一种弹药协调器设计与动力学分析

信义兵，高跃飞，刘海涛

（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）

一种弹药协调器设计与动力学分析

信义兵，高跃飞，刘海涛

（中北大学机电工程学院，山西太原 030051）

针对坦克弹药协调机构的功能和要求，设计了一种由链条和液压缸组成的新型弹药协调器方案。利用动力学仿真软件ADAMS建立协调器动力学模型并进行优化以及仿真分析，得到其相应的动力学曲线和运动规律。对回转机构进行动力学优化使液压缸的最大作用力降低7.8%。提升机构在对弹药进行提升的过程中链条的位移量会有一定的波动，但大体上保持在±0.5 mm范围内。安装板运动的速度也会在一定范围内跳动，但整体上保持为活塞杆移动速度的2倍，设计方案同时也对协调器机构的研究与分析具有一定的理论指导意义。

兵器科学技术；弹药协调器；动力学；运动规律

弹药自动装填技术是提高火炮速射性的有效途径之一。该技术可有效保证大口径火炮持续恒定的射速，有利于提高火炮射击密集度并能降低炮手的劳动强度。随着火炮爆发射速和多发同时弹着概念的提出，对自动装填技术的研究具有重要的意义［1］。其中弹药协调器是坦克弹药自动装填系统的重要部件，它安装在坦克底盘上，接受来自弹药仓的弹药，然后在控制器的作用下进行弹药协调，使得弹药轴线与待发射状态下的炮管轴线平行［2］。在进行协调器设计时，除了要求其满足规定的功能外，还要求协调器具有质量小、振动小以及定位准确，它工作性能的好坏直接影响到弹丸装填的质量和效率［3］。笔者根据坦克的自动装填方式设计了一种协调器，并在刚体动力学软件ADAMS中进行了仿真分析，得出了协调器运动参数随时间的变化规律。

笔者首先通过UG三维建模软件对协调器进行虚拟建模，以ADAMS动力学仿真软件作为分析平台，对协调器回转机构的关键技术参数进行参数设计，得到回转机构关键的参数运动曲线；并运用ADAMS参数化的设计理念对其中的部分进行优化设计，得到最佳的参数值组合［4］。最终对协调器整体进行仿真分析，得到关键零件的运动曲线。

1 弹药协调器设计

弹药协调器由两大部分组成：一是回转机构，实现弹丸角度的变化；二是提升机构，实现弹丸高度的变化。

1.1 回转机构设计与优化

1.1.1 回转机构位置参数计算

如图1所示，设安装板上铰链点AO长度为f，机械臂上铰链点AB的长度为S，l1为初始位置是铰链点B1到回转液压缸铰链点O的距离，l2为终止位置是铰链点B2到回转液压缸铰链点O的距离，l为任意位置时铰链点B到回转液压缸铰链O的距离。令λ＝l2／l1，ξ＝S／f，η1＝l1／f，η2＝l2／f＝λη1，η＝l／f，其中λ为液压缸活塞杆伸出系数。

根据几何关系可知，机械臂的初始角度φ1应该满足

机械臂的终止角度φ2应该满足

机械臂的工作摆角

由于坦克注重低弹道射击，所以机械臂的最大摆角取45°，选取安装板上两铰链之间的距离f＝ 200 mm，φ1＝45°，φ2＝90°。

活塞杆伸出系数λ应根据活塞杆伸出的稳定性的要求来确定，一般取λ在1.5～1.7范围内，本文取λ＝1.6。

式中：A＝C＝λ2－1；B＝－2（λ2cosφ1－cosφ2）；

根据以上参数就可以确定回转机构其他参数。

1.1.2 液压缸的选择

选择双作用液压缸作为回转机构的动力源［2］，缸筒可以绕固定在安装板上的铰链点O旋转，由活塞杆实现载荷的驱动。工作原理如图2所示，当A口进油B口出油时，活塞杆伸出；当B口进油A口出油时，活塞杆收回，从而实现活塞杆的正反两个方向的运动，并带动机械臂旋转相应的角度。

选取总负载F为230 N，液压缸的工作压力p取1 MPa，活塞杆的直径d根据液压缸的总负载力F和工作压力p来计算。

选取液压缸内径D＝2d，最后确定d＝18 mm（经圆整后），D＝36 mm。回转机构三维图如图3所示。

1.1.3 回转机构的优化设计

回转液压缸所能提供的最大驱动力与铰链点的空间安装位置有直接的关系［5］。因此，将图1中所示的铰链点A、B、O在ADAMS仿真模型坐标系中沿x和y方向的变化量DV_AX、DV_AY、DV_ BX、DV_BY、DV_OX、DV_OY作为参数变量，并在满足回转液压缸制作距、安装距、行程及各部件间不产生干涉的前提下，只考虑平面内坐标点的变化以及合理约束变量的变化范围，将液压缸载荷的最大值作为研究目标，通过ADAMS优化计算确定一组使得液压缸载荷的最大值为最小的设计变量参数。

为了使活塞杆移动的速度不发生突变并能反映回转机构真实的运动情况，液压缸驱动采用Step位移函数，并添加在液压缸缸筒与活塞杆之间的滑移副上，用以控制液压缸单个行程的动作，认为将弹丸由水平位置摆到与炮膛轴线重合位置所需时间不超过1 s，速度驱动函数为

step（time，0，0，0.25，－185.33）+step（time，0.25，0，0.75，0）+step（time，0.75，0，1.0，185.33）。

如图4所示，优化前液压缸的最大载荷为244.7 N，优化后液压缸的最大载荷为225.5 N，整体降低了7.8%。优化前后各关键参数化点坐标值如表1所示。

1.2 提升机构设计

本设计实例通过一液压缸与链轮相结合的提升机构来实现弹药的升降动作，如图5、6所示。

支架固定在坦克底盘上，链轮与提升液压缸在同一铅垂面内，并将其安装在活塞杆的端部，链条的一端绕过链轮与提升液压缸缸体上的接口连接，链条的另一端与安装板上的接口相连，安装板上的导向滚子可以沿着导轨上下滑动。采用左右对称的结构来保证其工作稳定性。

设活塞杆的移动速度和位移分别为v1、s1，链轮的角速度为ω，链条移动的速度和位移分别为v2、s2，液压缸总行程为L，链轮的节圆直径为dc。

由理论力学知识可知：O点为速度瞬心，ω＝2v1／dc，v2＝ωdc＝2v1，所以s2＝2s1。

根据分析结果可以看出，采用这样的传动方式可以使液压缸行程减小一半，但同时也要求液压缸输出的作用力为原来的2倍。对于提升液压缸的设计这里将不再赘述。

2 仿真分析

2.1 模型的基本假设

弹药协调机构的运动和受力是非常复杂的，对机构模型合理的简化和正确假设，不仅能将复杂的问题简单化，而且还有助于抓住其本质。由此，对弹药协调机构作以下假设。

1）ADAMS仿真模型按照实际的协调情况进行建模，不考虑尺寸公差以及各种误差［6］。

2）协调机构的各组件均视为刚体，各连接部位均视为刚性连接，忽略柔性体对运动的影响。

3）不考虑推弹、输弹的过程，仿真只对协调机构的位移、速度作研究，分析其设计是否合理。

4）合并构件，忽略一些小质量而非关键的零件。

2.2 基于ADAMS软件的接触力理论

本文中链条与链轮之间动作和能量的传递是通过接触与碰撞实现的，在ADAMS软件中，碰撞问题的计算方法采用的是弹簧-阻尼接触正压铰理论［7］，接触正压力公式为

式中：k为弹簧刚度系数；g为某时刻两接触面的渗透量；e为作用力指数；c为阻尼系数。

在定义接触时，摩擦力的定义对仿真的结果有很大影响。用Coulomb摩擦定律计算链轮与链条滚轮之间的切向摩擦力

式中，μ为摩擦系数，由下式确定：

式中：vs为静摩擦转变速度；vd为动摩擦转变速度；μs为最大静摩擦系数；μd为最大动摩擦系数；v为相对滑移速度。这些参数的取值取决于相互接触材料的类型和尺寸。

接触副施加在链轮与链条上的滚轮之间，根据实践经验，具体接触参数为弹簧刚度系数k取100 k N／mm。另外，碰撞指数e取1.5，阻尼系数c取50 N／（s·mm），渗透深度g取0.1 mm。考虑碰撞接触时的摩擦，取静摩擦转变速度vs为0.1 mm／s，动摩擦转变速度vd为10 mm／s，最大静摩擦系数μs为0.3，动摩擦系数μd为0.25。

2.3 动力学模型的建立

为了保证模型在仿真时的精度，并考虑到协调机构结构的复杂性，决定使用UG三维建模软件建立模型，并保存成Parasolid（x_t）格式，导入机械系统动力学仿真软件ADAMS中，根据实际情况添加材料的属性、构件的约束、参数变量等，协调器拓扑关系图如图7所示。杆1，回转液压缸的活塞杆表示为活塞杆2。链条的一端与安装板上的接口之间为旋转副，另一端与液压缸缸体上的接口之间为旋转副。各组件重力的设置均与实际情况相同。

建立模型后的协调器动力学模型如图8所示。

2.4 仿真结果

提升机构不仅自身要有较小的质量，而且还要具有一定的提升速度以及较小的定位误差，笔者只针对安装板向上移动400 mm（非实际移动距离）进行了仿真，将驱动力施加在活塞杆与提升液压缸之间的滑移副上，为了使活塞杆的速度不产生突变，提升液压缸的驱动采用step函数，认为提升时间不超过2 s，驱动函数为

step（time，0，0，0.2，111.111）+step（time，0.2，0，1.8，0）+step（time，1.8，0，2，－111.111）。

理论上安装板移动的位移是活塞杆移动位移的2倍，但由于链条传动的多边形效应以及接触力的影响，导致安装板的位移和速度会有一定的波动偏差，如图9～11所示。图9中，当活塞杆移动200 mm时，安装板移动的位移为400.045 1 mm，满足定位偏差小于0.5 mm的要求。从图10中可以看出安装板移动的速度大体上保持为活塞杆速度的2倍。

其中H1为滑移副，H2为固定副，H3为旋转副，H4为接触副，提升液压缸的活塞杆表示为活塞

由图11可以看出，链条正向跳动的最大位移为0.334 9 mm，反方向最大跳动位移为0.362 4 mm，也保持在±0.5 mm的范围内变化，满足设计要求。

3 结论

笔者提出由链传动和液压缸组成的弹药协调方案，具有结构简单、技术成熟等优点。研究主要体现在两个方面：第一，通过利用ADAMS参数化优化设计功能对回转机构进行仿真分析，不仅避免了复杂数学模型的建立和推导计算，还准确地得到了回转机构的运动规律以及最佳参数组合；第二，对整体结构进行了仿真分析，得到安装板、链条以及活塞杆运动曲线。最终可知，在协调机构满足自动装填系统的要求情况下，采用链传动和液压缸组合的弹药协调器方案会使弹丸定位有一定的偏差，但大体上满足要求，故该方案设计合理，可为协调器机构的设计研究提供一定的参考。

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Design and Dynamics Analysis of a Ammunition Coordinator

XIN Yibing，GAO Yuefei，LIU Haitao

（Electromechanical Engineering College，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

A new type of ammunition coordinator composed of chain and the hydraulic cylinder was designed in accordance with the requirement and the function of the tank ammunition coordinator.The dynamic model of the ammunition coordinator had been established by use of the Adams software before the simulation analysis and the dynamic optimization were conducted to obtain the corresponding dynamics curves and motion patterns.The dynamic optimization of rotary mechanism makes the maximum force of hydraulic cylinder reduced by 7.8%.The displacement of chain showed a certain fluctuation in the process of lifting ammunition，but it was generally kept within plus-minus 0.5 mm range.The motion velocity of the mounting plate will also fluctuate within a certain range，but on the whole it was two times the motion velocity of the piston rod.At the same time，the research of this paper is a certain degree of significance in theoretical guidance for the design and analysis of the mechanism of the ammunition coordinator.

ordnance science and technology；ammunition coordinator；dynamics；motion patterns

TJ303+.3

A

1673-6524（2015）03-0039-05

2015- 01- 13；

2015- 04- 09

信义兵（1989－），男，硕士研究生，主要从事武器系统动力学与仿真技术研究。E-mail：547232634＠qq.com