自动化电磁炮供输弹系统

自动化电磁炮供输弹系统

刘宇豪,曲普,李宇柔

中北大学 机电工程学院，山西 太原 030015

摘要：火炮自诞生以来就在战场上发挥着十分重要的作用，本文以电磁炮为研究对象，采用建模仿真分析研究方法，构建了自动化弹仓运动模型，并对自动化弹仓模型采用动力学仿真分析，最终确定了这一方案的可实用性。

关键词：自动化；驱动；弹仓；仿真；可行性

一．研究意义

炮弹的供输弹系统是火炮发展历程中的必然需求。在未来战场中，火炮会为部队提供强大的火力支援，为了战场生存需要迅速转移，保证可靠的机动性，因此为安装火炮武器的坦克与装甲车辆配备自动化炮弹装填系统是必需的选择。炮弹自动装填系统在火炮总体设计中占有重要的作用，它涉及到火炮系统的总体性能。火炮的持续射速被视为为火炮的重要战术指标。

尽管火炮弹药自动装填系统的概念设计和实际应用成果己经比较丰盛，但仍未达到完全可靠的水平，其定位精度、可靠性、由其引发的乘员安全性及与未来火炮武器系统如何兼容等问题一直是各国研究的热点。其中，如何为电磁炮设计可靠弹药自动装填系统最急需解决的难点。

二．国内外研究现状

1844年，狄克逊提出了“电磁炮”的相关装备理念。1895年，梅厄拥有了首个直线磁感应电动机专利。奥斯陆大学伯克兰教授首次提出电磁炮的相关理念，并进行了实验论证。1920年，美国的电炮公司研制了类似电磁炮的雏形装备。1。20世纪末，美国军方制定了一项跨度6年的电磁炮研制规划，该计划分为两个时期。第一个时期完成了对电磁发生器、脉冲电源、电磁炮弹技术及系统控制技术的研究；第二个时期的主要任务是制造能运用上个时期研究成果的实验样炮。2003年4月，在海洋中完成了该电磁炮的射击实验，用缩小版的武器样机进行射击，最终的目标是弹体射速为7Ma，射击距离达370kmt61。NASA也有了针对太空发射的电磁炮计划。

我国对电磁炮的研制工作开始的较晚，相关研究单位中中科院研究所设立了较为完整的电磁炮试验样机及数据储存系统，20世纪末，该单位建成了一座电磁发射器，能够将44g的弹体加速到4km／st71。由于军队发展要求和国家的充分关注，在众多研究人员的努力下，电磁炮技术已经有了深远的发展。发现电磁炮的射速达到某一值时，磁场力产生的频率和炮管的谐振频率相近，这时炮管的横向抖动会影响射击准确。近年来有关该方面的理论和研究不断出现。

三．研究内容

3.1 研究目标

将火炮发射所需的炮弹从弹仓稳定有序的传输到炮尾的弹膛内，为下一步的击发提供准备，弹仓的有序供弹、推弹机构平稳可靠的将炮弹推送到协调器托弹盘内、协调器将炮弹运输到弹膛轴线上的输弹板上，推弹链与推弹液压缸协同配合将炮弹输送到待发射位置，完成上述过程。

3.2弹仓结构设计

该电磁炮系统采用链式传动的自动化弹仓结构，各储弹筒串联成链，在控制系统的作用下，由链轮驱动弹筒到达指定位置。这种链式弹仓的控制问题比较重要，这主要是由自动化弹仓的机械结构与其工作性质决定的。驱动链轮的轮齿与储弹筒链节销轴间存在冲击振动，同时，整个系统的转动惯量会随转角和转速的变化而变化，在弹仓每减少一发炮弹后，整个自动化弹仓的质量和转动惯量与炮弹满载时相比发生了较大的变化；传动链中随转速的变化而变化的摩擦力也需要加以考虑。

图3-1 自动化弹仓结构外形图

该自动化弹仓结构如图3-1所示，储弹筒之间互相串联成链，在链轮的驱动下沿上下轨道运动。每个链轮有8个齿，左边为主动链轮，右边为从动链轮，传动机构中包括两个电机。推弹器安装于弹架本体的左后部，用于将到达出弹口的弹丸从储弹筒内推出，向协调器供弹。

3.3 推弹机构

推弹机构将运行至出弹口的储弹筒内的弹体推送至托弹盘内，推弹行程为210mm，推弹力为7000N。选用电动缸驱动推弹板推弹，电动缸由伺服电机与丝杠组成，电动缸能将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，能精确控制直线运动的速度、推力和位移。针对推弹要求，选用上海光剑自动化设备公司的GJ10系列。

3.4 弹架结构

弹架本体为钢板焊接结构，中间位置为固定弹架，上下盖板焊接有储弹筒的运动导轨。减速箱、前后桥、弹架限位器、推弹器等均固定在弹架本体上。

图3-3电磁炮弹三维实体图

储弹筒可储存具有特殊外形的电磁炮弹，电磁炮弹如图3-3所示，弹体两侧有马鞍状的凹槽，与传统的柱状炮弹区别很大。

四．自动化弹仓动力学计算

弹筒联接柔性的电机驱动自动化弹舱动力学计算是一个非常复杂的问题，电机的动态特性方程造成了系统动力学方程的刚性性质，弹筒联接的柔性使得弹筒会发生局部振荡，链轮对弹筒联接的碰撞会激励出系统的高阶频率。对于这样的复杂动力学问题，采用单一的数值积分方法是无效的，必须采用混合数值积分方法。

为此，采用MATLAB的刚性数值的积分方法ode15来求解电机动态特性方程，用ADAMS的

ABAM方法求解其他方程。ABAM采用坐标分离算法，适用于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。

自动化弹仓通过控制系统控制驱动电机驱动储弹筒，使储弹筒沿约束轨道运动至出弹口，且用时一秒，完成推弹前的供弹准备，驱动链轮有八个齿，因此，每次供弹驱动链轮需要旋转45°角。

五．结论

本文对自动供输弹系统部分结构进行了设计，并对相关系统进行了动力学仿真，确定了最优参数，进而对机电系统进行合理匹配，以保证供输弹系统的相关性能要求。完成了自动供弹仓的刚体动力学计算，并对相关的弹性元件进行了刚度计算，同时对链节的强度与疲劳寿命进行了分析。对自动化弹仓在停靠位置的固有振动特性进行分析，反馈出振动对弹仓稳定性的影响，最后对电机驱动下的自动化弹仓进行动力学计算，确定了弹仓的速度稳定性。

参考文献

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