大口徑艦炮供彈系統變幅同步擺機構分析

葉小紅，李少遠，姜貴林，王茂林，王洪光

哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001

射速是火炮系統的一個主要性能指標，而供彈速率在一定程度上限制了火炮的發射速率［1］。單發發射的時間主要包括擺臂下擺接彈上擺送彈時間、輸彈時間、關閂時間、瞄準時間、擊發時間、后坐回復時間，先瞄準后供彈的斜式供彈方式通過將瞄準時間與擺臂擺彈時間同時進行而節省了供彈時間，提高供彈速率［2］。這樣的斜式供彈方式為了保證擺臂確實上擺至發射角同軸線，引入了一個變幅同步問題，即隨著射角的變化，擺臂上擺擺角也將發生相應的變化以保證同軸輸彈供彈［3］。

現有的火炮系統多采用自動化的控制手段，雖然原理簡單，卻也存在液壓系統調整困難、不穩定，緩沖器(既要緩沖又要保證充分到位)不可靠，動力源難以統一等缺點［4］。但是機械式變幅同步擺機構是搖架與擺臂之間的一個機械裝置，用于實現搖架與擺臂的同步［5］，從而實現了射角與擺臂擺角同步的目的，不存在上面問題，運動可靠。

俄式76 mm艦炮的裝填擺是典型的機械式變幅同步擺，現以此擺為例進行同步擺運動分析，作為新同步擺設計分析的參考。

1 斜式裝填的射角與擺角關系

供彈方式中的斜式裝填是指在炮彈進入炮膛之前先行進行瞄準，調整搖架的俯仰角——射角，而后擺臂上擺至膛線位置并到位，所以為了在不同射角狀態下都能保證供彈到位，擺臂需要實時的變換擺角來適應不同的射角。于是在假定擺臂和搖架的初始位置分別是垂直位置和水平位置的條件下，擺角α和射角φ之間關系式［6］為:

圖1所示是艦炮供彈系統同步機構的擺角與射角的原理關系圖。射角φ定義為膛線與水平線的夾角，擺臂擺角α定義為膛線與鉛垂線的夾角。

圖1 同步機構的擺臂與射角關系圖

2 變幅同步擺機構的工作原理

變幅同步擺機構的原理圖如圖2所示，主要包括了兩部分:擺臂驅動傳動部分和搖架同步自適應部分。

搖架同步自適應部分主要包括了搖架上的曲線槽2，三角形杠桿12以及滑塊10，搖架以耳軸O1為轉動中心，三角形杠桿旋轉中心O2固定在炮架上。當搖架調整射角時，搖架以O1為中心轉動，三角形杠桿12通過連桿帶動滑塊10移動到位，變心D是隨著滑塊移動的。

圖2 變幅同步擺機構

擺臂驅動傳動部分是由曲柄7驅動，滑塊5的移動使滑槽連桿8沿著變心D發生移動和轉動，從而由后續的傳動機構帶動齒弧齒條機構，最終帶動擺臂轉動一定角度。于是可以通過精確計算曲線槽的形狀來控制滑塊10的移動，從而保證變心D的不同位置實現搖架1轉動一定的射角位置時，擺臂必定上擺到射角同軸線位置，實現同步［7］。

3 機構簡化與分析

為了方便分析，這里將完整的變幅同步擺機構模型進行分解和簡化，由動點D分開，拆成兩部分:擺臂驅動傳動部分和搖架自適應部分，分別對2個模型進行自由度計算和位置分析，并在最后將2個系統進行耦合，從而得到凸輪曲線槽曲線方程。

3.1 機構模型分解及自由度計算

3.1.1 機構模型分解與簡化

將圖2簡化拆成如圖3和圖4所示的2個機構，各含有一個驅動。圖3是擺臂驅動，由曲柄的轉動帶動終端齒條的移動(因為齒輪對整個機構的運動分析沒有影響，所以這里先將齒輪略去)，令D點固定;圖4是搖架驅動，搖架沿耳軸的轉動相當于是凸輪的轉動，帶動D點移動，此處D點為移動點。

圖3 擺臂驅動機構

圖4 搖架自適應機構

其中有3處固定軸線位置，齒條移動方向固定，AC方向固定，動點D的移動方向固定，且其位置關系設為已知［8］。

3.1.2 模型的自由度計算

平面機構自由度與機構中活動構件的數目、低副數目和高副數目有關，其計算公式如下:式中:n是機構中可動構件的數目，pl是低副數目，ph是高副數目［9］。

于是分別對圖2、3、4進行自由度計算，得:

顯然，分解前后機構都有確定的運動狀態。

3.2 機構初始位置分析

3.2.1 擺臂驅動機構初始位置分析

如圖3所示的實線部分和虛線部分分別是擺臂驅動機構的2個極限位置，其中實線位置時擺臂處于初始位置，當變換到虛線位置時，擺臂也由初始位置擺動到膛線位置。

為了保證不同的射角情況下，動點D的位置變化不會對擺臂機構初始位置產生影響，使擺臂每次都是從垂直位置上擺，本機構使連桿4的初始軸線位置與動點D的導軌方向重合，從而保證無論動點D怎么移動都不會影響到擺臂驅動機構［10］。

且在初始位置時，點C即是滑塊3的初始點，同時也是滑塊5的導軌軸線與滑塊3的導軌軸線的焦點，且當滑塊3處于C點時，點E、F、G實現3點共線。

3.2.2 擺臂驅動機構初始位置分析

如圖4所示，實線部分為搖架自適應機構，為了分析方便，只取其中連桿部分進行分析，初始位置時，射角為0°，動點D處于D0位置，當射角為 φ時，動點由D0移動到D。

3.3 機構位置分析

由于本機構的擺臂有7°的折角，所以需對擺角與射角的關系式(1)修改為

3.3.1 擺臂驅動機構的位置分析

如圖3所示的擺臂機構，已知各桿件的長度為li(i=1，2，4，5) 和 EF=b，導向 I、II和 III固定，并如圖建立坐 標系，則有 C( 0 ，0)、D( 0 ，yD) 、E( 0 ，l4)、F( b ，l4) 和 G( b +l5，l4)確定的位置關系，且根據齒條位移G1G與擺臂轉角α的關系式可有G1G=Rα，其中R是耳軸中心到齒條的垂直距離，由三角關系和坐標關系可有

于是ΔCC1D中，已知得到了

根據三角形正弦定理有

式(10)是經過常數簡化后的yD關于α的顯式表達式，并簡寫為yD=f( α)，方便后面的計算。

3.3.2 搖架自適應機構的位置分析

設圖4機構的初始位置已知，由圖建立坐標系，即已知 ∠HO2O=β ，∠IO2H，D( 0 ，yD) ，D0(0 ，yD)和O1( xO1，yO1)，并設∠H1O2H=θ，則有

由三角計算公式可得

由上式可以求得θ=β－2arctan A，其中A是關

用關于 yD的函數 g yD( )代替式(14)中的2arctan A－∠IO2H，從而將I1的坐標簡寫成于yD的函數。從而可以得到I1的坐標為

3.3.3 凸輪曲線槽分析

圖5中，曲線槽是固定在搖架上，當搖架以O1點為軸心轉動φ(即射角為φ)時，曲線槽也以O1點為軸心轉動φ，即曲線槽在固定坐標系C-xy中的位置也發生變化，而點I1在搖架上的位置和在固定坐標系中的位置均發生變化，為了得到曲線槽的各點在搖架上的對應位置，首先需求得當搖架處于初始位置時，長度 IO1關于射角 φ的坐標表達式以及∠I1O1O。

圖5 曲線槽形狀分析

結合等式(3)和(10)，得到yD關于φ的顯式表達式yD=(f 97°－φ )，并最終得到連桿端點I1關于α的坐標表達式為

設已知耳軸位置點O1的坐標為 ( xO1，yO1)，所以可以計算得 |I1O1|的長度如下:

簡化式(17)中的常數，并設ρ= | IO1|，則 ρ的表達式為

點I1和點 O1的連線 I1O1與水平線的夾角∠I1O1O可以在該兩點已知的狀態下求得如下:

簡化常數可得

由圖5可知，曲線槽相對于搖架的角度 φ=∠I1O1O－φ，則最終可得到曲線槽曲線的極軸坐標方程為

由上式可知，曲線槽的位置和形狀均由唯一參數射角φ確定，當φ取值－15°～85°時可得到一系列的連續點，從而得到了凸輪曲線，整個的變幅同步擺機構的設計與位置分析也完成了。

3.4 擺臂始末速度分析

擺臂的始端是一個曲柄滑塊機構，而對于曲柄滑塊機構的速度和加速度分析已經非常成熟，也直接引用現有的研究成果［11］。

從圖2中可知，本機構是一個正置曲柄滑塊機構，在假定曲柄輸入為恒定的情況下，假定曲柄與CC1逆時針角度為σ，可以視滑塊的近似速度為

式中:r為圖2中桿7的長度，λ是桿件7和6的長度比，可將滑塊的近似速度曲線繪制如圖6所示。

圖6 滑塊速度曲線

當σ∈0，π[)的過程中，曲柄從初始位置出發并達到極限位置，而該過程中滑塊的速度為由0變到vmax，再由vmax減小到0，從而保證擺臂在上擺送彈過程中速度沒有躍變，并在擺彈上擺到位時理論上沒有沖擊。當σ∈π，2π[)的過程中，曲柄從極限位置回到初始位置，該過程中滑塊的速度由0變到－vmax，再由vmax減小到0，即保證擺臂在下擺接彈過程中速度沒有躍變，從而實現擺臂起始提速和擺彈下擺到位時理論上沒有沖擊。而這是控制系統所不能完成的。

4 結論

通過對現有變幅同步擺機構進行位置分析和速度分析，找出重新設計適應新艦炮要求的新同步供彈機構的設計方法:1)擺臂驅動要滿足擺臂擺動到位是可靠且速度為零;2)其次射角的調整不會對擺臂機構產生影響;3)可通過凸輪杠桿機構或差動機構實現整個變幅同步擺機構的自適應。

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