小口径火炮快速补弹装置的动力学分析

高骁波，杨 臻，朱明一，原永亮，李永振

（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）

小口径火炮作为一种近程防空作战武器，在抗击精确制导武器方面占有绝对的优势。由于火炮的携弹量较少，且其高射速特性致使炮弹的消耗速度较快，因此，补弹技术已成为制约高射速小口径火炮具备持续作战能力的关键技术之一。

现有小口径火炮补弹装置多为有链补弹，补弹速度低、时间长，而无链补弹如遇卡弹问题时，需手动停止补弹并反转退弹手柄，将卡滞的炮弹后退若干弹位，再用力正转退弹手柄，使之前卡滞的炮弹利用惯性猛冲入弹鼓［1］，此过程不仅劳动强度大，且耗费大量时间，无法保证炮弹的即时补给。

笔者针对某小口径火炮射速高、弹鼓装弹量有限等，设计了一种快速补弹装置。新设计的补弹装置炮弹存储量大，可实现快速、连续补弹和自动化处理卡弹问题；并且在补弹的同时可实现对弹箱的补给，即补弹数量不受限制，可有效提高小口径火炮的持续作战能力。

1 补弹装置结构组成

补弹装置主要包括弹箱、翻转机构、补退弹接口装置和软输弹导引4部分，各组成部分相互协调以实现快速、连续补弹和自动化处理卡弹问题。

补弹装置总体结构如图1所示。

1.1 弹箱

弹箱用于存储炮弹，采用无链补弹方式以实现炮弹的快速、连续补给。弹箱总体结构如图2所示［2］，其中，弹夹的容弹量为20 发，弹箱容弹量为700发。

为减小补弹装置所需功率，弹箱中的弹夹导轨与水平面呈30°夹角，可利用炮弹自重提供补弹装置所需的部分动力。拨弹机构、提弹机构等均相应倾斜30°。

1.2 翻转机构

翻转机构与弹箱的提弹机构相连，用于将倾斜的炮弹翻转至水平状态。翻转拨齿组大、小拨齿形成的椎角为60°。翻转机构结构如图3所示。

1.3 补退弹接口装置

补退弹接口装置结构［3］如图4所示。补退弹接口装置与翻转机构的出口拨齿组相连，在实现连续补弹的同时，可实现对卡弹问题的自动化处理。

1.4 软输弹导引

软输弹导引一端与补退弹接口装置相连，另一端与弹鼓对接，以实现补弹装置和弹鼓的柔性连接。软输弹导引结构如图5所示。

2 补弹装置工作过程

首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［4］，再将装满炮弹的弹夹依次装入弹箱。因弹夹导轨相对水平方向呈30°倾角，且设计的压弹机构压弹齿可向内单向压下，故弹夹可依靠自重将压弹齿压下，并沿导轨下移至弹箱底部。重复上述弹夹装填过程，直至将弹箱装满［3］。弹夹装填过程如图6所示。在补弹的同时也可对弹箱进行弹夹装填，使补弹数量不受弹箱容弹量的限制。

弹箱补弹时，压弹机构、拨弹机构和提弹机构同时工作，以实现快速、连续补弹。压弹机构的压弹齿压动弹夹，使弹夹沿导轨匀速下移；拨弹机构拨动最底端弹夹中的末发炮弹，使其推动前面的炮弹依次进入提弹机构；提弹机构将炮弹依次提出。为保证弹箱补弹过程的连续性，拨弹机构的链条与水平方向存在一定夹角。拨弹机构设计有空拨齿，可实现补弹的连续性，其原理如图7所示。

炮弹经弹箱的提弹机构送入翻转机构，由其将倾斜的炮弹翻转至水平状态。翻转拨齿组中大、小拨齿同轴转动，由于有60°椎角，故转动180°后即可将炮弹调整至水平状态。最后，由出口拨齿组将炮弹送入补退弹接口装置。

补退弹接口装置补弹过程引用参考文献［2］。该装置可实现快速、连续补弹，并可实现对卡弹问题的自动化处理。

炮弹从补退弹接口装置送入软输弹导引。软输弹导引另一端与弹鼓对接，以实现对弹鼓的补弹。

在上述由弹箱到小口径火炮弹鼓的整个补弹过程中，如遇到卡弹现象，控制系统会检测到电机转矩信号突变，并控制各电机转动的方向和时间，以实现对卡弹的有效处理。

3 补弹装置动力学仿真

3.1 仿真模型建立

利用CATIA 建立补弹装置三维模型，做适当简化后导入ADAMS。对补弹装置的ADAMS 模型分别建立固定、接触、旋转副、移动副等约束，并施加各驱动副。设计补弹装置的补弹速度为200发／min，各驱动副的驱动数据均由此数据计算得出。

3.2 补弹装置动力学仿真

设计补弹装置的动力学仿真主要针对弹箱－翻转机构－补退弹接口装置的炮弹补给过程和对卡弹的处理过程进行仿真，并分析炮弹在上述过程中的受力情况［5］。

3.2.1 补弹过程动力学仿真

补弹过程中，弹夹中的末发炮弹被拨弹机构拨动，并推动前面的炮弹移动至弹箱出口，再由提弹机构将其提出，并送入翻转机构。翻转机构将炮弹翻转至水平状态后送入补退弹接口装置。因此，补弹过程主要针对弹夹中首、末两发炮弹在补弹过程中的动力学进行分析。

仿真得出的首、末两发炮弹在补弹过程中的受力情况如图8所示。

由图8（a）可知，首发炮弹被拨出后，受到提弹机构拨齿的推力，并与弹夹导轨产生多次碰撞后，改变运动方向，进入提弹机构。提弹机构在提弹过程中有波动，因此炮弹受到的力也存在较小波动，但相对较稳定。

在t＝2.4s时，炮弹开始进入翻转机构，并在离心力的作用下，使炮弹受到的摩擦力等均有所增大。在t＝4s时，炮弹在翻转机构出口拨弹齿的冲击力作用下，从翻转机构中被拨出。

在t＝4.6s时，炮弹进入补退弹接口装置。在刚进入时，炮弹受力较小，但t＝6.2s时炮弹进入圆弧空位，此后开始受到弹簧板、隔弹门、提弹链等的作用力，与导轨产生多次碰撞后，进入补弹导轨。

由图8（b）可知，末发炮弹与首发炮弹的受力曲线趋势大致相同，仅末发炮弹在弹箱中的移动时间比首发炮弹长6s。

补弹过程中，首发炮弹的最大受力为1.666 kN，末发炮弹的最大受力为1.714kN，且均为瞬时冲击力，不会引起炮弹的变形、损毁等。

分析得出，该补弹装置能够实现快速连续补弹，其原理可行。

3.2.2 卡弹处理过程的动力学仿真

当补弹过程中遇到卡弹问题时，需将卡滞的炮弹后退若干发后再行补弹，以消除卡弹故障。因退弹和再行补弹过程具有连续性，故需对卡弹处理过程的上述两个过程进行连续性分析。取退弹数量为5发，退弹速度为200发／min。

3.2.2.1 退弹过程分析

由于炮弹卡滞属于突发状况，故退弹开始时隔弹门的状态存在闭合和开启两种情况。隔弹门闭合时，退下的5 发炮弹直接进入退弹导轨，过程较为简单；隔弹门开启时，如有1 发炮弹刚好经过隔弹门时发生卡弹，该发炮弹需先退入圆弧空位中，使隔弹门顺利闭合，其他4发卡滞的炮弹则进入退弹导轨。第二种情况较复杂，且发生机率更大，因此要对该情况进行仿真分析。

图9为退弹过程中的炮弹受力图，其中第1发为退入圆弧空位中的炮弹，后4发为退入退弹导轨中的炮弹。

第1 发炮弹在退入圆弧空位过程中受到提弹链、弹簧板、隔弹门和导轨等的多次冲击力作用，被压入圆弧空位。但在隔弹门、弹簧板等的作用力下，该发炮弹仍有向补弹导轨移动的趋势，使隔弹门具有一定的开度，故会受到后4发进入退弹导轨的炮弹的影响，受力有波动。

第2 发炮弹在退弹过程中将具有一定开度的隔弹门挤压至关闭状态，此过程炮弹受力较大。随着该发炮弹继续向退弹导轨移动，隔弹门慢慢打开，但同时下一发炮弹向退弹导轨移动并及时将隔弹门卡住，因此限制隔弹门仅有较小开度。

从第3发炮弹开始，受力大小基本相同，受力趋势与第2发相似，主要为炮弹通过隔弹门侧面进入退弹导轨的过程中，将隔弹门挤压至闭合状态的受力。后3发炮弹因隔弹门只存在较小开度，故受力均较第2发炮弹小。

3.2.2.2 再行补弹过程分析

退弹5发后，开始再行补弹。再行补弹时，圆弧空位处存有炮弹，且隔弹门侧面因存有1发炮弹而闭合。根据两种不同退弹情况，再行补弹过程也相应有两种情况：圆弧空位处炮弹为新炮弹（此时退弹导轨中有5发退弹）；圆弧空位处炮弹为退弹时退回的第1 发炮弹（此时退弹导轨中有4 发退弹）。笔者分别对以上两种情况进行仿真分析。

图10为再行补弹过程中各炮弹的受力图。

由图10（a）可知，处于圆弧空位的新炮弹刚刚进入圆弧空位，被弹簧板、导轨和拨弹齿卡住，其受力基本不变。另外，由于该发炮弹不与隔弹门接触，故不会受回补退弹的影响。由于退弹导轨中的5发炮弹在回补的过程中不受隔弹门的影响，故受力很小，没有在图中予以表示。当退弹导轨中的5发炮弹全部通过隔弹门后，开始补给新炮弹。新炮弹补给过程与补弹过程相同，因此受力曲线也相似。

由图10（b）可知，处于圆弧空位的第1发炮弹会受到每1发通过隔弹门侧面的回补退弹的影响，其受力具有一定的波动，最大受力约为0.3kN，第5发炮弹（即处于隔弹门侧面的炮弹）已将隔弹门压至闭合，故回补时受力较小。后3发炮弹在回补过程中，均需先挤入隔弹门侧面，因此受力较大且受力趋势相似。当退弹导轨中的4 发炮弹全部通过隔弹门后，隔弹门即可打开，开始补给退回的第1发炮弹，进行补弹。

分析得出，该补弹装置能够有效实现对卡弹问题的处理，其原理可行。

4 结论

笔者对补弹装置的补弹过程和卡弹处理过程进行了详细的分析，得出炮弹在整个补弹过程中受力均较小，保证在补弹过程中炮弹无变形、损毁等。补弹装置原理可行，能够实现快速、连续补弹和对卡弹的自动化处理。为小口径火炮的快速补弹装置的进一步设计和研究奠定了基础，具有一定的参考价值。

（References）

［1］薄玉成，王惠源，李强，等.自动机结构设计［M］.北京：兵器工业出版社，2009：127－166.BO Yucheng，WANG Huyuan，LI Qiang，et al.Structure design of automatic machine［M］.Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2009：127－166.（in Chinese）

［2］李永振，杨臻，朱明一，等.小口径舰炮补弹装置的弹箱设计与仿真［J］.火炮发射与控制报，2014，35（3）：50－53.LI Yongzhen，YANG Zhen，ZHU Mingyi，et al.Design and simulation of ammunition box in a amall caliber naval gun［J］.Journal of Gun Launch ＆ Control，2014，35（3）：50－53.（in Chinese）

［3］杨臻，李永振，朱明一.某小口径舰炮补弹装置的补退弹接口装置设计与仿真［J］.火炮发射与控制学报，2014，35（2）：25－29.YANG Zhen，LI Yongzhen，ZHU Mingyi.The design and simulation of advance and retreat bullet interface device for a small caliber gun ［J］.Journal of Gun Launch ＆Control，2014，35（2）：25－29.（in Chinese）

［4］欧学炳，殷仁龙，王学颜.自动武器结构设计［M］.北京：北京理工大学出版社，1993：127－144.OU Xuebing，YIN Renlong，WANG Xueyan.Structure design of automatic weapons［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，1993：127－144.（in Chinese）

［5］陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2008：270－290.CHEN Jun.Technology and project analysis case based on MSC.ADAMS ［M］.Beijing：China Water Power Press，2008：270－290.（in Chinese）