一种导气式旋转药室自动机曲线槽设计

谭 庆，李 强，李世康，安俊斌

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

一种导气式旋转药室自动机曲线槽设计

谭 庆，李 强，李世康，安俊斌

(中北大学 机电工程学院，山西 太原030051)

为实现旋转药室可靠闭气，平稳、快速开锁和闭锁的目标，设计了一种新型的导气式旋转药室自动机结构，使用微分方法对开闭锁曲线槽进行了设计。应用ADAMS动力学仿真软件对该自动机结构进行了动力学特性分析，机构运动平稳，动作可靠，一个自动循环用时0.33s。仿真结果表明该自动机在原理上是可行的，具有一定的参考价值。

旋转药室；曲线槽；微积分；ADAMS

旋转药室技术是埋头弹药发射系统的三大关键技术之一[1]。旋转药室按其旋转动作可分为竖直旋转和水平旋转两种类型。竖直旋转药室在进行俯仰射击供弹时需将炮身复位到一个固定角度方能进行供弹[2]，会使得射频降低，与此同时，竖直旋转药室结构多用于发射可燃和半可燃药筒的弹药，闭气结构复杂，所以常见的布置方式是水平旋转药室机构。英国和法国共同研发的CT2000式40mm CTWS埋头弹发射系统旋转药室的旋转是在水平方向，依靠电机驱动完成。刘建斌等[3]提出了一种管退式的埋头弹火炮结构，为确保火炮的射击稳定性设计了专门的后坐补偿机构。韩铁等[4]提出了一种楔形闭锁的导气式旋转药室结构。笔者在前人研究的基础上，提出了一种新的导气式旋转药室自动机结构。

1 工作原理

导气式旋转药室火炮自动机结构如图1所示。发射药被点燃后，弹丸在火药气体的作用下沿膛运动。当弹丸经过导气孔后，部分火药气体进入导气管内，推动导气活塞杆和小滑板后坐9mm(药室曲线槽直线段，药室不发生旋转)，插销在小滑板的曲线槽内运动，插销从药室座的定位孔1中拔出后插入定位孔2。导气活塞杆继续后坐19mm，撞击旋转臂，旋转臂撞击药室座上的凸起，药室座和药室开始一起后坐12.5mm并压缩药室座复位簧。导气活塞杆继续后坐进入药室曲线槽曲线段，推动药室顺时针旋转90°完成开锁。

自动装弹完成后，小滑板和导气活塞杆在滑板复位簧的作用下开始复位，药室旋转到位后，药室和药室座在药室座复位簧的作用下向前复位，埋头弹药药筒进入身管约7.8mm，与此同时，插销在小滑板曲线槽内沿曲线槽运动，由定位孔2拔出并插入定位孔1。至此，闭锁动作完成，击发后，高压火药燃气会使药筒前段变形并贴近身管壁，防止火药气体从身管与药室之间的缝隙泄露[5-6]。

2 曲线槽数学模型的建立

曲线槽是旋转药室火炮自动机的重要结构，对机构运动的平稳性和可靠性起着决定性作用。为了使火药气体尽快传递到导气活塞杆上，将导气活塞杆轴线布置在身管轴线和药室旋转中心构成的平面上。如图2所示，取旋转药室中心为圆心，身管轴线为x轴，且身管口部方向为x轴正向。为了使导气活塞杆作用在药室上的有效推力最大，随着药室的旋转，在曲线与x轴的交点处，曲线的切线与x轴的夹角θ应尽量为在35°～55°之间的一个固定值。曲线求取原理如图3所示，将曲线等分成长度为ΔC的微小线段进行求解。选择微分曲线而不是微分旋转药室转动角度的原因是，距离圆心不同距离，相同转角对应的弧长会有较大差异，在离圆心较远处，求解出的曲线误差较大。

先以x轴上一点A0为起点，作一条与x轴夹角为θ，长度为ΔC的线段A0A1，A0距圆心的距离为a0，A1距圆心的距离为a1，∠A0OA1=β1。旋转药室绕圆心O点转动角度β1后，OA1与x轴共线，此时，以A1为起点，作另一条长度为ΔC，与线段OA1夹角为θ的线段A1A2，OA2长度为a2，∠A0OA2=β2。如此重复，旋转药室绕圆心转动角度βi后，就以Ai为起点作长度为ΔC，与线段OAi夹角为θ的线段AiAi+1。当ΔC趋于无限小时，由点Ai拟合得到的曲线是一条转动任意角度，在与x轴形成的交点处的切线均与x轴成固定角度θ的曲线，此曲线即是所求。公式(1)、(2)给出了点Ai的极坐标表达式，ai为半径坐标，βi为角坐标。

(1)

(2)

旋转药室受力分析如图4所示，药室在旋转中心的力假设为FOx和FOy；导气活塞杆施加的力分别为F和滑动摩擦力f，将F沿曲线切线和法向方向进行分解为Fτ和Fn，则使药室转动的力矩M满足式(3)的关系。令M′等于0，即可求解出使得M取得最大值时的θ角。

(3)

M取得最大值的θ角是与动摩擦因数μ息息相关的，图5给出了不同摩擦因数单位旋转力矩与θ角的关系，动摩擦系数等于0.05、0.06、0.07、0.08、0.09和0.10对应的最优θ角分别为43.6°、43.3°、43.0°、42.7°、42.4°和42.1°。

为了减小摩擦，驱动药室旋转的导气活塞杆上加有滚轮，并加以润滑，因此取摩擦系数为0.05，则使M取得最大值，θ的最优解为43.6°。取a0=150、ΔC=0.1mm，则曲线槽曲线段方程为

y=-2×10-11x6+9×10-9x5-2×10-6x4+

0.0002x3-0.0195x2+0.9407x+29.035

(4)

图6为药室模型的俯视图，为了保证旋转过程中自动机不会因质量偏心而发生摆动，在对称位置加工了两处曲线槽。为满足闭气要求，在曲线槽起始处增加了一段长度为16.5mm的直线段。

3 多刚体动力学仿真分析

应用ADAMS软件对旋转药室火炮自动机进行动力学仿真。弹簧采用ADAMS自带弹簧，动力学模型如图7所示。

导气活塞杆上施加的力为弹丸经过导气孔位置后的膛压与导气孔截面积的乘积，某埋头弹药火炮内弹道时期膛压-时间曲线如图8所示。

旋转药室火炮自动机的主要动作包括：药室座和药室后坐(如图9所示)，药室旋转开锁(如图10所示)，供弹，药室旋转闭锁，药室座和药室复进回位共4个动作。

药室座和药室是旋转药室的最重要零部件。药室座的速度、加速度与时间的关系如图11、12所示。

从图11、12可以看出，药室座撞击到机框后会有少量的回弹，这是由于插销端面导引部有8°的锥角，当插销由定位孔1拔出插入定位孔2时，会形成一个短暂的间隙，而此时，药室座与机框发生了碰撞，机框就会有少量的回弹。该动作不会对后续的药室旋转造成扰动。

药室的角速度和角加速度与时间的关系如图13、14所示。

从图13、14可以看出，药室运动段主要在0.3s前，在0～0.125s为开锁段，药室角速度迅速由0(°)/s升到1000(°)/s，在受到复位簧的阻力后开始逐渐减小。0.125～0.30s为闭锁段，导气活塞杆到达曲线槽曲线段顶点后在复位簧的作用下开始复位，药室角速度急剧减小，并开始反向加速，在惯性的作用下，角速度越来越大，直至进入曲线槽直线段，角速度迅速衰减至0(°)/s。

4 结束语

笔者在前人关于埋头弹药火炮自动机的研究基础上，提出了一种新型的埋头弹药火炮旋转药室自动机结构，并对开闭锁曲线槽进行了详细设计。应用ADAMS动力学仿真软件进行仿真，证明该机构在原理上是可行的，避免了机构的大位移动作，一个自动循环用时0.33s，满足射频要求，机构运动平稳，可靠。此设计为后续导气式旋转药室自动机的研究奠定了基础，具有一定的参考价值。

References)

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[3] 刘建斌,梁世瑞,黄强. 新型埋头弹火炮[J]. 火炮发射与控制学报,2004(1):58-61. LIU Jianbin, LIANG Shirui, HUANG Qiang. A new type of CTA gun[J]. Journal of Gun Launch & Control,2004(1):58-61. (in Chinese)

[4] 韩铁，袁志华，陈强，等. 导气式旋转药室结构研究[J]. 火炮发射与控制学报,2014,35(4):87-90，95. HAN Tie, YUAN Zhihua, CHEN Qiang, et al. Research on structure of gas operated rotating chamber[J]. Journal of Gun Launch & Control,2014,35(4):87-90，95. ( in Chinese)

[5] 赵瑞学，钱林方，陈龙淼，等. 某旋转药室火炮卡弹机构弹簧优化设计[J]. 南京理工大学学报：自然科学版，2010,34(6):775-780. ZHAO Ruixue, QIAN Linfang, CHEN Longmiao, et al. Optimization design for catridge tetaining mechanism springs of gun with rotating chamber[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology:Natural Scie-nce,2010,34(6):775-780. (in Chinese)

[6] 张浩,周彦煌,林君毅. 埋头弹火炮活动药室的组合自紧密封设计[J]. 火炮发射与控制学报,2005(1):38-42. ZHANG Hao, ZHOU Yanhuang, LIN Junyi. Self impac-ted combined seal design about the removable champer of CTA[J]. Journal of Gun Launch & Control,2005(1):38-42. ( in Chinese)

CamSlotDesignofaNewGasOperationRotatingChamberAutomata

TAN Qing，LI Qiang，LI Shikang，AN Junbin

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan030051，Shanxi，China)

For the purposes of securing safe breath suspending of the cased telescoped ammunition gun rotating chamber as well as the rapid and smooth unlocking and locking mechanism work, a new gas operation rotating chamber automata was designed, with the cam slot couple used to unlocking and locking designed through the differential method. The dynamics characteristics of the mechanism were analyzed with ADAMS dynamics simulation software. The results show that actions are stable and reliable with one cycle taking0.33s. The automatic mechanism is feasible in principle and has a certain reference value.

rotating chamber; cam slot couple; differential; ADAMS

TJ10

： A

：1673-6524(2017)03-0042-05

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.009

2016-11-21

国家自然科学基金(51175481)

谭庆(1992—)，男，硕士研究生，主要从事武器结构设计与发射动力学仿真技术研究。E-mail：tanying248@163.com