停止運動，彈丸在慣性的作用下保持之前的運動狀態(tài)與擋彈板發(fā)生碰撞，因此扭簧轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)第一次波動防止彈丸由于自身慣性從補彈板中脫落出來。由圖17可以得知，1.15 s時刻，彈丸與擋彈板之間的力為0，即在補彈板運動到位后0.15 s內(nèi)便可以將彈丸穩(wěn)定下來。此過程中擋彈板轉(zhuǎn)動7°。2.5 s時，夾彈機構(gòu)開始夾緊彈丸并將彈丸從補彈機構(gòu)中取出。因此在圖17中，彈丸與擋彈板碰撞力曲線和扭轉(zhuǎn)彈簧的轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)了第二次波動。2.75 s時，彈丸與擋彈板碰撞力變?yōu)?，彈丸成功從補彈機構(gòu)中被取出。在這個過程中擋彈板轉(zhuǎn)動12°。3.5 s時，補彈板開始?xì)w位，準(zhǔn)備盛放下一枚彈丸。

圖17 擋彈板運動關(guān)系曲線

圖18 彈丸受力運動關(guān)系曲線

由圖18中彈丸的運動關(guān)系曲線和受力關(guān)系曲線可以得知，2.5 s時，彈丸被夾彈機構(gòu)夾緊。當(dāng)2.5～3 s時，夾彈機構(gòu)帶動彈丸水平直線移動，運動平緩，故而此階段彈丸與夾彈板力相對較為平穩(wěn)。3 s時，彈丸由水平直線運動變?yōu)槔@內(nèi)圓柱中心的回轉(zhuǎn)運動，故而此時彈丸與夾彈板之間出現(xiàn)了一個剛開始相對較大之后慢慢變小的力的波動。但當(dāng)3.4 s時，彈丸的回轉(zhuǎn)運動結(jié)束，在夾彈機構(gòu)和內(nèi)圓柱的帶動下開始豎直向下的位移，因此在該較為復(fù)雜的工況下再次出現(xiàn)彈丸與夾彈板之間碰撞力波動現(xiàn)象。但通過彈丸的位移曲線可知，各個階段下彈丸始終被夾彈機構(gòu)牢牢的夾緊。4.5 s時彈丸與夾彈機構(gòu)的碰撞力變?yōu)?，彈丸成功被運送至輸彈口處，且在之后的時間里，彈丸質(zhì)心沿z軸方向的位移平穩(wěn)不變，即彈丸被平穩(wěn)安放在彈倉輸彈口處。

通過動力學(xué)分析結(jié)果可知，在整個運動過程中，彈丸運動狀態(tài)穩(wěn)定，取彈裝置各個機構(gòu)工作有序，在取彈過程中能夠準(zhǔn)確地將彈丸從取彈口處取出并平穩(wěn)地放置于彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置上；補彈過程中也能夠順利地將彈丸從補彈機構(gòu)中取出并平穩(wěn)地放在彈倉的取彈口處。

3 結(jié)論

針對垂直式彈倉，設(shè)計了一種具有半自動補彈功能的新型取彈裝置。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，使用電力和液壓聯(lián)合驅(qū)動的方式，通過特定的結(jié)構(gòu)配合完成取彈動作，還可以與安裝在上架上的補彈機構(gòu)配合，實現(xiàn)半自動補彈。通過對該裝置進行動力學(xué)仿真分析，確定夾彈機構(gòu)、托舉回轉(zhuǎn)機構(gòu)和推送機構(gòu)的動力學(xué)關(guān)系以及整個過程中彈丸的運動狀態(tài)。仿真結(jié)果表明該取彈裝置在取彈過程中能夠在4s內(nèi)準(zhǔn)確地將彈丸從取彈口取出并平穩(wěn)的放置于彈協(xié)調(diào)器的托彈裝置上，在補彈工作過程中能夠在4.5s內(nèi)將彈丸從補彈機構(gòu)中取出并平穩(wěn)地放在彈倉的取彈口處。除此之外，在彈倉內(nèi)的彈丸發(fā)射完后可以通過實現(xiàn)彈丸的半自動裝填，即取彈裝置將彈丸從補彈機構(gòu)處取出后直接輸送至彈協(xié)調(diào)器上。為火炮自動裝填系統(tǒng)的設(shè)計提供了新的思路。