1 引言
近年来，无人机蜂群作战开始登上国际军事战争的舞台，蜂群通常以数量优势对目标区域进行高密度侦察和饱和式打击，给敌防空作战造成巨大威胁。为抵消无人机蜂群作战带来的威胁，各国积极开展了反蜂群作战的相关研究[1]。高射速小口径火炮可以在很短的时间内发射大量的炮弹，形成弹幕，对无人机蜂群能形成很强的压制力，而目前制约火炮射速的关键是火炮的供弹速度。
无链供弹技术与传统的链式供弹相比，能较大幅度的提高自动机的射速，缩短火炮射击的响应时间，同时在自动机射击时能有效减小供弹部分在自动机射击时的能量消耗[2]。因此，高速无链供弹箱的设计势在必行。
近年来国内对高速无链供弹的研究如下：王争论比较了多个可行的无链供弹组合，说明外鼓式无链供弹由于体积较大不适合用在结构空间受限的自行高炮，而箱式拨弹轮组合对空间形态要求更低，且炮弹能沿着拨弹轮按设计速度高速运动[3]。吴双宝提出一种舰载大容量弹箱的结构，应用多个单元实现高速供弹，其中与自动机机心组连接的部分采用五齿四级拨弹轮组连续拨弹的方式传送炮弹[4]。谭仲于提出一种计算公式法来通过改变布弹方式提升弹箱的容量[5]。程刚结合可靠性的应力干涉理论，发现转管自动炮供弹机构中拨弹轴上的大扭矩会影响供弹机构运动的可靠性[6]。曹广群对主拨弹轮与辅助拨弹轮在供弹中的转速匹配对发射速度的影响做了实验研究，说明辅助拨弹轮与主拨弹轮弹窝中心线速度差值较小时，两者匹配较好[7]。
本文中在此基础上，利用拨弹轮在拨弹的同时也能储弹的特点，设计了一种高速无链供弹箱机构，实现有限空间下的高速供弹。弹箱射频可调，供弹稳定，能有效对抗无人机蜂群作战。
2 总体方案设计
根据某35 mm自行高炮供弹系统设计指标[8]，弹箱容量不少于30发，供弹速度为500～4 000发/min。
在三维建模软件中对弹箱整体进行建模，弹箱由15根拨弹轴组成，取消了传统的软导引及类似的传送机构[9]。弹箱悬挂在耳轴上，可以降低射角变化对供弹过程的影响[10]。
在每根拨弹轴上通过花键连接一大一小拨弹轮，相邻拨弹轴之间由齿轮传动。在大小拨弹轮中间有两层刚性导引板，同时在药筒底部与弹头位置设计有两层约束板，来约束炮弹在轴线方向的位移。在双层拨弹轮与双层导引板的约束下，炮弹能稳定的通过整个路径，且严格按照规定的曲线运动。大刚度的传动装置能满足极高的传动速度且保证供弹的稳定性。
弹箱在满载时三维模型如图1，拨弹轴采用大直径空心轴的铝合金材料，能在一定程度上降低轴件数量多带来的弹箱整体质量的增大。
图1 满载时弹箱三维模型示意图
Fig.1 The 3D model of ammunition box in fully loaded
弹箱满载容量33发，可满足小口径高炮一次射击的需求，后续的补弹过程可在进弹口连接补弹结构，来进一步增加高炮的载弹量。当一次射击完成后，弹箱中最后一发炮弹由供弹箱反转至初始位置，补弹机构通过中转机构向供弹箱补弹直至补满，以完成下一次射击[11]。本文中主要研究弹箱供弹部分的结构与动力学特性，补弹部分的结构不再赘述。
2.1 拨弹轮的设计
由于炮弹之间平行排列，拨动药筒部分的大拨弹轮窝槽中心与拨动弹头部分的小拨弹轮窝槽中心的连线即炮弹的中心轴线,运动过程中大拨弹轮与小拨弹轮同步旋转，因为药筒部分直径大于弹头部分直径(图2)，大拨弹轮的凹槽面积也要大于小拨弹轮的凹槽面积，所以在设计时首先设计大拨弹轮的尺寸，小拨弹轮的尺寸按同样步骤确定。
图2 传动单元装配示意图
Fig.2 The schematic of driving unit’s assembly drawing
拨弹轮在拨弹的同时也具备储存炮弹的作用，因此需要计算多级拨弹轮在满足一定条件下的相对容弹密度。已知炮弹药筒半径r1，拨弹轮齿宽d,设拨弹轮齿中心线到相邻弹窝中心线的夹角为α，相邻弹窝上药筒圆心到该拨弹轮齿中心线的垂直距离为l，拨弹轮的半径为r，外围大圆的半径为r2(图3)。
图3 拨弹轮示意图
Fig.3 The schematic of variables in stirring ammunition wheel designing
式中：n为单个拨弹轮上弹窝数量，ρ为相对容弹密度，s为外围大圆的面积。
图4为计算结果曲线，可见，相对容弹密度会随着齿数的增加而出现一个单峰，在齿数为4时达到峰值。四齿和五齿的相对容弹密度十分接近，在考虑相对容易加工和运动稳定性的因素，弹箱选择四齿拨弹轮来储弹是最优选择。
图4 相对容弹密度随齿数的变化曲线
Fig.4 Action curve of the relative density changed with number of teeth
2.2 供弹路径规划
弹箱通过拨弹轮交接的方式来实现储弹和供弹的同时进行，拨弹轮的排列方式便决定了弹箱的相对容弹量(容弹密度)。由于炮弹在拨弹轮之间不停的交接，炮弹的运动轨迹并不是规则的，而是一次又一次的相切曲线。
拨弹轴的排列要考虑4个要点：① 在炮弹的运行轨迹不能有重叠。② 要给刚性导引板留出不少于10 mm的余量，来保证导引板的强度。③ 有限空间下装弹密度要尽可能的大。④ 满足以上3个条件的情况下，整体布局要尽可能规范化，以简化实际设计中的繁琐步骤[12-13]。现给出一种交叉排列的方式，如图5。
图5 传动单元排列方式与炮弹路径示意图
Fig.5 The schematic of driving unit’s arrangement and ammunition path
大小拨弹轮对炮弹的运动约束是不完整的，还需要另外的刚性导引板来实现炮弹按照预定的轨迹在拨弹轮之间连续传递。药筒直径大于弹头直径，因此设计两层导引板(图6)同时约束炮弹的运动轨迹。考虑到炮弹在运动过程中没有弹夹的约束作用，以及质心不在正中间的问题，炮弹会发生轴向的轻微滑动，所以在装药部分的底部和弹丸的头部另外增加两层约束板。
图6 刚性导引板示意图
Fig.6 The schematic of guiding plate
3 动力学仿真
将三维建模软件SOLIDWORKS中的模型导入多体动力学分析软件ADAMS中，对模型做出一定的简化,删除对计算结果影响很小的特征和部件，并忽略各个部件的柔性变形建立全刚体虚拟样机模型[14-15]。
3.1 多体动力学模型建模
在导引板与地面建立固定副，拨弹轴与大小拨弹轮之间通过布尔运算连接为一个整体，齿轮与拨弹轴之间建立固定副，齿轮地面建立转动副(表1)，并对每一发炮弹和每一根传动轴从初始位置进行编号.初始位置的炮弹为1号弹，初始位置的拨弹轴为1号轴，以此排开。由于部件繁多，手动对其添加约束和接触容易出错且不方便修改，在此可以利用ADAMS的二次开发模块编写一段宏命令来自动添加约束和接触。
表1 不同部件间的约束类型
Table 1 The constraint type from different parts
部件1部件2约束类型导引板大地固定副约束板大地固定副拨弹轴齿轮固定副齿轮大地转动副拨弹轮拨弹轴固定副
相邻齿轮之间添加碰撞力，每一发炮弹与大小拨弹轮之间分别添加碰撞，相邻齿轮之间添加碰撞，ADAMS中采用IMPACT函数计算碰撞力，驱动部分直接添加恒定转速[16]，分析整个过程中的动力学特性。
图7 满载弹箱动力学模型示意图
Fig7 The dynamic model of ammunition box in fully loaded
3.2 仿真结果
因为1号弹在整个供弹过程中从进弹位置一直运动到出弹口，走过整个运动路径，所以先对1号弹的运动状态进行仿真分析。当供弹速度分别为500发/min、1 000发/min、2 000发/min、4 000发/min时，分别计算1号弹在不同供弹速度下X和Y方向的速度曲线。由于随着供弹速度的增加，1号弹完成整个运动的时间也会随之按照相应的比例减小，为了方便比较2个方向的速度变化曲线，将整个运动过程看作一个无量纲变量：周期T。将4个供弹速度下炮弹速度的计算值对应的时间都转化为相应的周期时间(图8、图9)。
图8 不同供弹速度下1号弹X方向的运动速度曲线
Fig.8 Action curve of X velocity of ammunition 1 in different supplying velocity
图9 不同供弹速度下1号弹Y方向的运动速度曲线
Fig.9 Action curve of Y velocity of ammunition 1 in different supplying velocity
图中可以清晰的看到，随着运动时间的推进，炮弹在X方向的速度在前三分之一周期的时间内，呈规律性的摆动，正方向的峰值与负方向的峰值基本一致，在0.3～0.4T，由于此时正通过弹箱的上回转部分，此时运动规律会发生变化，通过上回转部分后，又开始沿着之前的规律运动，之后在0.5～0.7 T，到达下回转部分，此时的运动规律与上回转部分的运动规律基本一致，且随着供弹速度的成比例增加，1号弹的2个方向的速度峰值也随之成比例增加，在峰值上抖动的曲线部分，会随着供弹速度的增加而逐渐变得平缓。
从炮弹运动速度的角度来分析，炮弹是能平稳的按照预定规律完成供弹任务的，因此可以说明该供弹结构能稳定的完成供弹动作，此设计方案可行。
4 动态特性分析
由于炮弹速度的变化并不是平滑的曲线，在整个过程中炮弹所受的力与轴上的力是系统动态特性的2个关键点，需要对此展开具体分析。
4.1 炮弹受力分析
首先制作1号弹在整个过程中的加速度变化曲线(图10)。可见加速度的值在一定的范围内不断的波动，1号弹分别与15根拨弹轴上的拨弹轮碰撞产生碰撞力，发生14次在拨弹轮之间的交接。图中可清晰的看到出现了若干次次峰值，每次交接进行的过程都是加速度先逐渐增大后又逐渐减小，然后进行下一次交接，重复这个过程。
图10 1号弹在500发/min供弹速度下的加速度随时间的变化曲线
Fig.10Action curve of acceleration changed with time of ammunition 1 in 500 supplying velocity
为了方便更直观的观察每一发炮弹的加速度变化，在ADAMS后处理软件中分别导出了每发炮弹在X和Y方向的加速度变化值随之间变化的数据，对每发炮弹在整个过程中的加速度值从大到小进行排序，取前15组数据并求平均值[16](图11、图12)。随着炮弹编号的增加，炮弹的加速度值在X方向整体呈一个台阶式的下降趋势，1～13号弹的加速度值较大，炮弹的加速度值在Y方向由于重力的参与整体呈一个下降的趋势。
图11 不同编号炮弹X方向加速度前20组数据平均值曲线
Fig.11 Action curves of the average X acceleration of the first 20 sets of date from every ammunition in different supplying velocity
图12 不同编号炮弹Y方向加速度前20组数据平均值曲线
Fig.12 Action curves of the average Y acceleration of the first 20 sets of date from every ammunition in different supplying velocity
在供弹速度提升到4 000发/min时，1号弹上的加速度平均值最大，提取此时1号弹的合加速度曲线(图13)。1号弹加速度峰值的前3组分别是343.241 m/s2、333.637 4 m/s2、302.519 8 m/s2。考虑计算中积分结果的偏差，炮弹在极限供弹速度下，炮弹的最大加速度值在350 m/s2附近。
图13 1号弹在供弹速度4 000发/min下的加速度随时间变化曲线
Fig.13 Action curve of acceleration changed with time of ammunition1 in 4 000 supplying velocity
由此可得出结论，在极限供弹速度下，为实现安全供弹，炮弹的药筒、底火、引信的强度极限应不小于350 m/s2。
4.2 拨弹轴受力分析
在500发/min供弹速度下，满仓供弹14号轴受力变化曲线如图14，在运动过程中炮弹会与轴不断交接碰撞产生冲击力，轴上的负载扭矩也随之成比例变化。
图14 号轴在供单速度500发/min时轴上所承受力随时间的变化曲线
Fig.14 Action curve of force changed with time of axle 14 in 500 supplying velocity
根据对炮弹速度的仿真结果，每次炮弹与拨弹轴上的拨弹轮交接时的速度也是不同的，轴上受力都是随着每次交接过程的开始到结束，从一个较小的值逐渐增大，又逐渐减小，产生反复的波动。
计算结果中的数据过于冗长而不便观察不同轴上受力的情况，图像中突变的数值也不稳定，因此同样采用上文中使用的方法，对每根拨弹轴的计算结果从大到小排序，取前20组数据并取平均值见图15。
图15 不同编号轴在不同供弹速度下受力前20组数据的平均值曲线
Fig.15 Action curves of the average force of the first 20 sets of date from every axle in different supplying velocity
当弹箱以500发/min供弹速度运行时，作为驱动轴的8号轴上的力较大，达到一个峰值，10、11、12号轴上的力最大。随着供弹速度的增大，这3根轴上的力大幅度的增大，已经远远超过了8号驱动轴以及其他轴上的力。这3根轴作为下回转部分的中间轴，炮弹在11号轴前后相邻位置发生交接时，由于重力与速度的影响，这3根轴上的拨弹轮需要将高速向下运动的炮弹拨动至向上运动，且随着供弹速度的增大，这3根轴上所受的冲击力会大幅度增加。
根据此分析结果来看，在后续的设计优化中，根据8号驱动轴和10、11、12号轴的受力情况，应考虑降低轴的惯性力，从而降低速度及时序的控制难度。轴受力大易磨损从而降低使用寿命，在后续的故障检测与日常维护中应重点关注。
5 结论
1) 4齿拨弹轮在应用于弹箱储弹的情况下相对容弹量最大，交叉排列的布局方式明显提升容弹量。
2) 通过动力学仿真软件的计算验证了弹箱设计合理，满足设计要求，
3) 极限供弹速度下1号弹的加速度值最大，炮弹上药筒、底火、引信的强度极限应不小于350 m/s2。
4) 编号为8，10，11，12轴上的负载扭矩较大，易磨损，使用寿命降低，在后续的故障检测与日常维护中应重点关注。
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