液體氣壓式輸彈機故障仿真研究＊

張緒明 侯 健 可學為 張丁雄

（1．海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033）（2．海軍裝備技術研究所 北京 102442）

1 引言

輸彈機構的作用，是把處于輸彈起始位置的炮彈，沿輸彈線可靠地推入炮膛。氣體液壓式輸彈機構是中口徑高射炮和艦炮裝填自動化中不可缺少的機構之一，其性能的優劣直接影響火炮自動機理論射速的高低和可靠性的好壞［1］。

在武器裝備的研制生產過程中，虛擬樣機技術起著越來越重要的作用［2］。本文以虛擬樣機技術為技術手段，建立了氣體液壓式輸彈機的故障仿真模型，通過對輸彈機進行故障仿真研究，探討了故障因素對輸彈機性能的影響規律。

2 輸彈機構的動力學模型

2．1 輸彈機構工作過程

該輸彈機靠后坐儲能，后坐時，炮尾通過帶動儲能筒活塞桿后移，壓縮氣體儲能，后坐一定距離后輸彈機越過卡鎖機構，炮尾與儲能機構脫開，炮尾繼續后坐，而輸彈機則停留在待發狀態；需要輸彈時，聯鎖機構將輸彈拐伸出，解脫輸彈卡鎖后，儲能筒中的氣體膨脹，通過液體推動輸彈拐向前運動，把彈藥推送入膛。輸彈拐輸彈到位后，由閂體推動向上運動，從而縮回輸彈拐本體。

2．2 輸彈機力學模型

圖1 輸彈機儲能筒結構簡圖

圖1是輸彈機儲能筒的結構簡圖。其主要由輸彈活塞、輸彈桿、內筒和外筒構成。內筒內置一個輸彈活塞和一個輸彈桿，外筒則貯存有一定容積和壓力的氣體。

由于輸彈時間很短，可將這一過程視為絕熱過程，則有下式：

則任一輸彈位置儲能筒提供的輸彈力為

式中：p0和V0分別是輸彈機儲能筒初始狀態的氣體壓力和容積；p1和V1分別為某一輸彈時刻的氣體的壓力和容積；n為多變指數，一般1＜n＜1．4，此處取n＝1．3；A1為輸彈機活塞的有效面積；x為輸彈機活塞行程。

2．3 輸彈機聯合仿真模型

利用ADAMS和Simulink仿真平臺構建輸彈機虛擬樣機模型，其聯合仿真結構如圖2所示。

圖2 輸彈機聯合仿真結構

圖2中，x為活塞桿的位移，由ADAMS中的函數DM（p1，p2）輸出，表示p1、p2兩點間的距離，用于在Simulink中建立控制方程；FADAMS為輸彈機驅動力，通過函數Varval（FSimulink）將Simulink 中輸彈機驅動力FSimulink賦予FADAMS。

輸彈機的拓撲結構［3～4］如圖3所示。H1、H4為固定副，H2、H3、H7、H8、H9為平移副，H5和H6為旋轉副，H12和H13為齒輪副，H10、H11為非完整約束。

圖3 輸彈機拓撲結構圖

模型中通過定義碰撞進行非完整約束的定義。完成拓撲結構的定義后，ADAMS應用帶乘子的拉格朗日方法自動建立系統動力學方程并將碰撞以等效接觸力的形式引入方程，則輸彈機的動力學方程可表示為

式中：q為系統廣義坐標列陣；M、Φq和Q分別為系統的廣義質量矩陣、約束方程Φ（q，t）＝0的雅克比矩陣及廣義力陣；Fg為接觸力F相對于廣義坐標q的廣義里列陣，采用基于impact函數的實體碰撞接觸模型［5～8］計算。

3 模型驗證

對虛擬樣機模型的驗證一般從靜態和動態兩個方面［9～10］進行。

1）靜態校核：主要是從零件的幾何建模、部件的裝配進行核對，尤其是對模型從Pro／E 導入到ADAMS中后的各部件的位置關系、物理屬性等進行校核，結果表明與物理樣機具有很好的一致性。

2）動態校核：動態校核的目的是驗證輸彈機虛擬樣機的動作行為是否與物理樣機一致。本文選取炮彈強制輸彈末速度為校核參數，因為其大小直接決定著炮彈能否順利完成卡膛動作，是反映輸彈機輸彈性能的重要參數。

實驗結果與仿真結果匯總如表1所示。

表1 輸彈機強制輸彈炮彈末速度

從表1可以看出，輸彈機強制輸彈炮彈末速度仿真結果與實驗值能夠較好地吻合，說明輸彈機虛擬樣機模型在反映輸彈機輸彈性能方面有較高的可信度，仿真結果具有實際意義，可以作為對物理樣機性能評測、故障分析的有力工具和平臺。

4 故障仿真分析

由式（2）可知，初始氣壓及初始容積決定著輸彈力的大小，繼而影響強制輸彈時炮彈末速度的大小。下面以p0和V0為變量，通過仿真研究其對強制輸彈炮彈末速度的影響規律。

4．1 氣體初壓影響分析

以故障因素p0為變量，分別計算0°、30°、45°和60°時強制輸彈末速度，其結果如圖4所示。

從仿真結果可以看出：隨著氣體初壓的提高，輸彈末速度也隨之提高；隨著射角的增加，輸彈末速度減小，但與射角增加的幅度不成正比。為使強制輸彈末速度處于（5～7）m／s的范圍，則當初始容積不變時，氣體初壓需在1．2MPa～1．7MPa之間。

4．2 初始容積影響分析

以故障因素V0為變量，分別計算0°、30°、45°和60°時強制輸彈末速度，其結果如圖5所示。

圖4 輸彈末速度—氣體初壓關系曲線

圖5 輸彈末速度—初始容積關系曲線

由仿真結果可以得出：隨著初始容積的增加，輸彈末速度也隨之提高，但提高幅度隨初始容積的增加而減小；與初始壓力相比，其影響要遠小于初始壓強對強制輸彈末速度的影響。隨著射角的增加，輸彈末速度減小，但與射角增加的幅度不成正比。

5 結語

本文基于聯合仿真策略，利用ADAMS 和Simulink仿真平臺對輸彈機進行了動力學模型的構建和求解。并仿真分析了兩種故障因素：輸彈機儲能筒氣體初壓和初容積對輸彈性能的影響規律。仿真結果認為，氣體初壓對強制輸彈末速度由重大影響，需要嚴格控制。為輸彈機的勤務維修提供了參考，具有很強的指導意義。

［1］張相炎．火炮自動機設計［M］．北京：北京理工大學出版社，2001：216-222．

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