某自动补弹系统翻转机构的优化设计*

侯 健，杨 臻，原永亮

（1.海军工程大学，武汉 430033；2.中北大学机电工程学院，太原 030051）

某自动补弹系统翻转机构的优化设计*

侯 健1，杨 臻2，原永亮2

（1.海军工程大学，武汉 430033；2.中北大学机电工程学院，太原 030051）

根据自动补弹系统中翻转机构的功能和设计要求，设计了一种新型的翻转机构，使用ADAMS软件对其进行优化设计，得到相应的曲线和较为理想的结果参数。结果表明通过对翻转机构的优化设计，为自动补弹系统翻转机构的改进设计起到指导作用，该方法对自动补弹系统中其他机构的优化分析也具有一定参考价值。

补弹系统，翻转机构，优化设计，ADAMS

0 引言

海域战场是一个由多种设备和其他因素综合影响形成的环境复杂的战场。为了确保我国的海域安全，舰炮则是海军在海上与敌方进行作战必不可少的主战武器之一，尤其是舰炮的自动补弹系统的性能优劣将直接影响到战争的胜负。通过对自动补弹系统翻转机构的动力学分析和优化设计，进而将其性能发挥至最佳，最终使我国舰炮在海域战争中取得胜利。

随着计算机技术的快速发展，以及各种三维CAD建模软件和CAE软件功能的完善，给武器的研制带来了极大的方便。本文以某自动补弹系统的翻转机构为例，通过研究翻转机构工作原理以及结构特点，用现代的参数化设计方法对其进行了系统的创新和优化设计，从而使翻转机构的动力学性能［1］达到最佳。

利用Solid Works三维软件建模和ADAMS机械动力学仿真软件对自动补弹系统中翻转机构部分关键技术参数进行参数化设计，得到其对翻转机构工作可靠性的影响情况，并运用ADAMS参数化设计理念对翻转结构进行最终优化，得到最优技术参数值组合，为指导武器的改进工作提供技术支持［2］。

1 翻转机构的工作原理

某自动补弹系统翻转机构的工作原理如图1所示。

图1 翻转机构工作原理图

其主要由翻转架、翻转导轨和拨弹链组成。图1中：齿轮5和齿轮6啮合，实现动力的传递；8为弹箱出弹口，弹从弹箱中以与水平方向成30°的姿态出来，在入口拨弹链7的带动下，将弹拨入翻转机构；弹在翻转架2、限位板3和翻转导轨4的作用下，将翻转机构翻转60°，使弹在其出口呈水平状态；弹经过翻转机构，在出口拨弹链1的作用下，将弹拨入软导机构中，最终实现将弹传输至预定发射系统的位置。

考虑到弹箱的储弹量、弹箱的空间结构以及在大批量补弹等实际情况，本设计使弹与水平方向成30°方向从弹箱中出来并进入自动补弹系统。为了使弹能够顺利进入到水平的发射系统，因此，翻转机构作为补弹系统的中间环节，是连接弹从弹箱出来并送至到自动补弹系统的发射系统重要组成部分，有着举足轻重的作用。

2 翻转机构的参数化模型的建立

2.1 建立实体模型和参数化

考虑到翻转机构模型的复杂性，为了保证在模型的正确和建模的精度，本文使用Solid Works三维软件建模，并保存成Para solid（x_t）格式导入ADAMS2010中，完成实体模型的建立。

翻转机构中拨弹链与弹的接触面、弹与限位板的接触面以及翻转架的转速则是该翻转机构的关键点，利用ADAMS中参数化的工具，将上述的关键点参数化。

2.1 模型的简化和基本假设

弹在翻转机构中的受力和运动是非常复杂的，通过对模型的合理简化和正确的假设，这样不仅能将复杂的问题简单化，而且更能抓住翻转机构的本质，深入浅出的揭示这其中的规律［3］，因此，对该机构作出以下的假设：

（1）按照实际的翻转情况进行建模仿真，不考虑尺寸公差以及各种误差；

（2）除了弹的外壳能有微小的变形外（变形量△≤1 mm），其余的各零部件均作为刚体处理。

2.3 约束和驱动的添加

首先根据翻转机构在实际工况添加材料的材质和约束，拨弹链绕着链轮旋转，拨弹链与链轮添加接触，弹与拨弹、翻转架、限位板以及翻转导轨依次添加接触约束；以两个相啮合的齿轮作为动力源，然后按照实际情况对变量的参数进行设置，最后完成动力学仿真模型。如图2所示。

图2 ADAMS中翻转机构模型

3 确定参数化变量和优化目标

翻转机构中的构件均是刚性体，并且由运动副相连，弹在翻转机构中并不是平稳的和翻转架一起旋转，而是以微小的角度左右晃动着前进。为了使弹在翻转机构中运动的更加平稳，因此，需要对其结构进行优化设计。

3.1 确定设计变量

在对翻转机构模型进行参数化时，首先必须确定模型参数化的方式以及变量。在ADAMS/2010中共提供了4种方式，本文选用设计变量［4］的方法对要分析的变量进行参数化［2］。根据自动补弹系统的补弹要求，将上述参数做一系列等效处理和换算。设该舰炮的补弹要求为200发/分，翻转架一周拨8个弹，换算之后翻转架的转速为25 rad/min，同时为了便于分析，将转速作为翻转架驱动。

对翻转机构的分析可知，影响弹在翻转机构中平稳性的主要因素由翻转架的旋转速度和接触力刚度系数K等组成。设计变量参数设置如表1所示。

本文数据的单位制为：kg，N，mm，s［2］。

表1 设计变量设置表

3.2 优化目标的确定

弹在翻转机构中，弹与翻转机构的接触力以及弹沿着自动补弹系统的导轨前进的位移是评价弹的平稳性的主要指标。

本文采用ADAMS中Impact函数的接触力来计算，由于已经有了对模型的假设，所以可以忽略不考虑弹性波动和运动副之间的间隙。接触力的定义为：

其中：x为两个要接触物体的实际距离，单位是mm；dx/dt为两个物体的变化率，单位是mm/s；x1为两个物体要接触的初始距离，单位是mm；k为刚度系数，单位是N/mm；e为刚性力指数，无量纲；C为阻尼系数，单位是N·S/mm；d为阻尼率达到最大所要经过的距离，单位为mm［5］。当x＞x1，两个刚体不发生接触；当x＜x1，两个刚体发生接触，接触力为：

综合上述分析，选择弹与翻转架的接触力为优化目标。

4 仿真结果与分析

在参数化设计时，需要考虑一个设计参数变化对模型的影响、多个设计参数变化对模型的影响以及目标对象得到最优值时的参数组合对模型的影响。

转速对弹与翻转架接触力的影响如图3和表2所示。

图3 转速对弹与翻转架接触力的影响图

表2 转速对弹与翻转架接触力的影响表

由图3和表2可以看出，在翻转机构参数确定的情况下，由于弹在翻转过程中存在着摩擦以及翻转前拨弹口处存在有间隙，随着翻转架转速的逐渐增加，弹与翻转架的最大接触力随着增加，最小接触力随着减小。即随着转速的增加，弹在翻转机构中“左右摆动”的状态越明显，造成弹与翻转架时而接触时而分离的状态前进。由此可知，从减小接触力方面看，翻转架的转速越低对传输弹的平稳性越好。

转速对弹径向力的影响如图4和表3所示。

图4 转速对弹径向力的影响图

表3 转速对弹径向力的影响表

由图4和表3可以看出，在其他条件不变的情况下，在翻转机构中受到限位板对弹的最大径向力随着翻转架转速的增大而增大，最小径向力随着转速的减小而减小。即弹在翻转机构中随着转速的增大，“左右摆动”的状态较明显，弹与限位板的接触也是时而间断的。由此可见，合理控制转速则是保证弹传输平稳的一个重要因素。

转速对弹前进位移的影响如图5和表4所示。

图5 转速对弹前进位移的影响图

表4 转速对弹前进位移的影响表

由图5和表4可以看出，弹在翻转机构中，随着转速的增加，弹沿着目标方向上前进的位移越大。即从自动补弹系统弹的传输效率上看，转速的增大对效率有利的，但是对弹传输的平稳性则是一个不利的因素，因此，在确定翻转机构动力学参数时，需要综合考虑，最终得到最优的参数组合。

5 结论

翻转机构作为自动补弹系统中的中间环节，利用ADAMS软件中的参数化优化设计功能，通过对翻转机构的仿真分析，不仅避免了复杂数学模型的建立和推导计算，还准确得到了翻转机构的运动规律以及最佳参数组合。综合仿真结果可知，在翻转机构能满足自动补弹系统补弹要求的情况下，翻转架的转速越低则越有利弹传输的平稳。利用ADAMS的优化功能，不仅可以改善机构的性能，而且还大大缩短了研究周期，对优化改进其他机构研究具有普遍的意义。

［1］徐立峰，张雷.基于ADAMS的模切机双肘杆机构优化设计研究［J］.包装工程，2013，30（1）：75-78.

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［6］席晓燕.基于ADAMS的含间隙酒瓶装箱机构优化设计［J］.包装工程，2013，34（1）：69-74.

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Optimization Design for Turnover Mechanism of Shells Providing System

HOU Jian1，YANG Zhen2，YUAN Yong-liang2
（1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；
2.School of Mechanical and Electronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China）

According to the requirement of the function and design of turnover mechanism，a new type of reversing mechanism and optimal design of reversing mechanism is designed by using ADAMS software，obtaining the corresponding curve and the more ideal result parameter.Through optimized design of reversing mechanism，for makes up the ball system turn over organization the improvement to design the instruction function automatically，the method for optimization analysis of other institutions also has a certain reference value.

feed system，turnover mechanism，optimization design，ADAMS

TJ302

A

1002-0640（2015）04-0158-03

2014-01-15

2014-03-07

国防重点基金资助项目（112010304）

侯 健（1964- ），男，湖北浠水人，副教授。研究方向：舰炮工程设计研究。