基于ADAMS某鏈式回轉彈倉的仿真分析

信義兵，高躍飛，徐鳳軍，劉海濤

（中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

鏈式回轉彈倉是火炮自動裝填的關鍵部件，其特點是結構緊湊、傳動效率高［1］，并具有良好的緩沖吸振能力，在火炮供彈裝置中應用較多［2］。在整個自動裝填過程中，彈倉主要負責將待發射彈丸傳送至一固定位置，再由推彈器把彈丸平穩地傳送到彈丸傳輸器的托彈裝置上［3］。但是由于鏈節為長節距設計，多邊形效應比較明顯，再加上彈倉內彈丸數量的變化，都會導致每個儲彈筒運動到推彈口的位置會有一定的偏差，這樣便對炮彈的輸送產生不良的影響。本文通過動力學仿真，得到彈鏈在傳送炮彈過程中的運動特性，從而為鏈式回轉彈倉結構的進一步修改與優化提供必要的參考。

1 鏈式回轉彈倉結構

鏈式回轉彈倉主要由主動鏈輪、從動鏈輪、儲彈筒、回轉彈鏈、導軌、滾動體組成，其結構如圖1所示。每個鏈節與儲彈筒固接，回轉彈鏈由12鏈節組成，即彈倉的彈容量為12發，12發炮彈貯存在儲彈筒內，儲彈筒與儲彈筒之間互相串聯成鏈，并由前、后限位器固定。每個鏈輪有5個齒，鏈輪每轉72°彈丸移動一個彈距。左邊為從動組合鏈輪，右邊為主動組合鏈輪。圖1中的位置1為推彈口，主動鏈輪通過聯軸器與減速器相連，動力來自于外置電機。當彈倉接收到控制系統的裝填指令時，電機通過減速器帶動鏈輪轉動，將裝載炮彈的儲彈筒傳送到該位置，等待推彈機將炮彈從彈倉中推出。

2 動力學模型

2.1 模型的簡化與建立

本文基于SolidWorks軟件建立了鏈式回轉彈倉的三維模型，然后將此三維模型導入到ADAMS中，對每個零件的基本特性進行定義，生成剛體。由于過多的實體在仿真過程中難以處理，因此對模型進行了如下簡化：

（1）合并構件，忽略一些小質量而非關鍵的零件。

（2）回轉彈倉的各組件均視為剛體，忽略柔性體對運動的影響。

（3）不考慮電機等一些傳動裝置對仿真的影響，而是將轉化后的加速度曲線直接施加到主動鏈輪上。

（4）考慮到彈倉載體角度變化的問題，將彈倉水平放置，并將彈倉殼體固定地面。

圖1 鏈式回轉彈倉結構示意圖

2.2 添加約束與碰撞接觸

首先將簡化后的彈倉裝配體導出Parasolid文件（.x＿t），然后將該文件導入ADAMS中；為了盡可能地模擬回轉彈倉的真實運動情況，需要根據實際情況對虛擬樣機模型中各構件之間的約束關系進行定義。主要約束如下：

（1）彈倉殼體與彈倉載體（本文假想為ground）之間采用固定副約束。

（2）在主動軸、從動軸與彈倉殼體之間添加轉動副約束。

（3）在主動鏈輪與主動軸之間、從動鏈輪與從動軸之間添加固定副約束。

（4）在導軌與彈倉殼體之間添加固定副約束。

（5）在儲彈筒與連接軸之間添加旋轉副約束。

（6）在滾動體與連接軸之間添加旋轉副約束。

（7）在彈倉的整個運動過程中，由于構件之間會有大量的碰撞和接觸，以此來傳遞力和能量，因此滾動體與主、從動鏈輪及導軌之間添加碰撞接觸，共96個接觸。本文采用沖擊函數法（Impact）來計算碰撞力，具體設置接觸剛度（Stiffness）k為5 000、指數（Force exponent）e為1.5、阻尼（Damping）為50、切入深度（Penetration Depth）為0.1。用Coulomb摩擦定律計算切向摩擦力Ff：

其中：Fn為接觸壓力；μ為摩擦因數，由下式確定：

其中：μs為靜摩擦因數；μd為動摩擦因系數；vs為靜滑移速度；vd為動滑移速度。

最終建立的鏈式回轉彈倉的動力學模型見圖2。

3 鏈式回轉彈倉的仿真與結果分析

3.1 仿真設置

在實際情況下，彈筒內彈丸數目的變化非常多，不可能一一給予列出［4］，為了更好地得到彈倉運動過程中的平穩性和準確性，分別對彈倉的滿載狀態和只有一發炮彈狀態進行仿真，仿真時間設置為1s，即計算彈丸轉動一個鏈距的時間。在主動軸的轉動副上添加motion，將其加速度函數定義為：

圖2 鏈式回轉彈倉動力學模型

3.2 仿真結果

通過對彈倉在滿載和僅有一發炮彈兩種工況下炮彈的傳輸過程進行仿真，得到自動彈倉的主、從動鏈輪轉動角度以及炮彈的縱、橫向位移，如圖3～圖7所示。

圖3 主、從動鏈輪轉過的角度

圖4 彈倉滿載時炮彈2質心橫向位移曲線

圖5 彈倉滿載時炮彈2質心縱向位移曲線

3.2.1 滿載狀態

從圖5可以看出，炮彈2質心在開始的一段時間會有明顯的上升，這是由于鏈輪的多邊形特征引起的，緊接著儲彈筒會和軌道發生碰撞，導致炮彈質心向下偏移一段距離，但當彈丸進入軌道后就會保持在上下0.15mm范圍以內振動，符合實際情況。

3.2.2 僅有一發彈狀態

從圖4、圖6可以看出，在彈倉滿載和僅一發炮彈兩種情況下炮彈分別橫向運動了139.2mm和138.6 mm，相對一個彈距誤差僅為0.8mm和1.4mm，即相對誤差分別為0.57%和1%，滿足傳輸要求，最大跳動量分別為1.78mm和1.76mm，傳輸過程較為平穩。

4 結語

為了分析自動彈倉的工作可靠性，本文運用多剛體動力學軟件ADAMS建立了彈倉的虛擬樣機，并對彈倉轉過一個彈距的過程進行動力學仿真，得到了彈倉運動的特性參數，結果顯示該彈倉傳輸誤差較小，縱向跳動較小，該彈倉結構設計合理，傳送平穩可靠。

圖6 彈倉僅有一發炮彈時炮彈2質心橫向位移曲線

圖7 彈倉僅有一發炮彈時炮彈2質心縱向位移曲線

［1］解鳳娟，何宗穎，駱小平，等.基于RecurDyn的鏈式回轉彈倉多邊形效應分析［J］.火炮發射與動力學報，2013（2）：27-29.

［2］彭青.某鏈式回轉彈倉的設計研究［D］.南京：南京理工大學，2012：2-7.

［3］候保林，馬建偉.鏈式自動化彈倉的最優保性能控制算法［J］.兵工學報，2009，30（9）：1164-1169.

［4］侯保林，樵軍謀，劉宗敏，等.火炮自動裝填［M］.北京：兵器工業出版社，2010.