某开式弹链脱弹力计算分析

雷明远，李　强，张鹏军，陈　雷，黄　岚

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原　030051；2.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州　450015)

弹链式供弹方式在某些中小型口径的火炮中仍然占有一席之地，弹链作为火炮中的一个关键零件，其使用性能的好坏直接关系到火炮整体的可靠性和安全性。弹链在使用过程中若不能对炮弹进行有效的约束，将会出现掉弹等现象，导致火炮出现严重的射击故障，或对使用人员造成人身伤害[1]。因此，在弹链的研制过程中，对脱弹力的研究是很有必要的。当前国内外的研究主要集中在脱弹过程数理模型的建立，脱弹过程动力学仿真以及相关理论计算分析。王立新、刘演龙等[1- 2]人，根据某弹链的几何结构和弹链在供弹过程中的受力状态,建立了数学模型,计算了弹链的纵向脱弹力、横向脱弹力；彭峰生、张本军等[3- 5]人建立了开式弹链的有限元模型，利用有限元法计算弹链的力学性能以及脱弹过程弹体受力；吴宝双等[6]人利用ABAQUS动力学仿真分析了弹链的抱弹力及脱弹阻力，从而模拟抱弹力存在时弹链的应力云图和脱弹阻力的数值及变化规律。

笔者在对弹链的理论脱弹力、仿真脱弹力进行了计算和分析的同时，着重结合弹链脱弹力的反作用力压弹尺受力的试验测试结果，判断该弹链的结构设计是否满足设计要求。

1　脱弹力的理论计算

1.1　基本假设

1)理论计算时，弹链的前后夹弹片均可简化为对称的矩形端面悬臂梁。

2)炮弹弹底圆被弹链后端的弹底卡瓣卡住，不发生纵向窜动。

3)理论计算不考虑弹链对炮弹的纵向脱弹力。

1.2　理论计算

弹链结构的三维简化模型如图1所示。

图2所示为弹链工作部位和夹弹片结构，根据某火炮供弹系统的特点，供弹机构脱弹时，向弹链夹弹片开口方向侧向将弹压出。如图3所示，将弹链的前后夹弹片简化为对称的矩形断面悬臂梁，当向下压弹时，两对夹弹片必须张开让炮弹通过。缺口张开的增量Δ为弹壳对应部分的直径与缺口原宽度的差，这样在炮弹通过缺口的瞬间，对称的两夹弹片下端面承受水平作用力。

根据理论分析，当弹链材料的弹性模量为E，夹弹片断面惯性矩为J，夹弹片断面中性线的半径为R时，水平作用力P之值为

(1)

γ=φ(0.5+sin2θ)-0.5sin(φ-θ)cos(φ-θ)-

2sinθcos(φ-θ)+1.5sinθcosθ

(2)

计算时，需要将角度φ的度的值转化为无量纲的弧度值。

弹壳直径对应的前夹弹片处直径D=38 mm，缺口宽度B=26 mm，断面中性线半径R=18.9 mm。弹丸通过前夹弹片口部时的增量为

Δq=D-B=38-26=12 mm

弹壳直径对应的后夹弹片处直径D=38 mm，缺口宽度27.8 mm，断面中性线半径R=20.5 mm,可得到弹丸在通过下夹弹片口部时的增量

Δh=38-27.8=10.2 mm

当φ=116°,θ=45°，由φ和θ转化为弧度值可求得γ=2.160 3，利用式⑴并根据D、E、J、Δ等可得到:

Pq=-50.39 N

故，前夹弹片的脱弹力为

F1=Pqtanθ=-50.39 N

又已知弹链和模拟弹的摩擦因数为μ=0.2，可得

Ff1=μPq=-10.08 N

所以，前夹弹片总的脱弹力为

Fq=F1+Ff1=-60.47 N

同理，后夹弹片的脱弹力为

Ph=-32.84 N

F2=Phtanθ=-32.84 N

Ff2=μPh=-6.568 N

后夹弹片总的脱弹力为

Fh=F2+Ff2=-39.41 N

总脱弹力

Fz=Fq+Fh=-99.88 N

2　弹链脱弹力的动力学仿真计算

2.1　弹链式供弹机构的结构组成

某火炮的供弹方式为弹链式供弹[7]，根据其供弹机构的工作原理，建立弹链式供弹机构的简化模型，如图4所示。

机构供弹时，转筒在外能源的驱动下旋转，带动曲线槽做直线运动，使曲臂下滑板也做直线运动，从而带动拨弹滑板做往复运动，通过拨弹齿卡住弹链将模型弹拨到压弹位置，随后转筒前端加工的凸轮带动顶杆上下运动，固定在顶杆上的滑块便带动压弹回转杠杆运动，连接压弹齿向下压弹，将炮弹剥离弹节，将炮弹压到指定位置后，拨弹滑板再次往返运动，使拨弹齿越过下一发炮弹的链节，准备再次拨弹。

2.2　刚柔耦合模型的建立

2.2.1模型约束的添加

建立三维UG模型以后，将模型导入ADAMS中进行动力学仿真计算[8]。转筒与大地间添加旋转副，并在其旋转中心添加驱动；曲线槽滑板、曲臂上滑板、曲臂下滑板、拨弹滑板、压弹控制滑板、滚筒控制杆都添加直线运动副；拨弹爪与拨弹滑板之间添加旋转副、扭簧和接触，压弹杠杆和杠杆中心转轴间添加旋转副和扭簧，其余部件间根据需要添加接触。

2.2.2柔性体的建立和导入

为了使弹链完成脱弹，必须对弹链进行柔性化。因为弹链的结构不规则，为了得到较高质量的网格，提高计算精度，对弹链模型进行了一些修改，在不影响结构的实际动力学特性的原则下，对于结构模型中的一些非关重倒角、倒圆、孔隙等将可能增大网格划分难度的结构特征进行删除和修改，利用ANSYS软件进行精确的网格划分，网格类型为solid185。图5为网格划分后的弹链模型。

设置单元类型、材料属性等参数后，开始建立刚性区域。根据弹链的运动特点，在其上端板的上下表面以及垂直于上下端面的两个连接部分分别建立一个刚性区域，分别选择两个平面上的所有节点为从节点，选择两平面的中心点为主节点，建立两个刚性区域，将主节点选择为输出的maker点，输出.mnf文件，并通过ADAMS/Flex导入ADAMS/View中，即可进行刚柔耦合动力学仿真[9]。

2.2.3脱弹力仿真结果分析

设置转筒转速360(°)/s，仿真时间为2 s,仿真步数为8 000步，使用ADAMS/PostProcessor观察仿真结果，弹链的运动和受力情况如图6所示。

图6为模型弹脱链过程中压弹齿的受力情况，压弹齿的受力可以直接反映弹体脱链时的难易程度。仿真进行两个周期，第1个周期(0 s

3　实际脱弹力测试分析

为了测试自动机供输弹过程中脱弹力的实际变化规律，试验开始前给试验样机装入5发模拟弹，定义转速为60 r/min，点击开始进行测试，从测试结果中提取5个周期的拉压力变化曲线，如图7所示，为系统采集到的脱弹力实时曲线。曲线图中纵坐标代表力值，横坐标3 000个单位代表1 s。

从图7中可以看出，脱弹力的变化规律也基本相同，提取5个周期的最大力值，如表1所示，脱弹力的平均值约为-111.6 N，负号代表受力方向。根据脱弹力的理论计算可知，在考虑摩擦的情况下，理论脱弹力为-99.88 N，对比测试所得的脱弹力结果，可知测试结果是比较接近实际的。

表1　脱弹力极值汇总表

对比理论计算结果、仿真结果和试验测试结果可知，理论计算的脱弹力结果与实际测试的脱弹力值更加接近，两者吻合较好[4]，仿真分析得出的脱弹力与理论计算有一定误差，但误差在可接受范围内。

4　结束语

笔者通过理论计算对某开式弹链的脱弹力进行了计算，并对弹链脱弹过程进行了动力学仿真分析，从结果中提取了仿真计算的脱弹力，通过试验测试得出了弹链的真实脱弹力。将3种方法得到的脱弹力进行对比分析，发现理论计算的脱弹力值比较接近实际值，证明在理论计算的假设条件下进行脱弹力计算是符合实际情况的。该计算分析方法，可以作为一种研究的手段，应用到其他同类型的开式弹链的脱弹力分析计算中，为开式弹链的研究奠定了一定的理论基础，具有一定的参考价值。

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