某緊湊型彈倉動力學分析

2016-01-29 03:52:07周杰

機械制造與自動化 2015年4期

周杰

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

某緊湊型彈倉動力學分析

周杰

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

摘要：為了更加適應新環境下的現代化戰爭要求，大口徑火炮武器將來采用自動化裝填系統是大勢所趨。以某大口徑火炮的緊湊型彈倉為研究對象，以使彈倉更加緊湊，節省有限的火炮彈倉，傳動更加平穩等為目的，對其進行動力學分析。運用adams軟件進行動力學仿真，仿真結果由adams給出的二維圖展示。

關鍵詞：緊湊型彈倉；動力學分析；鏈傳動；平穩

Dynamic Analysis of Compact Magazine

ZHOU Jie

(School of Mechannical Engineering, Nanjing University of Science &Technology, Nanjing 210094,China)

Abstract:In order to adapt modern warfare to the new environment, the inevitable trend of its development is that the automatic loading system is used in the large caliber guns. This paper takes the compact magazine of a large caliber gun as study object. It aims at making the magazine more compact, saving the place of the limited gunmagazine and letting the transmission be more smooth. It also does the dynamic analysis and simulation of this gunmagazine, using the ADAMS software. The simulation results are showed in the two-dimensional map.

Keywords:compact magazine；dynamic analysis；chain drive；smooth

0引言

未來對軍事戰車的需求是，具有無與倫比的火力保護，集成到一個高流動性如坦克等戰車上。戰車要有較低的質量并減少車載人員。為了滿足這些需求，所有系統都必須緊湊，質量輕，能夠以最小的消耗空間被包裝在一個戰斗車輛內[1]。文中主要研究某緊湊型彈倉，將其簡化并對其進行動力學分析。

1緊湊型彈倉的結構分析

彈倉包括一個殼體，殼體包括一個卸彈端口和一個彈藥輸送機[2-3]。彈藥輸送機有一系列的彈筒，每個彈筒包括一對剛性的接合單元，每個彈筒宜于保留彈藥。這些彈筒通過內外鏈板相互連接可轉動，形成一個輸送機鏈，和被耦合到驅動鏈的輸送機鏈條沿蛇形路徑面對提取位置端口，進行卸彈[4-5]。另外，在按照上述目標，方案中提供了一種彈藥輸送機[6]，包括殼體，它具有一個彈藥端口和彈藥輸送機[7-8]。彈藥輸送包括由一個單一的運行在共同的垂直平面互連的單元輸送鏈(如圖1)。成員包括殼體指導彈筒在運送沿著蜿蜒的路徑，包括多個層次的水平運行，并連接180°和90°的旋轉。復數包含在輸送傳動系統驅動鏈輪，鏈條輸送指引單元提取面朝出口的位置，通過它指引卸下彈藥。為了分析簡化，彈鏈設計為一圈16個彈筒(已編1～16號)連在一起(如圖2)，不分析多層循環蛇形彈鏈連接。

圖1　緊湊型彈倉傳動示意圖

圖2　緊湊型彈倉簡化為一圈彈鏈圖

彈筒間具體連接方式爆破圖如圖3所示。由3個彈筒示意，3個彈筒由外鏈板，內鏈板相連，內外鏈板間用隔板隔開。彈筒上端套上滾子套，頂端加上頂蓋，頂蓋與彈倉內壁貼合，通過鏈輪撥動滾子套實現整個彈鏈的傳動。一個彈筒移動至下一個彈筒的距離為180mm。

1—彈筒；2—內鏈板；3—隔板；4—外連接器；5—滾子套；6—頂蓋圖3　彈筒連接方式

2緊湊型彈倉的動力學分析

緊湊型彈倉供彈機系統的動力學仿真是將彈倉的彈鏈模型輸入到虛擬仿真軟件Adams中，定義相應的約束，并且添加驅動，模擬實際的工作狀態，得到相應的數據來進行分析[9-11]。

2.1彈鏈拓撲學分析

如圖2所示有16個彈筒，8個外連接器，8個內鏈板，16個滾子套，所以在Admas里要定義32個轉動副，其中16個是彈筒和外鏈板間的轉動副，另16個是內鏈板與彈筒之間的轉動副，還要定義鏈輪和16個滾子套間的接觸。為了模擬方便，將彈筒和彈丸看作整體，相互之間的接觸力忽略不計。

2.2緊湊型彈倉的驅動

彈倉傳動中選用較為成熟的蝸輪蝸桿傳動，蝸輪與彈倉中鏈輪相連。電機的驅動力矩Td由實驗室獲得的電機機械特性給出，驅動系統包括2臺400W的電機，一對齒輪減速和一對蝸輪蝸桿減速組成，其驅動簡化原理圖如圖4。其中取蝸輪蝸桿的傳動效率是0.5，選取齒輪的傳動效率為0.95，滾輪和軌道的摩擦因數是0.1。電機不受反饋控制，電機輸入的轉矩是經過實驗測試以后的電機特性給出的，其特性見圖5。

圖4　緊湊型彈倉驅動原理簡化圖

圖5　電機轉矩特性

2.3緊湊型彈倉傳動鏈的仿真分析

緊湊型彈倉傳動鏈在傳動時，鏈輪與滾子之間一定會產生沖擊力，并且在不同工作狀態下其受力情況也不一樣。為了更好地對其進行動力學分析，分以下兩種情況分析計算：

a) 彈倉所有彈筒載滿彈；b)主動輪處載滿彈，而被動輪處不載彈。

空載情況對文中研究沒有太大參考價值，所以忽略。主動輪處不載彈，被動輪處載滿彈時與第二種情況相反，其不僅要克服彈倉的摩擦力與慣性力，還要克服彈丸的重力做的負工，所以這種情況是緊湊型彈倉最差的工作狀況之一，文中也未對這種情況作分析。

1) 彈倉所有彈筒載滿彈

如圖6中鏈輪扭矩大約在0.23s左右降為0N·mm，對應圖7中鏈輪角速度為145 °/s左右，這是因為由圖5的電機轉矩特性知，當電機轉速>145 °/s時，其扭矩為0。但當在0.51s～0.62s這一時間段時，圖7中鏈輪的扭矩出現了一個小波峰，這個波峰的值達到1.61e5N·mm。出現此波峰的原因是在0.51s時鏈輪與彈倉3上的滾子套發生接觸，產生沖擊力。此時鏈輪角速度也開始下降。

圖6　鏈輪扭矩

圖7　鏈輪角速度

接觸力是反映緊湊型彈倉傳動平穩性的重要指標之一。為此將計算緊湊型彈倉的鏈輪與已接觸滾子、將接觸滾子間的接觸力，提高這種緊湊型彈倉的傳動平穩性。主要分析鏈輪與已接觸的滾子套2還有將要接觸的滾子套3之間的接觸力。

如圖8中，緊湊型彈倉啟動之后鏈輪與滾子套之間的接觸力一開始為3942N，然后慢慢地下降，在0.23s左右降到1200N，在此情況波動。在0.51s突然躍升至3800N左右，然后又急劇下降至550N。在0.53s出現此波峰的原因是彈倉3進入與鏈輪的接觸，產生較大沖擊。圖9是鏈輪與滾子套3間的接觸力，就是滾子套3剛接觸鏈輪接觸的情況。也就是在0.52s時滾子套3與鏈輪產生接觸，波峰達到2750N，然后到達1300N左右波動。

圖8　鏈輪與滾子套2接觸力

圖9　鏈輪與滾子套3之間的接觸力

2)主動輪處載滿彈，而被動輪處不載彈

當緊湊型彈倉中主動輪處滿載而被動輪處空載時，彈丸的重力將會做正功，這樣對電機的驅動是有利的，鏈輪在工作時會轉的更快。

如圖10中在0.125s左右鏈輪扭矩降為0N·mm，之后一直為0N·mm，這是因為在0.125s時鏈輪角速度達到145°/s，而之后因為是主動輪滿載，被動輪空載，鏈輪做加速運動，其角速度一直>145°/s，所以轉矩在0.12s后一直為0N·mm。如圖11中鏈輪角速度在1.25s時達到145°/s，之后角速度一直>145°/s。出現兩次波動是鏈輪與彈筒3、彈筒4上的滾子套發生接觸，產生沖擊力，導致鏈輪速度降低，但并未降低到145°/s以下，故鏈輪扭矩一直為0N·mm。

圖10　鏈輪轉矩

圖11　鏈輪角速度

如圖12是鏈輪與彈筒2上滾子的接觸力，剛接觸時達到峰值3880N，之后緩慢下降，在0.14s左右到達1300N后左右波動。在0.41s左右彈筒3上滾子套與鏈輪發生接觸，接觸力突然上升達到3650N，之后下降波動直到降為0N·mm，但是在0.72s時彈倉4上滾子套與鏈輪發生接觸，其接觸力也瞬間上升至4400N。圖13是鏈輪與彈筒3上滾子套之間的接觸力，在0.41s開始發生接觸，其接觸力為2700N，之后當彈筒4上滾子套進入接觸時，彈筒3上滾子套受力達到峰值7650N。