拨弹轮转速匹配对射速的影响分析

曹广群，曾志银，王建中，夏吉龙，宁变芳

( 1.北京理工大学，北京 100081；2.中北大学, 山西 太原 030051；3.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099； 4.中国机械装备研究院，北京 100089)

随着高速、超高速空中来袭目标的出现，现代战争对防空高炮射速的要求也越来越高,未来以反“三弹”等高速(超声速)小目标为主[1]。所有高炮自动武器均需提高理论射速以增强作战效能[2]，来满足未来低空防空的需求。为了满足该需求，某高炮在原有供弹系统的基础上增加了辅助拨弹机构来克服拖弹造成的过大弹带阻力，这样不仅可以提高射速，而且能够延长后坐时间，减小自动机零部件的受力，延长其使用寿命。

拨弹轮、辅助拨弹轮按照理论设计有利于提高射速，但在工程实践中发现增加了辅助拨弹机构后，实际射速没有达到预期值。为了寻找实际射速偏低的原因，采用理论计算与试验相结合的方法对某高炮自动机供弹系统进行了分析。

1 射击过程中拨弹轮受力分析

某高炮采用了弹带供弹。供弹过程中，弹带受弹带阻力和3个拨弹轮提供的动力的作用。射击过程中，弹带首先经扬弹机的主拨弹轮扬弹，然后在辅助拨弹轮的牵引下先后经过柔性导引和刚性导引到达拨弹轮，最后由拨弹轮将炮弹送入进弹口。在自动机射击期间，主拨弹轮、辅拨弹轮分别由两个液压马达驱动，拨弹轮的转速由自动机基础构件通过联动机构控制。扬弹机的主拨弹轮始终处于涌弹状态，因此自动机的实际射速主要取决于拨弹轮和辅助拨弹轮的转速匹配是否合理。当辅助拨弹轮与拨弹轮转速匹配合理时，在辅助拨弹轮驱动力作用下供弹处于涌弹状态，有利于射速的提高。否则，会导致射速的降低。

1.1 弹带阻力Fdz

射击时，弹带运动对自动机运动产生阻力，此阻力直接作用在拨弹轮上，并传给自动机基础构件，此阻力很大，影响基础构件的运动速度和自动机循环时间。弹带运动非常复杂，很难精确计算只能采用简化原理近似计算[3-4]。根据供弹系统实际结构，弹带阻力计算模型简化为图1。

在不考虑弹带主动端反射波前提下，弹带阻力Fdz的简化计算公式[4-5]为：

fsinα)

(1)

式中：K为一个链节的刚度(由试验测定)；m为一发炮弹和一节链节的质量；Rc为弹轴到拨弹轮轴线之距离；ω为拨弹轮的角速度；n1为平置部分的炮弹数量；n2为悬挂部分的炮弹数；g为当地重力加速度；α为弹带与水平面之间的夹角；f为弹带与导引之间的摩擦因数。

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1.2 作用于辅助拨弹轮的主动力

根据自动机的特性分析，设计辅助拨弹轮拨弹速率为1 300～1 400发/分。辅助拨弹轮液压马达与辅助拨弹轮的增速比为λ1。

辅助拨弹轮液压马达所能提供的扭矩[6]为:

(2)

式中：Δp为液压马达进出口压差；M为液压马达实际输出转矩；V为液压马达排量；ηm为液压马达的机械效率，ηm=0.95。

作用于辅助拨弹轮上的扭矩M′为：

(3)

辅助拨弹轮弹轴中心到轴线距离为RF，代入参数得作用于炮弹轴线上的拨弹力为：

(4)

在首发射击前，辅助拨弹轮要先于自动机启动，拖动弹带运动，使拨弹轮与辅助拨弹轮之间的炮弹(约5发弹)处于涌弹状态，因此辅助拨弹轮拨弹力需克服此时的弹带阻力。该状态时速度为零，由式(1)得弹带阻力为：

Fdz=n2mg(cosα+fsinα)=392.8 N

Fdz

可见辅助拨弹轮能满足工作要求。

在连续射击过程中，弹带阻力的计算需要拨弹轮的角速度，因此需要对拨弹轮及辅助拨弹轮转角进行测试。

2 拨弹轮、辅助拨弹轮转角测试

采用角位移传感器测试了拨弹轮和辅助拨弹轮转角位移。

2.1 测试结果

2.2 测试结果处理及分析

由于试验测试采用的是角位移传感器，只能直接测试到拨弹轮和辅助拨弹轮的角位移，为了获得拨弹轮和辅助拨弹轮的转速，进而获得两弹窝中心线速度，对实测的角位移进行了滤波、微分等处理。同时，考虑到拨弹轮和辅助拨弹轮(见图1)，两者的转轴距各自的弹窝中心距离不同(相同角速度时其弹窝中心线速度不同)，因此，在得到两者各自的角速度后，根据拨弹轮半径和辅助拨弹轮半径，将其各自角速度转化为各自弹窝中心的线速度，数据处理结果见图2～图5和表1～表2。第2次试验曲线见图2～图3，其中图2为拨弹轮及辅助拨弹轮角位移曲线、图3为拨弹轮及辅助拨弹轮弹窝中心线速度曲线。第3次试验曲线见图4～图5，图4为拨弹轮及辅助拨弹轮角位移曲线、图5为拨弹轮与辅助拨弹轮弹窝中心线速度对比曲线。通过滤波处理，在获得拨弹轮和辅助拨弹轮角速度后通过对角速度微分，得到相应的角加速度值。

表1 第1次拨弹轮和辅助拨弹轮角加速度、弹窝中心线速度

导致射速偏低的原因有多个，对于某高炮自动机射速偏低主要原因：一是拖弹阻力过大影响了基础构件的运动；二是因为拨弹轮与辅助拨弹轮转速匹配不合适。为此，对第1次的测试结果进行了分析计算。

由式(1)可见，当拨弹轮角速度最大时弹带阻力为最大：

Fdzlmax=5 072.6 N

射击时，拨弹轮提供的动力来源于火药气体，直接计算比较困难，可间接通过惯性力计算得出，该力分为转动惯量引起的惯性力和平动引起的惯性力两部分。计算公式如下：

(5)

通过计算，得出拨弹轮的动力为：Fbd1=5 429.7 N,可见Fbd1>Fbd1max。

计算结果说明：在正常工作情况下，拨弹轮、辅助拨弹轮作用于炮弹上的拨弹力能够克服根据实测数据计算出的最大弹带阻力，足以拖动长度30发弹带的及时运动。通过受力分析可以排除因拨弹而增加自动机的负载导致射速降低的可能性。

根据该高炮自动机工作特点，供弹过程中当辅助拨弹轮与拨弹轮之间处于涌弹状态时，辅助拨弹轮才会对拨弹轮提供助力，有利于提高射速。相反，则会对拨弹轮造成附加阻力，降低自动机射速。第1次29连发试验测试结果中，辅助拨弹轮全部低于拨弹轮弹窝中心线速度峰值，辅助拨弹轮与拨弹轮弹窝中心线速度峰值相差较大，其峰值平均值相差2.75 m·s-1，射速仅达到960发/分(见表1)。

3 采取的措施及效果

3.1 采取的措施

通过对第1次测试数据的计算分析后，采取了以下措施：

加大了蓄能器，保证在一定的射长内射速能够保持稳定；通过将供弹导引与辅助拨弹轮传动轴脱开以及调整传动链之间的间隙两种方式减少了辅助拨弹轮的阻力矩，使阻力矩由5 N·m减小到0.5 N·m。

3.2 采取措施后效果分析

对调整后的第2次和第3次测试结果，最大弹带阻力也进行了验证计算(公式同第1次)，其拨弹轮力均大于最大弹带阻力。

Fbd2=5 523.8 NFdz2max=5 263.1 N

Fbd3=3 815.6 NFdz3max=3 502.9 N

因此，Fbd2>Fdz2max,Fbd3>Fdz3max。

第2次10连发试验测试结果中，辅助拨弹轮有9发低于拨弹轮弹窝中心线速度峰值，且辅助拨弹轮与拨弹轮弹窝中心线速度峰值差值小于第1次试验，但是相差依然较大(见图3)，其峰值平均值相差2.09 m·s-1，射速为991发/分，离技术指标十分接近；从第3次9连发试验测试结果看出(见图5)，辅助拨弹轮有6发低于拨弹轮弹窝中心线速度峰值，但总体基本接近，其峰值平均值相差仅为0.34 m·s-1，射速也达到了1 074发/分，满足了技术指标要求。试验结果统计表明，尽管辅助拨弹轮与拨弹轮弹弹窝中心线速度瞬时峰值有差别，但当两者差值相对较小时，仍能保障射速指标的实现，见表2。

表2 3次试验结果统计对比表

4 结 论

在某自动机供弹系统上，加装辅助拨弹机构后，由于实际射速没能达到预期的值，为寻求射速偏低原因，对实弹射击过程中拨弹轮及辅助拨弹轮转角进行了测试，并通过对弹带及拨弹轮受力理论计算，排除了因拨弹而增加自动机负载导致射速偏低的可能性。通过对试验数据分析后得出，在自动机工作过程中，当辅助拨弹轮与拨弹轮弹窝中心线速度差值较小时，两者匹配较好，实际射速较高。在该结论的指导下，通过对某高炮供弹系统采取措施后，不仅使实际射速达到了技术指标要求，而且延长了后坐时间，使后坐时间由占自动机一个工作循环的20%提高到了30%，从而减小了自动机零部件所受的冲击力，延长了其使用寿命。

[1] 朱森元．小口径速射火炮武器系统发展展望[J]．兵工自动化，2008，27(6)：1-4，8．

ZHU Sen-yuan．Development forecasting for small caliber rapid firing artillery system[J]．Ordnance Industry Automation, 2008,27(6):1-4,8．(in Chinese)

[2] 马福球，陈运生，朵英贤．火炮与自动武器[M]．北京：北京理工大学出版社，2003：158-159．

MA Fu-qiu, CHEN Yun-sheng, DUO Ying-xian． Artillery and automatic weapons[M]．Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2003:158-159．(in Chinese)

[3] 张相焱．火炮自动机设计[M]．北京：北京理工大学出版社，2010：202-216．

ZHANG Xiang-yan．Artillery automatic mechanism design[M]．Beijing:Beijing Institute of Technology Press, 2010:202-216．(in Chinese)

[4] 华恭，伊玲益．火炮自动机设计[M]．北京：国防工业出版社，1976：206-212．

HUA Gong, YI Ling-yi．Artillery automatic mechanism design[M].Beijing：National Defense Industry Press, 1976:206-212．(in Chinese)

[5] 戴成勋，靳天佑，朵英贤．自动武器设计新编[M]．北京：国防工业出版社，1990：12-19．

DAI Cheng-xun, JIN Tian-you, DUO Ying-xian．New design of automatic weapons[M] ．Beijing: National Defense Industry Press, 1990:12-19．(in Chinese)

[6] 机械设计手册编委会．机械设计手册[M]．5版,4卷,北京：机械工业出版社，2010：22-65, 22-66．

Mechanical Design Handbooks Editorial Board. Mechanical design handbook[M]． 4th vol.5th ed. Beijing: China Machine Press, 2010:22-65, 22-66．(in Chinese)