楊海文，劉 寧，孫耀東，孫明亮

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

1 引言

近年來，無人機蜂群作戰(zhàn)開始登上國際軍事戰(zhàn)爭的舞臺，蜂群通常以數(shù)量優(yōu)勢對目標區(qū)域進行高密度偵察和飽和式打擊，給敵防空作戰(zhàn)造成巨大威脅。為抵消無人機蜂群作戰(zhàn)帶來的威脅，各國積極開展了反蜂群作戰(zhàn)的相關研究。高射速小口徑火炮可以在很短的時間內發(fā)射大量的炮彈，形成彈幕，對無人機蜂群能形成很強的壓制力，而目前制約火炮射速的關鍵是火炮的供彈速度。

無鏈供彈技術與傳統(tǒng)的鏈式供彈相比，能較大幅度的提高自動機的射速，縮短火炮射擊的響應時間，同時在自動機射擊時能有效減小供彈部分在自動機射擊時的能量消耗。因此，高速無鏈供彈箱的設計勢在必行。

近年來國內對高速無鏈供彈的研究如下：王爭論比較了多個可行的無鏈供彈組合，說明外鼓式無鏈供彈由于體積較大不適合用在結構空間受限的自行高炮，而箱式撥彈輪組合對空間形態(tài)要求更低，且炮彈能沿著撥彈輪按設計速度高速運動。吳雙寶提出一種艦載大容量彈箱的結構，應用多個單元實現(xiàn)高速供彈，其中與自動機機心組連接的部分采用五齒四級撥彈輪組連續(xù)撥彈的方式傳送炮彈。譚仲于提出一種計算公式法來通過改變布彈方式提升彈箱的容量。程剛結合可靠性的應力干涉理論，發(fā)現(xiàn)轉管自動炮供彈機構中撥彈軸上的大扭矩會影響供彈機構運動的可靠性。曹廣群對主撥彈輪與輔助撥彈輪在供彈中的轉速匹配對發(fā)射速度的影響做了實驗研究，說明輔助撥彈輪與主撥彈輪彈窩中心線速度差值較小時，兩者匹配較好。

本文中在此基礎上，利用撥彈輪在撥彈的同時也能儲彈的特點，設計了一種高速無鏈供彈箱機構，實現(xiàn)有限空間下的高速供彈。彈箱射頻可調，供彈穩(wěn)定，能有效對抗無人機蜂群作戰(zhàn)。

2 總體方案設計

根據(jù)某35 mm自行高炮供彈系統(tǒng)設計指標，彈箱容量不少于30發(fā)，供彈速度為500～4 000發(fā)/min。

在三維建模軟件中對彈箱整體進行建模，彈箱由15根撥彈軸組成，取消了傳統(tǒng)的軟導引及類似的傳送機構。彈箱懸掛在耳軸上，可以降低射角變化對供彈過程的影響。

在每根撥彈軸上通過花鍵連接一大一小撥彈輪，相鄰撥彈軸之間由齒輪傳動。在大小撥彈輪中間有兩層剛性導引板，同時在藥筒底部與彈頭位置設計有兩層約束板，來約束炮彈在軸線方向的位移。在雙層撥彈輪與雙層導引板的約束下，炮彈能穩(wěn)定的通過整個路徑，且嚴格按照規(guī)定的曲線運動。大剛度的傳動裝置能滿足極高的傳動速度且保證供彈的穩(wěn)定性。

彈箱在滿載時三維模型如圖1，撥彈軸采用大直徑空心軸的鋁合金材料，能在一定程度上降低軸件數(shù)量多帶來的彈箱整體質量的增大。

圖1 滿載時彈箱三維模型示意圖Fig.1 The 3D model of ammunition box in fully loaded

彈箱滿載容量33發(fā)，可滿足小口徑高炮一次射擊的需求，后續(xù)的補彈過程可在進彈口連接補彈結構，來進一步增加高炮的載彈量。當一次射擊完成后，彈箱中最后一發(fā)炮彈由供彈箱反轉至初始位置，補彈機構通過中轉機構向供彈箱補彈直至補滿，以完成下一次射擊。本文中主要研究彈箱供彈部分的結構與動力學特性，補彈部分的結構不再贅述。

2.1 撥彈輪的設計

由于炮彈之間平行排列，撥動藥筒部分的大撥彈輪窩槽中心與撥動彈頭部分的小撥彈輪窩槽中心的連線即炮彈的中心軸線,運動過程中大撥彈輪與小撥彈輪同步旋轉，因為藥筒部分直徑大于彈頭部分直徑(圖2)，大撥彈輪的凹槽面積也要大于小撥彈輪的凹槽面積，所以在設計時首先設計大撥彈輪的尺寸，小撥彈輪的尺寸按同樣步驟確定。

圖2 傳動單元裝配示意圖Fig.2 The schematic of driving unit’s assembly drawing

撥彈輪在撥彈的同時也具備儲存炮彈的作用，因此需要計算多級撥彈輪在滿足一定條件下的相對容彈密度。已知炮彈藥筒半徑，撥彈輪齒寬,設撥彈輪齒中心線到相鄰彈窩中心線的夾角為，相鄰彈窩上藥筒圓心到該撥彈輪齒中心線的垂直距離為，撥彈輪的半徑為，外圍大圓的半徑為(圖3)。

圖3 撥彈輪示意圖Fig.3 The schematic of variables in stirring ammunition wheel designing

式中：為單個撥彈輪上彈窩數(shù)量，為相對容彈密度，為外圍大圓的面積。

圖4為計算結果曲線，可見，相對容彈密度會隨著齒數(shù)的增加而出現(xiàn)一個單峰，在齒數(shù)為4時達到峰值。四齒和五齒的相對容彈密度十分接近，在考慮相對容易加工和運動穩(wěn)定性的因素，彈箱選擇四齒撥彈輪來儲彈是最優(yōu)選擇。

圖4 相對容彈密度隨齒數(shù)的變化曲線Fig.4 Action curve of the relative density changed with number of teeth

2.2 供彈路徑規(guī)劃

彈箱通過撥彈輪交接的方式來實現(xiàn)儲彈和供彈的同時進行，撥彈輪的排列方式便決定了彈箱的相對容彈量(容彈密度)。由于炮彈在撥彈輪之間不停的交接，炮彈的運動軌跡并不是規(guī)則的，而是一次又一次的相切曲線。

撥彈軸的排列要考慮4個要點：① 在炮彈的運行軌跡不能有重疊。② 要給剛性導引板留出不少于10 mm的余量，來保證導引板的強度。③ 有限空間下裝彈密度要盡可能的大。④ 滿足以上3個條件的情況下，整體布局要盡可能規(guī)范化，以簡化實際設計中的繁瑣步驟?，F(xiàn)給出一種交叉排列的方式，如圖5。

圖5 傳動單元排列方式與炮彈路徑示意圖Fig.5 The schematic of driving unit’s arrangement and ammunition path

大小撥彈輪對炮彈的運動約束是不完整的，還需要另外的剛性導引板來實現(xiàn)炮彈按照預定的軌跡在撥彈輪之間連續(xù)傳遞。藥筒直徑大于彈頭直徑，因此設計兩層導引板(圖6)同時約束炮彈的運動軌跡。考慮到炮彈在運動過程中沒有彈夾的約束作用，以及質心不在正中間的問題，炮彈會發(fā)生軸向的輕微滑動，所以在裝藥部分的底部和彈丸的頭部另外增加兩層約束板。

圖6 剛性導引板示意圖Fig.6 The schematic of guiding plate

3 動力學仿真

將三維建模軟件SOLIDWORKS中的模型導入多體動力學分析軟件ADAMS中，對模型做出一定的簡化,刪除對計算結果影響很小的特征和部件，并忽略各個部件的柔性變形建立全剛體虛擬樣機模型。

3.1 多體動力學模型建模

在導引板與地面建立固定副，撥彈軸與大小撥彈輪之間通過布爾運算連接為一個整體，齒輪與撥彈軸之間建立固定副，齒輪地面建立轉動副(表1)，并對每一發(fā)炮彈和每一根傳動軸從初始位置進行編號.初始位置的炮彈為1號彈，初始位置的撥彈軸為1號軸，以此排開。由于部件繁多，手動對其添加約束和接觸容易出錯且不方便修改，在此可以利用ADAMS的二次開發(fā)模塊編寫一段宏命令來自動添加約束和接觸。

表1 不同部件間的約束類型Table 1 The constraint type from different parts

相鄰齒輪之間添加碰撞力，每一發(fā)炮彈與大小撥彈輪之間分別添加碰撞，相鄰齒輪之間添加碰撞，ADAMS中采用IMPACT函數(shù)計算碰撞力，驅動部分直接添加恒定轉速，分析整個過程中的動力學特性。

圖7 滿載彈箱動力學模型示意圖Fig7 The dynamic model of ammunition box in fully loaded

3.2 仿真結果

因為1號彈在整個供彈過程中從進彈位置一直運動到出彈口，走過整個運動路徑，所以先對1號彈的運動狀態(tài)進行仿真分析。當供彈速度分別為500發(fā)/min、1 000發(fā)/min、2 000發(fā)/min、4 000發(fā)/min時，分別計算1號彈在不同供彈速度下和方向的速度曲線。由于隨著供彈速度的增加，1號彈完成整個運動的時間也會隨之按照相應的比例減小，為了方便比較2個方向的速度變化曲線，將整個運動過程看作一個無量綱變量：周期。將4個供彈速度下炮彈速度的計算值對應的時間都轉化為相應的周期時間(圖8、圖9)。

圖8 不同供彈速度下1號彈X方向的運動速度曲線Fig.8 Action curve of X velocity of ammunition 1 in different supplying velocity

圖9 不同供彈速度下1號彈Y方向的運動速度曲線Fig.9 Action curve of Y velocity of ammunition 1 in different supplying velocity

圖中可以清晰的看到，隨著運動時間的推進，炮彈在方向的速度在前三分之一周期的時間內，呈規(guī)律性的擺動，正方向的峰值與負方向的峰值基本一致，在03～04，由于此時正通過彈箱的上回轉部分，此時運動規(guī)律會發(fā)生變化，通過上回轉部分后，又開始沿著之前的規(guī)律運動，之后在05～07，到達下回轉部分，此時的運動規(guī)律與上回轉部分的運動規(guī)律基本一致，且隨著供彈速度的成比例增加，1號彈的2個方向的速度峰值也隨之成比例增加，在峰值上抖動的曲線部分，會隨著供彈速度的增加而逐漸變得平緩。

從炮彈運動速度的角度來分析，炮彈是能平穩(wěn)的按照預定規(guī)律完成供彈任務的，因此可以說明該供彈結構能穩(wěn)定的完成供彈動作，此設計方案可行。

4 動態(tài)特性分析

由于炮彈速度的變化并不是平滑的曲線，在整個過程中炮彈所受的力與軸上的力是系統(tǒng)動態(tài)特性的2個關鍵點，需要對此展開具體分析。

4.1 炮彈受力分析

首先制作1號彈在整個過程中的加速度變化曲線(圖10)?？梢娂铀俣鹊闹翟谝欢ǖ姆秶鷥炔粩嗟牟▌?，1號彈分別與15根撥彈軸上的撥彈輪碰撞產生碰撞力，發(fā)生14次在撥彈輪之間的交接。圖中可清晰的看到出現(xiàn)了若干次次峰值，每次交接進行的過程都是加速度先逐漸增大后又逐漸減小，然后進行下一次交接，重復這個過程。

圖10 1號彈在500發(fā)/min供彈速度下的加速度隨時間的變化曲線Fig.10Action curve of acceleration changed with time of ammunition 1 in 500 supplying velocity

為了方便更直觀的觀察每一發(fā)炮彈的加速度變化，在ADAMS后處理軟件中分別導出了每發(fā)炮彈在和方向的加速度變化值隨之間變化的數(shù)據(jù)，對每發(fā)炮彈在整個過程中的加速度值從大到小進行排序，取前15組數(shù)據(jù)并求平均值(圖11、圖12)。隨著炮彈編號的增加，炮彈的加速度值在方向整體呈一個臺階式的下降趨勢，1～13號彈的加速度值較大，炮彈的加速度值在方向由于重力的參與整體呈一個下降的趨勢。

圖11 不同編號炮彈X方向加速度前20組數(shù)據(jù)平均值曲線Fig.11 Action curves of the average X acceleration of the first 20 sets of date from every ammunition in different supplying velocity

圖12 不同編號炮彈Y方向加速度前20組數(shù)據(jù)平均值曲線Fig.12 Action curves of the average Y acceleration of the first 20 sets of date from every ammunition in different supplying velocity

在供彈速度提升到4 000發(fā)/min時，1號彈上的加速度平均值最大，提取此時1號彈的合加速度曲線(圖13)。1號彈加速度峰值的前3組分別是343.241 m/s、333.637 4 m/s、302.519 8 m/s。考慮計算中積分結果的偏差，炮彈在極限供彈速度下，炮彈的最大加速度值在350 m/s附近。

圖13 1號彈在供彈速度4 000發(fā)/min下的加速度隨時間變化曲線Fig.13 Action curve of acceleration changed with time of ammunition1 in 4 000 supplying velocity

由此可得出結論，在極限供彈速度下，為實現(xiàn)安全供彈，炮彈的藥筒、底火、引信的強度極限應不小于350 m/s。

4.2 撥彈軸受力分析

在500發(fā)/min供彈速度下，滿倉供彈14號軸受力變化曲線如圖14，在運動過程中炮彈會與軸不斷交接碰撞產生沖擊力，軸上的負載扭矩也隨之成比例變化。

圖14 號軸在供單速度500發(fā)/min時軸上所承受力隨時間的變化曲線Fig.14 Action curve of force changed with time of axle 14 in 500 supplying velocity

根據(jù)對炮彈速度的仿真結果，每次炮彈與撥彈軸上的撥彈輪交接時的速度也是不同的，軸上受力都是隨著每次交接過程的開始到結束，從一個較小的值逐漸增大，又逐漸減小，產生反復的波動。

計算結果中的數(shù)據(jù)過于冗長而不便觀察不同軸上受力的情況，圖像中突變的數(shù)值也不穩(wěn)定，因此同樣采用上文中使用的方法，對每根撥彈軸的計算結果從大到小排序，取前20組數(shù)據(jù)并取平均值見圖15。

圖15 不同編號軸在不同供彈速度下受力前20組數(shù)據(jù)的平均值曲線Fig.15 Action curves of the average force of the first 20 sets of date from every axle in different supplying velocity

當彈箱以500發(fā)/min供彈速度運行時，作為驅動軸的8號軸上的力較大，達到一個峰值，10、11、12號軸上的力最大。隨著供彈速度的增大，這3根軸上的力大幅度的增大，已經(jīng)遠遠超過了8號驅動軸以及其他軸上的力。這3根軸作為下回轉部分的中間軸，炮彈在11號軸前后相鄰位置發(fā)生交接時，由于重力與速度的影響，這3根軸上的撥彈輪需要將高速向下運動的炮彈撥動至向上運動，且隨著供彈速度的增大，這3根軸上所受的沖擊力會大幅度增加。

根據(jù)此分析結果來看，在后續(xù)的設計優(yōu)化中，根據(jù)8號驅動軸和10、11、12號軸的受力情況，應考慮降低軸的慣性力，從而降低速度及時序的控制難度。軸受力大易磨損從而降低使用壽命，在后續(xù)的故障檢測與日常維護中應重點關注。

5 結論

1) 4齒撥彈輪在應用于彈箱儲彈的情況下相對容彈量最大，交叉排列的布局方式明顯提升容彈量。

2) 通過動力學仿真軟件的計算驗證了彈箱設計合理，滿足設計要求，

3) 極限供彈速度下1號彈的加速度值最大，炮彈上藥筒、底火、引信的強度極限應不小于350 m/s。

4) 編號為8，10，11，12軸上的負載扭矩較大，易磨損，使用壽命降低，在后續(xù)的故障檢測與日常維護中應重點關注。