某火炮自动供弹机定位精度影响因素分析

赵抢抢，侯保林

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

某火炮自动供弹机是典型的链传动机构，工作时由2 个电机并联驱动链轮，带动贮弹筒运动，将选定的弹丸输送到指定位置。被选定弹丸停靠位置的精确度将直接影响自动供弹机运行的连续性与可靠性，为此需要对影响弹丸定位精度的重要因素进行分析。由于在实际情况下影响自动供弹机定位精度的因素非常多，每种情况都做分析并不现实，因此本文分析了3 种在实际使用过程中经常遇到的影响因素:弹筒内弹丸数目的变化、滚轮磨损脱落以及基础扰动的影响，由此获得了各参数对自动供弹机定位精度的具体影响情况。

1 仿真模型的建立

1.1 自动供弹机虚拟样机的建立与简化

自动供弹机是一个非常复杂的系统，为减少建模和求解过程中的人为错误，提高计算效率，需要在建立供弹机虚拟样机时对模型进行简化。由于在ADAMS 中模型外形并不影响计算结果，而三维模型的计算却比二维模型要复杂得多，因此本文在ADAMS 中建立的供弹机模型为二维模型，各零件的质量和转动惯量通过user input 的方式定义。根据供弹机各零部件间的拓扑关系，在ADAMS 中建立了主动轮、从动轮、供弹机支架、25 个弹筒、相应数量的滚轮以及减速箱。减速箱也进行了相应的简化，包括小齿轮、大齿轮及蜗轮蜗杆4个刚体。虚拟样机模型如图1 所示。

图1 ADAMS 中建立的虚拟样机模型

各部件拓扑关系如下:供弹机支架与惯性系固定;主动轮、从动轮与供弹机支架铰接，有1 个旋转自由度;小齿轮、大齿轮、蜗轮蜗杆都与供弹机支架铰接，各有1 个旋转自由度。小齿轮与大齿轮、大齿轮与蜗杆、蜗杆与蜗轮间通过齿轮副连接，同时蜗轮与主动轮固联;每2 个相邻弹筒间铰接，有1 个旋转自由度;每个弹丸与相应的弹筒固联;每个滚轮与相应的弹筒铰接，有1 个旋转自由度，同时滚轮与供弹机支架、主动轮、从动轮实体接触。驱动力矩加载在小齿轮上，其大小由simulink 中的控制系统输入。

1.2 控制系统的建立

当把所有构件都看做刚体时，弹仓表现为一单自由度刚体系统。取主动轮为等效构件，可用单自由度系统的等效方法来建立弹仓的运动方程

其中，Me为等效力矩

式中:Fk(k=1，2，…，25)为作用在弹筒上的外力;vk为外力Fk作用点的速度;αk为Fk作用方向和vk方向之间的夹角;Td为电机的驱动力矩;i1、i2和i3分别为总传动比、小齿轮和大齿轮到蜗轮的传动比以及蜗轮蜗杆的传动比;η1、η2和η3分别为对应各传动比的机械传动效率;ω=dθ/dt 为等效构件(主动轮)的角速度。

等效转动惯量为

式中:ωj为第j 个弹筒的角速度;vsj为第j 个弹筒质心的速度;I01、I23、I45及Ic分别为电机和小齿轮、大齿轮、蜗杆以及蜗轮和主动轮的转动惯量，从动轮的转动惯量与主动轮相同。

其中，等效力矩Me由电机驱动力矩、制动力矩等效于主动轮上的力矩、重力作用于弹筒上形成的等效力矩、作用于各构件上的摩擦力形成的等效力矩等各项构成。

在实际控制中，采取在电机一启动就开始进行反馈控制的方法是比较难实现准确定位的。根据本文的实际情况，采取如下控制策略:当待发射弹丸快要到位时，才开始实施反馈控制，而对弹筒在前面时间的运动，仅让电机拖动系统自由运行，尽量使得在各种情况下的位置控制起点和弹筒运动速度相同或相近。本文控制目标为主动轮旋转180°，即弹筒旋转2 个弹距，每个弹距185 mm。在接近目标值前45°时实施反馈控制。由此，得出系统的控制框图如图2 所示。

图2中，方框表示自动供弹机的机械系统(动力学模型见图1)，电机用状态矩阵的形式表示，电机的基本参数为:R=0.3，La=0.02，k∅=0.035，KT=0.035。

在传动元件中，用效率标识齿轮传动间的摩擦影响，取滚轮与轨道间的摩擦系数为0.1。取第1 级、第2 级的传动效率η1、η2均为0.95，蜗轮蜗杆的传动效率为0.5。

图2 控制系统框图

2 计算分析结果

2.1 弹筒内弹丸数目不确定的影响

弹筒内弹丸数目的变化是造成自动供弹机控制复杂的1个重要因素。实际中，弹筒内弹丸数目的变化情况复杂，不可能一一进行分析，为此本文选择了4 种极端情况:①弹筒全部满载;②弹筒全部空载;③上轨道有12 发弹筒不带弹丸;④下轨道有12 发弹筒不带弹丸。通过比较这4 种极端情况下系统定位精度的差别，以了解系统的变化特性。为方便比较，选择只做平动的4 号弹筒为参考。图3 ～图6 给出了4 种情况的若干计算结果。

图3 满载4 号弹筒位移

图4 空载4 号弹筒位移

图5 轨道满载4 号弹筒位移

图6 下轨道满载4 号弹筒位移

根据图3 ～图6，可得出对比结果见表1。

表1 不同负载下计算结果对比

比较上述结果可以发现:弹筒内弹丸数目不同，将导致系统等效转动惯量不同，同时导致系统所受阻力矩也不同。其直接结果就是使得系统定位精度不稳定。由此可以确定，弹筒内弹丸数目的不同，会直接影响自动供弹机的定位精度，且影响较大。

2.2 滚轮磨损掉落的影响

实际情况中，滚轮所用材料为尼龙。根据使用情况来看，在使用一段时间后，滚轮可能会开裂而脱落，从而导致滚轮轴直接与主从动轮及导轨接触。考虑到主动轮与滚轮接触时冲击振动比较大，为模拟真实的情况，假设模型中与主动轮接触的滚轮掉落2 个，在此选择1 号弹筒和24 号弹筒滚轮脱落，整个模型满载。

修改模型后的计算结果如图7 所示。

图7 滚轮脱落后4 号弹筒位移

滚轮脱落后，主动轮转角位3.142 rad，弹筒位移为369.308 7 mm，其定位误差为0.691 3 mm。可见滚轮脱落对自动供弹机定位精度的影响并不大。但仔细比较满载情况下滚轮没有脱落的位移曲线和滚轮脱落后的位移曲线可以发现，滚轮脱落后的位移曲线并不如未脱落前的位移曲线光滑。这是因为滚轮脱落后，主动轮直接与滚轮轴接触，配合存在间隙，使得其接触时冲击振动比较大，自动供弹机虽能比较准确定位，但其运动过程却不够平稳。

2.3 基础扰动的影响

在某火炮的实际使用过程中，装填的过程并不一定处于停车状态，很多时候需要在运动中进行装填，或者在发射后装填，因此自动供弹机在运行时经常会受车身振动的影响。根据以往所做实验获得的车身振动曲线，给系统在y 方向添加1 个强迫位移来模拟现实中的扰动情况，其大小如图8所示。

图8 添加于系统的基础扰动

在满载情况下，计算结果如图9 所示。

图9 存在基础扰动的4 号弹筒位移

在存在基础扰动的情况下，主动轮转角为3.143 9 rad，弹筒位移为369.518 9 mm。因此，在基础扰动并不太大的情况下，扰动对自动供弹机定位精度的影响并不明显。但观察4 号弹筒在y 方向的位移(图10)可发现，4 号弹筒在y 方向的位移曲线明显不如添加的基础扰动曲线光滑，说明在添加基础扰动之后，弹筒在y 方向会发生跳动，明显影响自动供弹机的运行稳定性。

图10 4 号弹筒在y 方向的位移

3 结束语

分析比较3 种不同情况下自动供弹机的定位误差可知:弹筒内弹丸数目的变化是影响供弹机定位误差的主要因素，弹筒内弹丸数目不同，供弹机定位精度差别明显;在实际使用中，若能及时检查更换脱落的滚轮，保证滚轮脱落数不多，并不会对自动供弹机的定位精度有很大影响，但滚轮脱落会导致自动供弹机运行不稳定，产生冲击振动;实际使用过程中，系统的基础扰动不会对自动供弹机的定位精度产生明显影响，但会导致供弹机运行不稳定，产生明显的振动。

［1］侯保林，樵军谋，刘琮敏.火炮自动装填［M］.北京:兵器工业出版社，2010:217-218.

［2］石明全.某火炮自动供弹机横向振动特性研究［J］.弹道学报，2002，12(3):42-46.

［3］樊永生，余红英，潘宏侠.某自行火炮自动装填系统供弹机运动学 分析［J］.华北工学院学报，1999，20(3):269-272.