小口径舰炮补弹装置的弹箱设计与仿真

李永振，杨 臻，朱明一，高骁波

（1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.中国兵器装备研究所，北京 102202）

小口径舰炮是抗击低空飞机和直升机和巡航导弹等来袭目标的重要武器装备，是形成驱逐舰、航母等防护系统的重要组成部分。随着自动机技术的发展，小口径舰炮的射速得到了很大的提高，炮弹消耗速度加快，炮弹补给成为了舰炮具备持续作战能力的关键技术。

现有的补弹装置多为有链补弹，弹链易发生故障，且增加了弹链的质量［1］，机构比较繁琐，无法实现快速补弹；同时，弹链补弹的弹箱容弹量较少。国内装备的30mm 转管舰炮采用弹鼓供弹，采用硬质弹夹，由人工将弹夹上提至入弹口进行补弹，劳动强度大，补弹速度慢。国外无链补弹系统有美国的A10飞机无链补弹装置。

笔者针对某小口径舰炮的弹鼓装弹数量有限、射速高、当完成几次射击后需及时补弹［2］的问题，设计了一种新型弹箱。新设计的弹箱属于大容量无链补弹系统。其后连接翻转装置，在整个补弹装置中起到存贮、运输和快速补给炮弹的作用，炮弹存储量大，能够实现自动化快速、连续补弹，是弹鼓式无链补弹系统的核心部件。

1 弹箱结构设计

弹箱采用倾斜补弹方式，即弹箱内部补弹装置与水平面呈30°夹角，可减小补弹所需电机功率，有效利用炮弹自重，经济性较好。同时，弹箱装弹入口的高度适中，人工操作方便。弹箱容弹量为600发。

弹箱结构如图1所示。各机构作用如下：

1）箱体：用于固定补弹装置各部件。

2）弹夹：用于将炮弹放置于其内部，方便搬运和补弹。

3）压弹机构：用于实现补弹过程中弹夹跟随压弹机构下移，保证补弹及时可靠。

4）提弹机构：将拨弹机构拨出的弹药提出，并与之配合实现连续无空位补弹。

5）阻弹机构：用于控制出弹口，实现单个弹夹出弹，防止弹夹中的最后一发炮弹因弹夹空位使炮弹回跳，形成卡弹，同时将下一个弹夹的出口挡住，防止下一个弹夹中的第一发炮弹滑出，使出弹口卡滞。

6）拨弹机构：用于将炮弹从弹夹中拨出，并配合提弹机构实现连续无空位补弹［3］。

7）传动螺杆机构：用于将下滑的弹夹挡住，实现匀速下移，并在补弹结束时实现减速和停止补弹。

8）传动系统：包括减速器、弹簧马达、各传动轴和齿轮等，用于传递动力，同时防止补弹系统过载，实现过载保护和缓解冲击。

9）电机：用于提供弹箱各机构的动力。

10）直线导轨：用于托住被拨炮弹所在弹夹体内的所有炮弹，防止其因自重歪斜增加拨弹阻力。

11）弹夹导轨：用于固定弹夹在补弹过程中的姿态，保证顺利补弹。

12）后端盖：用于使弹夹导轨形成闭合回路。

弹箱通过上述各组件协同工作来实现快速、连续补弹，使补弹顺利、高效的进行，保证炮弹补给［4－5］，使武器具备持续作战能力。

2 弹箱工作原理

2.1 装弹过程

本设计弹箱装弹方式有两种：弹夹装弹和单发装弹。

1）弹夹装弹。先将炮弹装入刚性弹夹，使弹夹突缘夹住弹壳底部的拉壳沟槽［2］。弹夹装弹量为20发，总质量为15kg。人工将装满炮弹的弹夹依次由弹箱入口装入，因弹夹导轨与水平面成30°倾角，且压弹机构压弹齿可向内单向压下，弹夹在自重作用下，可人工轻微推动使弹夹压下压弹齿并沿其导轨下移，直至将弹箱装满。最下方弹夹由传动螺杆顶住，阻止其继续下滑。弹箱入口如图2所示。

2）单发装弹。将炮弹从弹箱侧面补弹口装入，如图3所示。此时弹箱内部弹夹卡口机构将被装弹夹固定，直至弹夹装满，人工向下推动弹夹，弹夹即可向下运动，脱离弹夹卡口机构，实现对弹夹补弹。弹夹卡口机构如图4所示。此时下一个弹夹进入补弹位置，再次对下一个弹夹补弹。

2.2 补弹过程

补弹时，压弹机构上的压弹齿沿导轨向下压弹夹，同时，传动螺杆机构将最下方的3个弹夹挡住，使弹夹匀速下移。如图5所示。

拨弹机构上的拨弹齿将最下面装满炮弹的弹夹中的第一发炮弹拨动并沿弹夹轨道移动，将炮弹从弹夹的一侧依次挤出出弹口。

托弹机构托住被拨弹药所在弹夹体的弹药，防止其因自重歪斜增加拨弹阻力。

阻弹机构控制阻弹齿下降约一个弹夹距的1／20（补20 发炮弹，弹夹下降约一个弹夹距50.8 mm），挡住提弹机构上的炮弹，防止弹夹中的最后一发炮弹在进入提弹机后又反跳回暂时空着的拨弹机上，同时防止下一个弹夹内的第一发炮弹滑入拨弹机而产生卡弹。

提弹机构将拨弹机构拨入的炮弹上提，并沿其固定轨道运动。补弹过程如图6所示。

炮弹由提弹机构上提后，经翻转机构将炮弹翻转至水平方向，再由补退弹接口装置输送至软导引，最后由软导引将炮弹送入弹鼓。软导引与弹鼓对接时，软导引接口上的联动齿轮与弹鼓接口处的齿轮啮合，实现联动［6］。

3 弹箱运动学仿真分析

通过三维建模软件CATIA 对弹箱各零部件三维建模，并导入ADAMS对弹箱进行运动学仿真。仿真的初始条件为：每发炮弹的质量为0.71kg，补弹速度为200 发／min。

仿真得出弹夹中的第一发炮弹在整个补弹过程中的受力曲线如图7所示，炮弹的位移曲线如图8所示。炮弹在0.015s时受到大小为36N 的瞬时力的作用，使炮弹开始移动。在0.45s时刻，炮弹从弹夹中被拨出，并受到大小为1 021N 提弹机构瞬时力的作用，使炮弹改变运动方向，由原来沿z轴方向运动变为沿x轴方向运动。其他时刻炮弹受力较小，可保证炮弹在补弹过程中无受力变形，确保补弹装置的可行性［7］。

补弹过程中，在阻弹机构的作用下，前一个弹夹中的最后一发炮弹与后一个弹夹中的第一发炮弹不会发生撞击。

图9为弹夹中的最后一发炮弹在补弹过程中的受力曲线图。炮弹受到拨弹机构拨弹齿的瞬时力600N 后开始补弹，移动过程受力较小。至5.7 s时，炮弹运动至出弹口，受到提弹机构瞬时力1 871N 作用，使炮弹改变运动方向，由原来沿z轴方向运动变为沿x轴方向运动。此后进入提弹机构轨道运动，受力较小。

最后一发炮弹的位移曲线如图10所示。图10的（a）中0－5.7s为一倾斜直线，为炮弹在向出口运动的同时也跟随弹夹沿x轴运动。整个补弹过程炮弹不会因受力过大而损坏炮弹，使补弹顺利进行。

由于炮弹之间存在少量间隙，在拨弹时，第一发炮弹的受力时间相对最后一发炮弹受力时间延迟0.015s。

经计算，弹箱中的电机功率为258.5 W。补弹总数为600发，时间为3min。

4 结论

本设计弹箱容弹量较大，弹箱入口高度适中，人工操作方便；采用30°倾角，实现了低功耗补弹；实现了补弹的全自动化，能够实现快速、连续补弹，减少补弹时间。提供了一种快速、高效的补弹方式，为今后快速补弹装置的研究提供一种设计思路。

通过对弹箱补弹过程进行运动学仿真，得出炮弹在补弹过程中的受力图和位移曲线图，通过分析可知，此装置能够实现自动化连续、快速补弹，具有较高的补弹效率，为今后补弹装置的研制奠定了基础。

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