刘海涛，高跃飞，信义兵，刘海刚

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

车载火炮作为重要的陆军武器之一，集成了牵引火炮和自行火炮二者的优点，因其具有质量轻、机动能力强，便于运输、在战场上易于快速战略部署等优势在部队得到大规模的装备［1－3］。然而低射速是车载火炮的一个弱点，主要原因是车载火炮的弹药装填多为人工输送或为半自动装填。针对此情形，设计了一种能够快速连续供弹药的全自动化供输弹装置，该装置省略了常规装填装置中输弹机和弹仓之间必需的供弹转换机构，且弥补了常规装填装置中药筒需要人工摆放到输药盘上这一缺点，完全实现了弹和药的自动化装填，大大提高了车载火炮的射速，为增加火力赢取战争的胜利提供了强有力的条件。

1 供输弹装置整体结构

本供输弹装置放置在车载火炮摇架尾部后方，整套装置与身管保持平行，共同俯仰，因此可以省略掉常规炮塔式自行火炮自动装填装置中的输弹机和弹仓之间必需的供弹转换机构，大大缩短了弹药装填时间。

本设计总体方案采用弹鼓式储弹和药鼓式储药，单线推弹药，双向摆臂机构间歇摆弹药，输弹(药)机输弹药的供弹方式。弹鼓机构和药鼓机构负责储弹并将弹丸和药筒一发一发间歇回转到推弹药机构推板处，推弹药机构负责将弹丸和药筒准确安全地推送到双向摆臂机构的通道中，摆弹器和摆药器将弹丸和药筒间歇的摆到供弹中心线，输弹(药)机先后推动弹丸和药筒进入炮膛。供输弹装置整体结构如图1所示。

图1 供输弹装置整体结构

2 供输弹装置设计

2.1 弹鼓和药鼓机构设计

弹药鼓机构在整个供输弹装置中起弹丸和药筒供给的作用，弹药鼓供给的弹药由推弹药机构推送到前方通道。因此弹药在弹药鼓中完成了从装填位置到推弹药机构推送位置的空间坐标转换。

如图2所示，弹鼓机构中的9个储弹筒整周均匀布置在中心轮2上，中心轮1、2和行星轮以及行星轮挡圈等组成弹鼓机构的整周间歇回转机构。布置在弹药鼓机构前方的转向锥齿轮组、传动轴和固定座等组成整个弹药鼓机构的传动系统。药鼓机构和弹鼓机构结构类似，只是在外形尺寸上有所差别，药鼓机构结构不再赘述。供弹时，传动系统驱动弹鼓机构和药鼓机构完成同步的相向间歇回转运动，即转动40°，弹鼓和药鼓停歇，此时推弹药机构完成间歇推送动作，即弹药鼓停歇期间推弹药机构完成一次推送动作并回到初始位置然后静止，等待下一次推送。

图2 弹药鼓机构结构

为保证供输弹装置正常运行，分度机构必须分度准确以保证弹药鼓机构准确回转到推弹药机构推送处，同时要求推弹药机构推送行程必须精准，以保证弹药被推送至双向摆臂机构通道处停止，如果推送行程过大或过小都会使双向摆臂机构无法工作，导致供输弹失败。因此，分度机构和推弹药机构均采用交流伺服电机，通过编码器对交流伺服电机进行控制，精确控制分度机构转动角度和推弹药机构的推送行程。

由于车载火炮在行军和战斗中车体必然会出现上下抖动和颠簸现象，这就造成储存在弹鼓和药鼓机构中的弹药在没有任何约束的情况下便会与筒体产生撞击和磕碰，甚至滑出筒体，这对弹药本身和供输弹动作的执行都是非常不利的，为此设计了弹药定位机构以确保弹药在筒体中相对静止。

如图3所示，弹丸置于储弹筒中，弹丸的后端限位由后端限位板和扭簧完成，后端限位板可绕销轴回转。前端限位主要由弧形挡板和扭簧来完成，弧形挡板在扭簧的弹力作用下处于闭合状态。在弹鼓机构回转过程中，弧形挡板被前端限位板锁住，此时推杆处于静止状态，安装在推杆上的凹形顶板顶住十字形回转板的C分支，而与A分支连接的解锁弹簧处于压缩状态。当弹鼓机构回转到位间歇停止时，推弹药机构开始执行推送弹药动作，此时推杆向前移动，凹形顶板与十字形回转板的C分支迅速分离，十字形回转板在解锁弹簧的作用力下绕轴旋转，安装在B分支上的解锁顶杆以圆形轨迹推动限位杆，使限位杆受到撞击力后回转，前端限位板转到筒体外侧，达到解锁状态，弹丸在推弹板作用下前行同时将弧形挡板推开，当弹丸脱离储弹筒后，弧形挡板在扭簧作用力下闭合。此后推杆按原行程返回，在返回的过程中凹形顶板撞击十字形回转板C分支，回转板回转，解锁顶杆与限位杆分离，限位杆在前端限位扭簧作用下带动限位板转回储弹筒内侧，达到闭锁状态。而A分支压缩解锁弹簧，为下一次解锁顶杆撞击限位杆储存能量，当回转板回转到一定角度时，D分支与定位销接触，在定位销和推弹药机构共同的作用下回转板停止回转，推杆静止。此时弹鼓机构间歇停止完毕，再次执行回转动作，待下一发弹丸回转到位后定位机构再次执行以上解锁闭锁动作。药筒在储药筒中的定位机构与此类似，只是在尺寸上有所差异，不再赘述。

图3 弹丸定位机构结构

2.2 推弹药机构设计

推弹药机构是负责将弹药从弹药鼓推送到双向摆臂机构的中间机构，是整个装置的关键部分，推弹药机构的性能、速度和加速度对整个装置的影响最为显著，直接影响到供弹的速率。

如图4所示，编码器对交流伺服电机进行控制，动力输入到传动系统，传动系统带动偏置曲柄连杆转动，双联齿轮组驱动活动齿条直行，安装在推杆两侧的推弹板和推药板同时执行推送弹药动作。由于在一发炮弹射击完毕后，药壳会掉落在双向摆臂系统的凹槽内，因此在推弹药机构上设计了推药壳机构。推药壳机构与推弹药板共同前进后退，在推弹药板推弹药的过程中同时将上一发射击过后的药壳推出系统之外。推壳板上装有挡板，药壳在掉落的过程中沿着挡板下落在凹槽中，推壳板与活动齿条之间通过连杆衔接，连杆可绕活动齿条上的轴回转，为防止直行滚轮在凹槽内行走时出现上下跳动现象，在压杆板与连杆之间放置压杆弹簧，以使滚轮在凹槽内行走时与其紧密贴合。

图4 推弹药机构结构

2.3 双向间歇摆臂机构设计

双向间歇摆臂机构主要用于接收推弹药系统推送过来的弹药，摆弹臂和摆药臂间歇地向供弹中心线摆送弹药，它也是整个装置的关键部分之一，摆臂能否精确地摆弹到位直接影响输弹机的输弹。

如图5所示，双向摆臂机构主要由摆弹器和摆药器以及间歇机构3部分组成。摆弹器由摆弹连杆、摆弹臂和摆弹筒等组成，摆弹筒接收推弹药机构推送来的弹丸后在摆弹连杆的带动下摆弹臂向输弹(药)板入口处摆送弹丸，摆弹器在定位缓冲板和间歇机构联合作用下在入口处间歇停止，输弹机开始执行输弹动作，输弹完毕后空回，摆弹臂按原行程返回到初始位置保持间歇静止。此时摆药器间歇静止结束开始摆送药筒，其结构组成和摆送动作与摆弹器类似，摆药到位后间歇停止，输弹(药)机推送药筒进入炮膛后空回，摆药器按原行程返回到初始位置保持间歇静止，等待下一次推弹药机构推送过来的弹药。

图5 双向摆臂机构结构

摆弹器和摆药器的间歇摆送动作主要由安装在摆臂机构上方的间歇机构来控制。图6为间歇控制机构结构图，不完全齿轮组1和2中各含有一个半圆段轮齿的不完全齿轮，呈中心对称布置，当传动系统带动不完全齿轮组2中的不完全齿轮转动时，与急回曲柄连杆2直行端的直行滑动条相固连的活动齿条驱动圆形齿轮2回转，动力再依次通过锥齿轮组传递进摆臂机构。此过程中，不完全齿轮转动75°，急回曲柄连杆实现去行程，摆弹臂摆弹到位，当输弹机输弹完毕后，不完全齿轮再次转动105°，急回曲柄连杆实现回行程，摆弹臂收回。其中不完全齿轮转到75°后出现的间歇停止状态，即摆弹臂等待输弹(药)板执行输弹和空回动作的时间，主要依靠控制系统实现，180～360°出现的间歇停止状态，即摆弹臂等待摆药臂执行摆送药筒和空回动作的时间，依靠不完全齿轮组的锁止弧实现［4］。在不完全齿轮组2的180～360°角位移时期，不完全齿轮组1开始执行一系列动作，其运动过程与上同理。

2.4 输弹(药)机设计

输弹机和输药机是将弹药推送进炮膛的重要装置，也是整个供输弹过程的最后环节［5－6］，输弹机设计是否合理直接决定着弹丸能否准确卡膛，为了达到结构紧凑节省空间的目的，将输弹机和输药机结合为一体。输弹(药)机为偏置曲柄齿轮齿条机构，输弹机输弹为半强制行程输弹，输药则为全强制行程输药［7］。输弹(药)机机构的封闭向量方程式如图7所示。

图7 输弹(药)机机构关系矢量

式中:r1为曲柄长度;r2为连杆长度;α为曲柄转角;β为连杆转角;x为齿轮位移量;e为齿轮与机座的位置差。将式(1)展开后分别取虚部和实部得

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将式(3)对时间求导数得出速度

两边乘以e－iβ展开并取实部得

由式(6)、式(7)可知:此机构为一行程和速度均放大的机构，通过合理地控制α、β、ω1即可获得输弹机输弹所需速度以及输药所需的长行程。

3 供输弹装置仿真分析

利用ADAMS软件对供输弹装置的弹药鼓机构、推弹药机构，输弹(药)机以及摆臂机构进行动力学仿真分析。以重要组件推弹药机构和输弹(药)机为例，其相应的动力学曲线如图8～图11所示。其他机构速度、加速度等曲线不再赘述。

由图8可知，推弹药机构的推弹板在0°射角下到达推弹行程终点时速度为0，推弹板对弹丸的推力在起始阶段产生了瞬时冲击力，主要因为推弹板与弹丸有一定距离所致。在推弹行程后半段推弹板对弹丸推力逐渐减小，这正是所期望的，对减小弹丸离开推弹板时的速度、减小冲击、提高接口的可靠性、安全性大有好处，这样的机构比较合乎实际要求，能够保证供弹平稳且可快速完成。

图8 0°射角下推弹药系统响应曲线

图9 不同射角下弹丸头部相对z轴偏移量曲线

图10 不同射角下弹丸头部相对y轴偏移量曲线

图11 不同射角下推弹板和弹丸速度曲线

图9～图11为输弹(药)机输弹过程部分动力学曲线，由图9和图10可知，在强制输弹行程时间段内，不同射角下弹丸头部相对于y和z轴的位移偏移量没有出现显著的变化，即弹丸头部没有出现过大的上下左右摆动的现象，这说明输弹(药)机工作时弹丸的姿态是稳定的，对弹丸进入炮膛稳定卡膛是有积极的意义的。弹丸出现明显的摆动现象出现在惯性输弹行程时间段，这是因为弹丸脱离输弹(药)板后进入炮尾和身管，与其产出了一定的碰撞所导致的。

由图11可知，在不同射角下，强制输弹行程内输弹(药)板和弹丸的速度都是在没有明显的波动情况下逐渐增加的，在强制输弹结束时刻，根据仿真结果得出弹丸脱离输弹(药)板时速度均达到了vq，仿真数值与理论计算数值较为一致，当弹丸脱离输弹板后进入惯性输弹行程阶段，此时弹丸通过炮尾进入身管坡膛内，由仿真结果看出此时的弹丸速度均达到了vk。在惯性输弹行程末段，弹丸速度由vk迅速降低为零，说明此时弹丸卡膛到位，验证了结构设计的合理性。

4 供输弹装置时序研究

供输弹装置工作过程为弹药鼓机构转动、推弹药机构推弹药、摆臂机构摆弹药、输弹(药)机输送弹药组成，每一个动作都需要一定时间，如果采用并行时序设计，减小循环时间便可以大大缩减整个装置所用时间，提高供输弹速率。

采用并行时序设计必须使各机构动作连续、协调一致。进行时序分析时，采用人工绘时序图进行分析的方法效率低，耗时耗力。为了实现供输弹装置时序动态管理，本设计应用Matlab/Stateflow对装置的时序逻辑进行建模，通过分析生成的时序逻辑曲线反复调整时间常量，最终确定供输弹装置的时序。

由图12可知，装置开始运行时，先进行推弹药正行程，推弹药到位后，立即逆行程返回，当返回到A点时刻，触发摆弹，摆弹臂开始摆弹正行程而推弹药继续返回;在E时刻，推弹药返回到位，立即触发转弹药，转弹药运行;摆弹臂在B时刻摆弹到位，触发输弹机输弹并逆行程返回;摆弹臂逆行程返回到C时刻触发摆药臂摆药;D时刻摆药到位，触发输药机输药并逆行程返回;摆药臂在F时刻返回到位，触发推弹药正行程，第二发弹药开始。

供输弹装置输送一发弹药响应时间为

式中:t为一发弹药响应时间;Tt为推弹药时间;Tbd为摆弹臂摆弹时间;Tsd为输弹板伸出和收回时间;Tby为摆药臂摆药时间;Tsy为输药板伸出和收回时间;Δt为摆药臂开始摆药与摆弹臂开始逆行程返回所在时间点之差。

图12 供输弹装置时序逻辑曲线

5 结论

通过对供输弹装置的结构设计和虚拟样机仿真，得出其相应的动力学特性均能满足设计要求，验证了弹药鼓同时供弹药，单线推弹药，双向间歇摆弹药，输弹(药)机输送弹药机理是可行的。本方案中各机构具有结构紧凑，适装性好，采用编码器对交流伺服调速电机进行控制，精度较高，供弹速率较高等优点，供输弹装置可以方便地与车载火炮对接，对提高车载火炮射速具有重要意义，为车载火炮供输弹装置的发展提供了一种新的设计思路。

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(责任编辑周江川)