差动轮系在火炮补弹系统中的应用与分析*

杨 臻，原永亮，王圣辉，高骁波

（中北大学机电工程学院，太原 030051）

差动轮系在火炮补弹系统中的应用与分析*

杨 臻，原永亮，王圣辉，高骁波

（中北大学机电工程学院，太原 030051）

描述了某小口径火炮补弹系统的特点，设计了一种新型的差动轮系翻转机构。通过使用ADAMS机械系统动力学仿真软件建立动力学模型并仿真分析计算，得到翻转机构的动力学曲线和运动规律，仿真数据与理论计算数据相一致，结果表明ADAMS软件对复杂模型的仿真准确可靠，对以后的优化设计具有一定的参考价值。

补弹系统，差动轮系，翻转机构，ADAMS

0 引言

火炮是一种低空防卫武器，是现在和未来战争中重要武器之一，火炮性能的优劣将直接关系着陆军作战的胜负。因此，火炮的研究仍然是我国军工界研究的热点。

提高火炮发射速率是国内外火炮专家研究的重要课题［1］。目前我国的部分火炮发射速率普遍比较低，其中重要的原因就是我国火炮的补弹系统满足不了火炮高速发射的要求。通过对整个补弹系统分析可知，翻转机构对补弹系统的性能起着关键性的作用。本文主要通过对火炮自动补弹系统的翻转机构进行设计和分析，最终得到能够满足快速补弹、快速发射等特点的翻转机构。

本文主要利用差动轮系来实现翻转机构快速补弹的特点。根据轮系运转时各齿轮轴线的相对位置是否固定，可分为定轴轮系、周转轮系和复合轮系。周转轮系根据所具有的自由度的不同，可分为差动轮系和行星轮系［2］。差动轮系由行星轮、中心轮和行星架组成，其自由度为2，即该轮系的传动必须有两个相互独立的运动。本文介绍一种在翻转机构中简便易行的结构，最终实现快速补弹、提高射速的功能。差动轮系在本设计中具有以下特点：

（1）差动轮系体积小，传动比范围大，组成差动轮系的零部件简单、常用，不需特制；

（2）可以利用差动轮系既自转又公转的特性来满足本设计的要求；

（3）可以通过控制差动轮系的转速差和传动比来控制装在差动轮系上机构旋转的角度。

图1 差动轮系的简图

1 差动轮系的理论基础

根据机械原理轮系中的知识可知，在差动轮系中，由于有两个自由度，即对行星轮而言，既有自转又有公转，所以在计算该轮系时，不能直接利用定轴轮系的知识计算，需要用转化轮系的思路来计算。

差动轮系中的行星轮既有自转又有公转，归根结底的原因是轮系中有一个转动的行星架。如果能够设法使行星架固定不动，那么差动轮系就可以转化成一个定轴轮系了［2］。因此，假设给予差动轮系整体一个角速度（-ωH），根据力学中相对原理可知，原来的构件的运动关系并没有发生变化，只是此时行星架的角速度变为：ωHH=ωH-ωH=0［2］，然后再利用定轴轮系的知识进行相关计算。

2 翻转机构的原理及特点

2.1 工作原理

在自动补弹系统中，弹从弹箱中出来，在拨弹齿的拨动下，弹沿着导轨在水平方向上运动，最终需要将弹由弹箱输送至火炮发射系统位置。为了满足这一需求，在水平导轨和软导之间需要设计一个翻转机构。翻转机构的功能就是将弹由原来的水平轨道传输至软导中。由于空间位置的限制，需要保证弹在翻转机构前后传送方向的一致性。本文利用轮系来实现翻转的功能，翻转机构需要连续的运转。在翻转的过程中，必须保证弹的平稳、安全、可靠。

2.2 设计难点

为了满足以上的要求，在直线导轨与软导之间需要设计一个90°的翻转机构是必不可少的。由于受到工作速度的影响，因此，翻转机构需要结构简单、维修方便，要实现以上要求，该翻转机构有以下几项设计难点：

（1）差动轮系在该工作过程中，翻转弹的速度高，可用空间小，故结构和尺寸受到很大的限制；

（2）弹在经过翻转机构的前后传输的方向不变；

（3）弹经过翻转机构后必须准确可靠地实现与软导及等其他机构的对接。

翻转机构在总体中的布局如图2所示：

图2 翻转机构在总体结构中的布局

3 翻转机构的设计与计算

弹在经过翻转机构后需要由竖直方向翻转90°变成水平位置，由于翻转的空间轨迹复杂，所以设计该翻转机构有很大难度。考虑到弹传输方向一致性，为了能实现以上所述动作，本机构最终决定采用在差动轮系上装夹拨弹齿来实现。由于弹需要翻转90°，为了能够实现连续补弹，因此，本设计采用在行星架转动平面同一圆周均布4个装有拨弹齿的双联齿轮组成的差动轮系机构。

3.1 差动轮系的设计

由于拨弹齿安装在翻转机构上，拨弹齿相对地面而言需要具有两个自由度。为了保证拨弹齿在拨动弹的过程中不与其他机构发生干涉，因此，拨弹齿在拨动弹的同时，还需要自转。差动轮系的结构布局如图3所示：

图3 差动轮系的结构

3.2 差动轮系的计算

在本机构中，主要用到齿轮的主要参数如下：

表1 差动轮系齿轮主要参数

结合设计要求，本设计中：

根据机械原理知识可知，其转化轮系的传动比计算的公式为［3］：

在使用上述公式时，还应该注意以下几点：

（1）周转轮系中的两个中心轮的轴线应该与行星架轴线平行；

（2）iH1K是转化轮系中中心轮1是主动轮，轮K是从动时的传动比；

（3）ω1、ωK和ωH真实的角速度。

由上述公式可以计算出本机构的传动比，其传动比为：

实现以上的公转和自转，转速n3需要满足：

经过以上计算，n3=25 r/min，“+”表示n1、n3两个转速方向相同。

综上计算，该机构的两个动力源的转速分别是n1=50 r/min，n3=25 r/min。

4 ADAMS动力学仿真

为了进一步掌握差动轮系中的各个齿轮以及拨弹齿与弹接触力的情况，本文采用ADAMS软件对该机构进行动力学仿真，并对差动轮系中的齿轮进行实时的动态分析。

4.1 ADAMS模型的导入

把Solid works建好的三维模型保存成Parasolid格式，然后导入到ADAMS/View仿真软件。按照差动轮系实际的啮合情况进行添加材质约束，最后完成动力学仿真模型。

4.2 仿真分析

完成上述仿真模型后，准确的计算出齿轮的啮合线，由于差动轮系有两个自由度，所以需要添加两个动力源，具体数值如表2所示。

本文中采用在行星架转动平面同一圆周均布4个装有拨弹齿的双联齿轮组成的差动轮系机构，目的是为了满足每分钟内翻转机构翻转200个90°的弹。弹的位移大小以及拨弹齿与弹的接触力大小则是评价本机构性能优劣的一个重要标志。使用ADAMS动力学仿真软件进行仿真分析，进而验证机构的可行性。弹的位移曲线以及拨弹齿与弹的接触力曲线如图4和图5所示：

表2 动力源参数

图4 弹的位移曲线

图5 拨弹齿与弹接触力曲线

通过使用ADAMS软件对翻转机构模型动力学分析，由上图显然可知：弹在被输送的过程中，由于拨弹齿绕着翻转机构中心的自转和公转，弹的位移曲线呈现波浪形。拨弹齿与弹刚接触时，接触力较大。在弹被传输的过程中，拨弹齿与弹的接触力在80 N左右波动。齿轮在这期间是平稳的传动，没有大幅度的跳动，能满足该翻转机构的设计要求。

5 结束语

在实际工程中，成熟的设备和机构常常是需要在一个反复设计、试验中取得的，这样带来更多的则是人力和财力的投入，并且最后还不一定能得到预期的效果［4］。经过使用solid works三维软件建模和ADAMS软件对差动轮系仿真，不仅可以形象地得到差动轮系的运动规律和拨弹齿与弹的接触力，还可以对差动轮系组成的翻转机构进行全面、实时的动态分析，进一步揭示差动轮系在翻转机构中的特性和优点，为以后的改进优化设计具有一定的参考价值。

［1］王钢，王立权，孟祥伟，等.某火炮供弹系统的设计研究［J］.兵工学报，2009，32（5）:518-524.

［2］彭文生，李志明，黄华梁.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］李瑞琴.机械原理［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［4］田会方，林喜镇，赵恒.基于Pro/E和ADAMS齿轮啮合的动力学仿真［J］.机械传动，2006，30（6）:66-69.

［5］李绍青.差动轮系指南车的设计与分析［J］.机械传动，2012，36（6）:44-46.

［6］董方元.双35高炮供弹机故障树分析［J］.四川兵工学报，2003，24（4）:18-21.

［7］张增太，房景仕.某雷达天线举升翻转机构的设计［J］.雷达科学与技术，2009，4（8）:312-315.

［8］王钢，富威，宗红霞，等.某火炮供弹系统的模块化设计研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2008，29（9）:978-984.

［9］王成，方宗德.2K—H型差动轮系传动效率简化计算的研究［J］.北京联合大学学报:自然科学版，2007，21（2）: 23-26.

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Application and Analysis of Differential Gear Train in the Artillery Shells Complement System

YANG Zhen，YUAN Yong-liang，WANG Sheng-hui，GAO Xiao-bo
（School of Mechanical and Electronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

This article describes the characteristics of a small caliber artillery shells complement system，and a new type of differential gear trains revering mechanism.Using simulation software of ADAMS mechanical system dynamics astablish the dynamics model and simulation analysis and calculation are parformed dynamic curves and the law of motion are obtained，and simulation data with the theoretical calculated data in a consistent and the results show that ADAMS software to complex models of emulation is accurate and reliable，and guaranteed further has the certain reference value.

feed system，differential gear train，turnover mechanism，ADAMS

TH112.3

A

1002-0640（2015）03-0064-03

2014-01-11

2014-03-17

国家重点基金资助项目（XXXXX无链补弹技术研究，112010304）

杨 臻（1965- ），男，四川峨眉山人，博士后，教授，硕士生导师。研究方向：兵器发射理论与技术。