新型取弹及补弹装置设计

火炮是现代战争中普遍使用的一种常规武器，尤其是中大口径火炮，在战场上起着尤为重要的作用。但由于中大口径火炮弹丸尺寸、质量大，形状不规则人工装填效率低下[1]，且车载炮在装填过程中往往需要将装填手置于危险的外界环境之中，因此自动装填技术是现代乃至未来车载火炮发展的重要方向[2]。除此之外，火炮弹仓的弹容量有限，后勤补给满足不了_火炮发射的需要，这便在很大程度上影响了火炮的快速反应能力[3]。为了增强火炮的持续作战能力，补弹技术亦成为现代火炮发展的重要方向[4]。本文所设计的新型取弹装置主要是用来在火炮发射过程中将弹丸从弹仓中取出并输送至弹协调器上、在弹丸补给过程中将弹丸从补弹机构中取出并输送至弹仓的装置。

由于弹仓的布置位置，以及弹丸在弹仓中储存的方式多种多样，取弹装置种类也有很多。针对大中口径火炮的自动装填系统设计研究，袁志华等[5]提出了一种将弹仓和药仓分别布置在火炮两侧的自动装填机构。通过两侧的机械臂和机械爪相配合将弹丸取出并运输至输弹中心线上。但该自动装填机构的布置在一定程度上增加了火炮两侧的宽度和体积，降低了火炮在战场上的生存能力。王振嵘等[6]提出了一种由弹簧和棘轮组合具有自锁性能的托弹装置，并对其进行动力学仿真分析。在该自动装填系统中，由弹仓中的推弹机构直接将弹丸推送至托弹装置中，没有设计一个单独的取弹装置。但因此限制了弹仓的位置，空间上的限制了弹仓的弹丸容量。董邵阳[7]提出了一种2自由度的自动装填机械手机构。该自动装填机械手主要任务是弹丸抓取，之后将弹丸输送到指定位置。梁亮等[8]通过使用D-H参数方法建立运动学方程对自行火炮的自动装填机械手进行轨迹规划，并在RecurDyn中建立虚拟样机模型对所设计的机械手的取弹过程进行动力学仿真验证。

本文以某122 mm车载炮为研究对象设计了一种新型取弹装置，根据自身结构的机械特性和电驱动、液压驱动的配合来完成工作任务。该新型取弹装置不仅可以在火炮发射过程中完成取弹的任务，还能在补弹过程中完成向弹仓输送弹丸的任务。

1 取弹装置的组成及工作原理

图1为取弹装置所处位置示意图，新型取弹装置位于弹仓和弹协调器之间，上架侧边开一补弹槽用来安装补弹板，补弹板与上架之间采用轴连接。图2为去除外壳后的取弹装置总体结构图。新型取弹装置总体主要由3部分构成，夹弹机构、推送机构和托举回转机构。自动装填时，弹仓中的推弹装置将弹丸运输至输弹口，夹弹机构夹紧弹丸，由托举回转机构和推送机构相互配合将弹丸运输至弹协调器的托弹装置上，夹弹机构释放弹丸完成取弹机构的工作任务。补弹时，人工将弹丸放置补弹机构的补弹板上，补弹板绕其转动轴转动90°，与此同时托举回转机构将夹弹机构的机械爪对准补弹口，到位后由推送机构将夹弹机构推送至补弹机构处，夹弹机构夹紧弹丸，最后再由取弹装置进行相反的工作过程将弹丸安放至弹仓输弹口处，最后再由弹仓内的推弹装置将弹丸取回弹仓完成补弹工作。

1.1 托举回转机构

图3为褪去外壳的托举机构示意图。托举机构主要是由固定件、内圆柱、外圆筒、齿条、连接环和主动件等组成，采用圆柱凸轮的工作原理进行工作[9]。固定件通过螺纹连接固定在外壳上。内圆柱侧面上方设计有U形轨道与固定件配合，与轨道对应位置设计有圆形凸起，与外圆筒侧面的轨道相配合。外圆筒侧面轨道展开后的图形为直角等腰三角形，下方与齿轮相连。齿条一边在连接环的约束下与齿轮啮合，另一边与主动件轴连接。

现将托举回转机构的工作过程做以下说明，具体如图4所示。

图4(a)到图4(b)的过程：主动件绕自身转动轴转动，带动齿条向外拉伸。齿条在连接环的约束下带动齿轮和外圆筒转动。由于固定件的约束作用，内圆柱在外圆筒轨道的带动下向上移动，运动至图4(b)中状态。

图4(b)到图4(c)的过程：当外圆筒转动了90°以后，内圆柱恰好运动到最高点。此时其纵向运动被固定件锁定，在外圆筒的作用下开始轴向转动。最终运动至图4(c)的状态。

图4(c)到图4(d)的过程：当外圆筒转动270°以后，内圆柱轴向转动被固定件锁定。在外圆筒的作用下，内圆柱开始纵向向下运动，最终运动至图4(d)位置，完成弹丸的取弹动作。

图4(d)到图4(a)的过程：当外圆筒转动360°时，主动件签好转动180°。随着主动件继续转动，外圆筒开始反向转动。托举回转机构按图4(d)、图4(c)、图4(b)和图4(a)的顺序做反向运动，从而完成在不改变电机运动方向的条件下使得托举回转机构归位，取下一发待发弹丸。

根据上述的工作过程可以得知，外圆筒在齿条和主动轮的带动下开始工作。从初始时刻开始，主动件旋转180°，外圆筒旋转360°；之后主动件继续旋转180°，外圆筒反向旋转360°完成工作。根据该工作原理可得图5齿轮、齿条和主动件的位置关系简图。图5中a为以A点为圆心，齿轮分度圆半径R1为半径的圆；b为以B点为圆心，主动件的回转半径R2为半径的圆；BC为圆a的切线，与圆b分别交于点D和F。根据几何特性关系可知，当切线过b的圆心时lDC最短lFC最长，即D点为托举回转机构初始工作位置，F点为外圆筒转动360°时刻的位置。因此可得式：

且根据结构布置可知

为使该机构结构紧凑、体积小，本文选用模数m=2.5，齿数z=32的齿轮。该结构各位置关系参数如表1所示。

该机构的运动过程简图如图6所示。图6中θ为主动件在电机的带动下转动的角度；BE为初始时刻时齿条所在位置；CD为转动了角度θ后齿条所在位置；CG为线段在DC方向的延长线；FC与BC垂直。

已知主动件的回转中心和外圆筒的回转中心之间的距离lAB为200 mm； lAD和lAE为与外圆筒相连的齿轮分度圆半径40 mm； lBC为主动件的回转半径125.6 mm。

根据机构的工作情况和图中的几何关系可知，在△ABE中

在△ABC中，由余弦定理可知

故而，由正弦定理可得：

因为在托举回转机构的工作过程中，θ处于变化中，∠ACB出现了由钝角到直角再到锐角的变化。由计算可得当θ<39.6°时，∠ACB为钝角；当θ>39.6°时，∠ACB为锐角。

根据其几何关系可得：

根据相对运动图解法对连杆的运动进行分析可知齿条在齿条方向的分速度为齿轮分度圆的线速度。根据齿条与主动件在C点处的相对运动关系可得齿条方向的速度为：

式中，ωz为主动轮转动角速度。

外圆筒转动的角速度为

对外圆筒的角速度分别对时间t进行求导和积分，可得外圆筒转动的角加速度和角度计算公式。

因此，在工作期间外圆筒消耗的功率为

式中， Jw=0.115 8 kg·m2为外圆筒的转动惯量。

根据托举回转机构外圆筒与内圆柱的运动关系可知：

当θw<90°时，内圆柱沿竖直方向上升。由于外圆筒的轨道沿侧面展开后与水平夹角为45°，故圆筒最外侧转动线速度为内圆筒上升的线速度。

式中，Rw为外圆筒的外径。

该过程的加速度为

式中，mn=68 kg，为弹丸、推送机构、夹弹机构和内圆柱的总质量。

当90°<θw<270°时，内圆柱开始随着外圆筒旋转，角速度为

式中， Jn=9.98 kg·m2为弹丸、夹弹机构、推送机构和内圆柱绕转动轴的转动惯量。

当θw>270°时，内圆柱开始在外圆筒的带动下沿竖直方向下降，速度为

该过程的加速度为

忽略齿条、连接环、摩擦力和主动件所做功，驱动该取弹装置所需提供的功率为

代入数据后计算得P=1.25 kW。

由于计算过程中忽略了摩擦力和一些非关键件的运算，因此选用额定功率为1.5 kW的伺服电动机，技术参数如表2所示。

内圆柱侧面有一U形凹槽，与固定件配合。为防止固定件和凹槽底面与固定件的碰撞导致内圆柱上下移动不随外圆筒旋转，将内圆柱的侧面凹槽直角部分导成圆角使其在下降过程中有转动的角速度完成动作，如图7所示。

1.2 夹弹机构

夹弹机构主要由机械爪、机械臂、连接筒、平动活塞和液压缸A五个部件构成。机械臂和平动活塞、机械臂和机械爪、机械爪和连接筒之间使用轴连接，各部件均可绕连接轴转动。平动活塞可在液压缸的推动下在连接筒的轴线方向运动。待弹丸被推送至输弹口时，液压缸A开始工作，平动活塞沿着连接筒的中心线向左运动。在各转动副的约束下，机械爪夹紧弹丸。待弹丸运输到位时，进行相反的动作释放弹丸。图8为夹弹机构组成示意图。

根据夹弹机构的工作原理可对该夹弹机构做简单受力分析，如图9所示。F1为液压缸对平动活塞的作用力；F2为机械爪对弹丸的作用力；lAB和lBC分别为点A1、B1和B1、C1之间的距离；l为力F2对点A的力矩；θ1为机械臂B1C1与水平方向的夹角；θ2为机械臂B1C1和A1B1之间的夹角。

根据该取弹装置的工况可知，弹丸在夹弹机构的作用下短时间内先上升，再随着托举回转机构转动，最后再下降由推送机构将弹丸推送至弹协调器的托弹装置上。因此在整个运动过程中弹丸在竖直方向受到的摩擦力最小为。

式中：m为弹丸质量，22 kg；a为弹丸在竖直方向的加速度，与内圆柱的加速度相同。通过式(19)和式(25)的计算可得加速度最大值为10 m/s2。

根据弹丸运动过程中的受力关系可知，机械爪所能提供的最大静摩擦力为

式中： μ为弹丸与机械爪之间的摩擦因数，为减小机械爪与弹壳之间的损耗和增大机械爪与弹壳之间的摩擦因数，在机械爪内表面附上一层橡胶模，查表可知橡胶与钢铁之间的摩擦因数为0.85。

根据机械爪的结构可知

FBC×lAB×sinθ2 = F2×l

式中， FBC为作用在机械臂B1C1上方向沿着连杆B1C1的力，即机械臂作用于机械爪上的力。

根据工作要求可知

弹丸在绕回转轴转动过程中，受到机械爪带来的向心力。因此在该过程中受到机械爪最小的力为

式中，R为弹丸转动轨迹的半径。

根据对该夹弹机构的结构设计和测量可知，在弹丸被夹紧时刻已知数据如表3所示。

代入数据，进行数值计算后得到夹弹机构液压缸A在整个过程中最小需要提供的力为3 086.4 N。

故此根据所需要提供力的大小和具体工况要求，选用轻型拉杆液压缸。具体参数如表4所示。

将最大压力代入式(30)、式(40)可以得知，该液压缸可以为夹弹机构提供力为4 910.9 N的夹弹力。

1.3 推送机构

当托举回转机构工作到位后，推送机构的液压缸B开始工作，推动夹弹机构和弹丸沿着安装在内圆柱上的导轨移动至弹丸中心线与弹协调器的托弹装置回转中心线重合。图10为推送机构的组成图。

根据取弹装置的工况得知，推送机构工作总时间为0.5 s，工作过程分为3个阶段：启动阶段(0.1 s)、匀速阶段(0.3 s)、减速停车阶段(0.1 s)。如图11所示。

根据行程、速度、时间的关系可知，由速度曲线与坐标系围成的面积为行程，即

式中：行程l=100 mm；t1=0.1 s； t2=0.4 s。

在启动阶段和停车减速阶段的加速度为

因此在加速启动阶段中所需要克服的惯性力为

式中：m1为夹弹机构质量5.4 kg； m2液压缸A质量10 kg。

运动过程中所需要克服的摩擦力为

式中， μ2为推送机构的导轨与夹弹机构之间的摩擦因数0.15。

因此，在推送机构液压缸B工作过程中，所需要提供的力为

代入数据后计算可得所需要提供的力为232.6 N。液压缸体积小、质量轻，因此选用2个轻型液压缸作为推送机构的动力源。故单个液压缸所需要提供力116.3 N。液压缸技术参数如表5所示。

1.4 补弹机构

如图12所示，补弹机构主要由补弹板、扭转弹簧和挡弹板构成。挡弹板与补弹板通过转轴连接，外端套着扭转弹簧。工作时由人工将弹丸放置补弹板上并由挡弹板将其固定，补弹板绕其转轴转动90°使弹丸处于竖直状态。当取弹装置取出弹丸后，挡弹板在扭转弹簧的作用下归位。

2 动力学仿真

为了进一步分析该机构的工作过程，可利用虚拟样机技术对该取弹装置进行动力学仿真，分析弹丸和各部件在工作过程中的运动状态。

2.1 模型建立

根据各部件的结构尺寸在三维软件中建立三维模型，利用软件的CAD接口模块ADAMS/Exchange将其导入动力学分析软件ADAMS中进行动力学分析[10]。在各部件之间添加相应的运动副以及接触力。根据该取弹装置工作过程中各构件的运动规律，在不影响模型合理性的前提下做如下假设：

1) 取弹装置中的各个部件均按作刚体处理；

2) 为了减小仿真计算量，简化模型，将非关键零部件如导轨、销、固定件等进行布尔求和为一个部件；

3) 不考虑模型装配时的尺寸公差；

4) 驱动载荷以速度的方式施加到驱动件上。

模型建立完毕，运行仿真。

2.2 结果分析

仿真完成后，仿真结果进行处理。得到结果如图13～图18所示。其中图13～图16为弹丸自动装填工况下的仿真结果，图17和图18为补弹工况下的仿真结果。

由图13可知0.45 s时刻机械爪与弹丸发生碰撞，由于机械爪拥有一定速度的原因，力发生了波动，在0.46 s时刻以1 050 N的力稳定下来。通过弹丸沿Z轴方向的位移曲线可以得知，0.6 s时，弹丸在取弹装置作用下开始向上运动，因此夹弹力再次发生波动。1.06 s时夹弹机构带着弹丸向下运动，由于此时外圆筒转动角速度最大，且弹丸此时由之前的绕外圆筒转动中心旋转变为纵向移动，故此刻的弹丸与夹弹机构之间的碰撞最为激烈并出现了碰撞力的峰值3 782 N，小于液压缸A所能提供最大的夹弹力。1.9 s时夹弹力减小，弹丸开始逐渐脱离夹弹机构的约束。2.02 s时刻弹丸在重力的作用下开始下落并在0.9 s的时间内完成运动，稳定在托弹装置上。

图14和图15为托举回转机构在工作过程中的运动和受力关系曲线。由图14可知，在0.65～1.3 s和3.45～3.75 s出现力的波动。对比图15托举回转机构的运动关系可知，这是因为在0.65～1.3 s和3.45～3.75 s的2个时间段内，内圆柱在外圆筒的驱动和固定件的约束作用下做着先上升再旋转最后下降的复杂运动。2 s之前，夹弹机构夹着弹丸，增大了该回转机构的转动惯量，故而0.65～1.3 s的波动幅度远大于3.45～3.75 s的波动幅度。观察图15可知，在0.75～0.86 s、1～1.08 s、3.37～3.5 s和3.6～3.73 s 4个时间段内均出现了边上升边旋转或边下降边旋转的运动现象，因此在该时间段内外圆筒和内圆柱的碰撞力、内圆柱与固定件的碰撞力和齿条与连接环之间的碰撞力在此时波动最大且都出现了此波动段的最大值。

图16为夹弹机构和推送机构的运动关系曲线。观察图16可以得知，初始时刻活塞开始运动，推动机械爪转动30°夹紧弹丸；随后主动件转动180°，带动外圆筒转动360°，内圆柱先上升再回转最后再下降完成工作；之后安装在内圆筒上的推送机构将弹丸推送到位；夹弹机构释放弹丸；在重力作用下弹丸平稳进入托弹装置之中；推送机构归位；主动件继续转动180°，外圆筒反向转动360°，内圆筒反向重复之前的工作。取弹装置归位。

由图17和图18可知，1s时，补弹板带动弹丸绕转轴转动90°使弹丸由水平状态变为垂直状态，由于挡弹板自身的惯性原因，扭簧转矩出现小幅度抖动。补弹板停止运动，弹丸在惯性的作用下保持之前的运动状态与挡弹板发生碰撞，因此扭簧转矩出现第一次波动防止弹丸由于自身惯性从补弹板中脱落出来。由图17可以得知，1.15 s时刻，弹丸与挡弹板之间的力为0，即在补弹板运动到位后0.15 s内便可以将弹丸稳定下来。此过程中挡弹板转动7°。2.5 s时，夹弹机构开始夹紧弹丸并将弹丸从补弹机构中取出。因此在图17中，弹丸与挡弹板碰撞力曲线和扭转弹簧的转矩曲线出现了第二次波动。2.75 s时，弹丸与挡弹板碰撞力变为0，弹丸成功从补弹机构中被取出。在这个过程中挡弹板转动12°。3.5 s时，补弹板开始归位，准备盛放下一枚弹丸。

由图18中弹丸的运动关系曲线和受力关系曲线可以得知，2.5 s时，弹丸被夹弹机构夹紧。当2.5～3 s时，夹弹机构带动弹丸水平直线移动，运动平缓，故而此阶段弹丸与夹弹板力相对较为平稳。3 s时，弹丸由水平直线运动变为绕内圆柱中心的回转运动，故而此时弹丸与夹弹板之间出现了一个刚开始相对较大之后慢慢变小的力的波动。但当3.4 s时，弹丸的回转运动结束，在夹弹机构和内圆柱的带动下开始竖直向下的位移，因此在该较为复杂的工况下再次出现弹丸与夹弹板之间碰撞力波动现象。但通过弹丸的位移曲线可知，各个阶段下弹丸始终被夹弹机构牢牢的夹紧。4.5 s时弹丸与夹弹机构的碰撞力变为0，弹丸成功被运送至输弹口处，且在之后的时间里，弹丸质心沿z轴方向的位移平稳不变，即弹丸被平稳安放在弹仓输弹口处。

通过动力学分析结果可知，在整个运动过程中，弹丸运动状态稳定，取弹装置各个机构工作有序，在取弹过程中能够准确地将弹丸从取弹口处取出并平稳地放置于弹协调器的托弹装置上；补弹过程中也能够顺利地将弹丸从补弹机构中取出并平稳地放在弹仓的取弹口处。

3 结论

针对垂直式弹仓，设计了一种具有半自动补弹功能的新型取弹装置。该装置结构紧凑，使用电力和液压联合驱动的方式，通过特定的结构配合完成取弹动作，还可以与安装在上架上的补弹机构配合，实现半自动补弹。通过对该装置进行动力学仿真分析，确定夹弹机构、托举回转机构和推送机构的动力学关系以及整个过程中弹丸的运动状态。仿真结果表明该取弹装置在取弹过程中能够在4s内准确地将弹丸从取弹口取出并平稳的放置于弹协调器的托弹装置上，在补弹工作过程中能够在4.5s内将弹丸从补弹机构中取出并平稳地放在弹仓的取弹口处。除此之外，在弹仓内的弹丸发射完后可以通过实现弹丸的半自动装填，即取弹装置将弹丸从补弹机构处取出后直接输送至弹协调器上。为火炮自动装填系统的设计提供了新的思路。

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