弹链供弹机构对自动炮射速的影响研究

张金忠，刘晓峰，岳宇辰，谢 超

（1.陆军装甲兵学院，北京 100072；2.解放军69236部队，新疆 沙湾 832106）

0 引言

弹链在自动炮发射过程中的运动和受力非常复杂，一般情况下存在两类碰撞：一类是内碰即弹链节之间存在着相对运动而造成的碰撞；一类是外碰即弹链与导轨间的碰撞，两类碰撞都会消耗能量，对供弹阻力产生影响，并通过拨弹滑板传给自动机的基础构件（身管），对自动机的动作产生影响，从而影响自动炮的射速。笔者针对上述问题，利用多体动力学的相关知识，以采用炮身长后坐式自动机的自动炮为例，建立了自动炮的刚柔耦合动力学模型，研究了在一个射击循环过程中弹链供弹机构对自动炮射速的影响。

1 自动炮射速理论分析

炮身长后坐式自动炮是利用身管长行程后坐产生的能量来实现连发射击。自动炮在后坐过程中，身管作为基础构件，和炮闩首先克服复进簧的阻力，当后坐到一定距离的情况下，开始接触并压缩缓冲簧，克服两者阻力继续进行后坐。在复进过程中，身管和炮闩首先在缓冲簧力和复进簧力推动下开始复进，而后炮闩因碰撞自动阻铁而停止运动，炮身继续复进，复进到位时，自动阻铁解脱，致使炮闩在复进簧的作用下复进到初始位置，完成循环［1］。

在自动炮射击循环过程中，身管和闩体的后坐运动过程承受急剧变化的火药气体压力、缓冲簧力、复进簧力和供弹阻力，运动剧烈、时间较短，且身管的质量相对闩体较大，身管的加速度是影响后坐过程的主要因素，后坐运动时间约占整个循环时间的21%。自动炮身管受到缓冲簧力的作用而进行复进运动，但是由于身管要带动供弹机构供弹，供弹阻力会对身管的复进产生一定的影响，供弹阻力和缓冲簧力是影响身管复进的主要因素，身管复进的时间约占整个循环时间的41%。闩体受到复进簧的作用力而进行复进，闩体的质量相对较小，复进簧是影响闩体复进的主要因素，闩体复进的时间约占整个循环时间的38%。因此，供弹阻力在自动炮的后坐复进过程中，占有较大比重，会对自动炮的射速产生影响。

2 供弹阻力分析

弹链受到拨弹滑板的拉力作用依次拨弹来进行供弹，此时弹链就会对拨弹滑板产生反作用力，影响自动炮的正常运动。弹链在供弹过程中，弹带的运动十分复杂，很难对弹带的运动进行精确地分析，一般需要进行简化，简化后的模型如图1所示：

该弹带模型将弹丸和弹链节作为一个整体并视为刚体，并考虑弹链节之间的间隙，刚体之间用无质量的弹簧（代表弹链节的弹性）和阻尼器（弹链节与供弹机构的摩擦和撞击的能量损失）相连［2-3］。设弹簧的刚度系数用k表示，相邻弹链节之间的间隙用δ表示，弹链节之间的等效阻尼系数用c表示（由实验得到）。用广义坐标q0，q1，…，qn表示弹链节的水平位移，拨弹滑板的拨弹速度为v，如图2所示。则单个弹链节的运动微分方程为：

弹性力在间隙消除前等于零，在间隙消除后与相对位移成正比，则：

弹带在运动过程中与导引产生的摩擦力与弹链节的重力成正比，则有下式：

式中：f为摩擦系数。g为重力加速度，sgn（）为符号函数。

阻尼力与相对速度成正比，有：

在综合考虑弹链节和导轨的条件下，弹带系统的运动方程可以写成如下所示的矩阵表达式：

3 自动炮刚柔耦合模型的建立

3.1 基本假设

1）火炮身管视为柔性体，其他构件视为刚体；

2）忽略弹炮耦合等非线性因素的影响；

3）不考虑外界因素的影响。

3.2 身管有限元模型的建立

为准确分析火炮射速影响因素，需要建立准确的柔性身管模型。首先在SOLIDWORKS中准确建立自动炮身管的三维实体模型，考虑到划分网格的难易程度和计算量，忽略对身管影响很小的倒角、圆角等结构，将模型进行简化并导入到ANSYS Workbench中，并定义各部件弹性模量E=2e11 Pa，泊松比 σ=0.3，密度 ρ=7 850 kg/m3［4-5］。对自动炮身管采用扫掠法（Sweep）来划分网格，得到火炮身管有限元模型，如下页图3所示。

3.3 刚柔耦合模型的建立

将在SOLIDWORKS中建立的自动炮模型导入ADAMS中，并进行适当简化，添加相关约束，施加一定载荷，建立自动炮的多刚体动力学模型。而后将身管的有限元模型生成.mnf格式文件，导入ADAMS中，用来代替刚性身管，建立自动炮的刚柔耦合模型［6］，如图4所示，各部件的连接约束关系如图5所示。

3.4 刚柔耦合模型的验证

为检验模型的准确性和可行性，将建好的模型进行仿真得到的数据与试验数据进行对比，图6为部队反馈的数据与仿真数据的对比。从图中可以看到，模型仿真数据与实验数据吻合较好，可以用模型进行下一步的仿真测试。

4 动力学仿真分析

对自动炮在高低射角为0°，方位射角为0°，单发射击的条件下，进行仿真。得到在有无供弹阻力的身管运动情况如图7所示，闩体运动情况如图8所示。

从图7可以看出，供弹阻力在自动炮身管后坐过程中对身管的运动几乎没有影响，在身管从复进开始到结束整个过程中使身管的运动产生一定的滞后。从图8可以看出，供弹阻力在从闩体开始后坐到闩体复进碰到自动阻铁而停止运动期间对闩体的运动几乎没有影响，在从自动阻铁解脱到闩体复进结束过程中使闩体产生一定的滞后。由此可以得到自动炮在一个射击循环过程中供弹滑板的运动规律：在后坐过程中，身管抬起供弹滑板，阻力较小，在复进过程中身管带动供弹滑板下压，同时带动拨弹齿拨弹，阻力较大，身管复进时间增加，造成自动阻铁解脱的时间延长，使闩体产生一定的滞后。因此，对于炮身长后坐自动炮来说，供弹阻力是通过影响身管和闩体的复进来影响自动炮的射速的。从式（6）可以看出供弹阻力与弹带的刚度系数和阻尼系数有关系，随着刚度和阻尼系数的增加，供弹阻力会增大，会加剧对炮身复进的影响，从而影响自动炮的射速。

5 结论

本文在对弹链供弹系统的运动和受力分析的基础上，建立了自动炮的刚柔耦合动力学模型并基于试验进行验证，得到准确的仿真模型，分析了弹链供弹系统对自动炮射速的影响，结果表明弹带系统的刚度系数和阻尼系数会对供弹阻力产生影响，弹链供弹系统所产生的供弹阻力通过作用于拨弹滑板，从而影响自动炮的复进过程进而影响自动炮的射速。

参考文献：

［1］张相炎.火炮自动机设计［M］.北京：北京理工大学出版社，2010.

［2］杨军荣.弹链供弹阻力研究［J］.南京理工大学学报，1997，21（4）：352-355.

［3］王光建，姜铁牛.弹链系统间隙铰多体动力学模型仿真与试验［J］.机械工程学报，2008，44（5）：238-241.

［4］韩小平，赵富全，郝刚，等.基于虚拟样机技术的30 mm自动炮动态特性仿真研究［J］.火炮发射与控制学报，2012，33（3）：18-21.

［5］徐达，罗建华.刚柔耦合小口径自动炮发射过程动态特性仿真［J］.计算机仿真，2015，32（6）：23-25.

［6］陈峰华.ADAMS虚拟样机技术从入门到精髓［M］.北京：清华大学出版社，2013.