梅树鹏 张丽丽 卢凤生
北方华安工业集团有限公司 黑龙江 碾子山 161046
摘要：弹药自动装填系统是现代大口径火炮的主要组成部件，与火炮其它子系统相互联系并相互制约，已成为制约大口径火炮弹药发射速度的主要因素之一。与世界上先进的大口径火炮弹药自动装填系统相比，我国大口径火炮弹药自动装填系统的自动化程度较低，装填速度较慢，可靠性还有待于进一步提高。
关键词：弹药精确装填可靠性分析及测试
前言：大口径火炮的装填机构工作在强冲击和振动的环境下，在不同的射角下要不断调整输弹能量，确保弹丸可靠挤入膛线。为了提高装填机构的可靠性，国内外学者做了大量的研究工作。
一、弹药精确装填可靠性分析
1.可靠性工程诞生于第二次世界大战期间，最早由德国的科研人员提出，使得火箭、飞机、导弹等复杂机电产品的可靠性满足了战争的迫切需求。随后，一些国家也先后开展了可靠性理论的研究工作，并取得了一定的成果。可靠性工程的应用给企业和社会带来了巨大的经济效益，使得各国纷纷投入大量的人力和物力进行可靠性理论的研究和应用推广。与世界发达国家相比，我国关于可靠性理论和应用方面的研究，特别是关于控制系统可靠性方面的理论研究，还有待于进一步加强。有关控制系统和电子设备的可靠性设计、可靠性工程、可靠性试验等方面的研究成果的基础上，系统地介绍了控制系统可靠性的有关概念和研究方法，具有一定的借鉴意义。在总结多年可靠性工作的基础上，密切结合我国电子元器件可靠性的实际情况，系统地介绍了电子元器件的可靠性设计理论和方法，对电子元器件可靠性的应用推广起到了积极的作用。可靠性分配是可靠性设计的重要组成部分，其任务是根据一定的原则把系统的可靠性指标分配给各分系统、设备或元器件。
2.一一般来说，对于技术成熟、能够保证较高可靠性的系统或设备，应该分配较高的可靠度；结构相对简单的系统或设备也应该分配较高的可靠度；对于重要的系统或设备，同样应该分配较高的可靠度。现有的可靠性分配方法可以分为无约束可靠性分配法和约束可靠性优化分配法两。这些方法简单、直观，能够比较客观地反映出各单元的可靠性分配权值，但是没有考虑体积、重量、成本等约束条件，具有一定的局限性。约束可靠性优化分配法包括拉格朗日乘数法、动态规划法、直接查询法等，该方法虽然考虑了体积、质量、成本等约束条件，但是不能直观地反映出各单元的可靠性分配权值。工程上，控制系统一一般由测量元件、控制器、执行机构和被控对象等组成，其中任何一个环节出现问题都将导致系统失效。随着被控对象功能的复杂化，控制系统的规模急剧扩张，虽然使用中大规模集成电路可以减小分离元器件的数量，但是控制系统所使用的电子元器件的数量依然大幅增加。近年来，随着计算机技术的快速发展，最优控制、鲁棒控制和智能控制等先进的控制方法在控制系统中得到了广泛的应用，大大提高了系统的控制性能。先进控制算法在改善系统控制性能的同时，也导致了系统控制软件的复杂化，一旦控制软件出现故障将严重恶化系统的控制性能，甚至导致系统瘫痪，造成重大经济损失。随着控制系统规模的急剧扩张和控制软件的复杂化，控制系统的可靠性问题必须得到重视。对于复杂的设备或系统，为了避免代价高昂的设计改动或返工，有必要在产品投产前预知系统中存在的薄弱环节以及导致这种情况的原因，以便及早制定适当的应对措施。大口径火炮弹药自动装填系统作为一类特殊的机电设备，其工作环境复杂多变，高温、低温、强电磁干扰、火炮发射过程中的冲击以及车体振动等，使得其可靠性问题尤为突出。无论是实验室试验，还是实弹射击试验，都曾多次出现由于控制系统故障导致弹药装填失败的情况。大口径火炮弹药自动装填系统的可靠性已成为制约其使用的重要因素之一，研究弹药自动装填系统的可靠性具有重要的理论和实际意义。
3.在高速装填过程中系统的各部件都处于高速运动状态，故不能将装填机构的运动过程当作刚体来研究。对系统的测试是动态特性分析和故障诊断的一种常用手段，通过控制装填机构的振动，消除和抑制其柔性结构的振动，有利于提高装填机构的工作寿命和装填精度。自动输弹需要在不同的射角下输出不同的能量以确保装填的一致性，但由于输弹过程中振动、碰撞等多方面的影响，即使输弹能量一致的情况下，弹丸挤入膛线的初始行程也会出现不一致的情况，从而导致药室的初始容积不一致。在内弹道期问，由于弹丸姿态的倾斜，初始状态下弹带两侧的塑性变形量不一致，会导致弹丸挤进阻力和膛线导转侧作用在弹带上的力发生变化。弹药装填机构在恶劣的环境下工作，在工作时会受到路面颠簸、车体振动和输弹机构自身振动的影响。弹药装填机构工作时，弹丸沿输弹导槽做直线运动，直至挤入膛线后停止。由于在高角装填时装填机构需要赋予弹药较大的初速，因此系统的工作时问随射角的增大而减小。
二、测试分析
1.装填效果测试方案。装填参数的一致性体现在弹丸卡膛行程和挤入阻力。的大小，它们分别通过激光测距传感器和压力传感器进行测量。另外，由于在输弹机的研制和实验过程中，需要将弹丸在不同射角下反复输入炮膛，以验证输弹过程的可靠性，输弹结束后需再将弹丸退出身管，确保下一次输弹的顺利进行。因此，设计的装填参数测试系统集测试和自动退弹功能为一体，采用伺服电机实现退弹臂的往复运动，定位精度每次装填前退弹臂运动至固定位置。激光位移传感器安装在退弹臂上，用以测量弹丸的卡膛行程与卡膛速度。由于无法直接测量挤入阻力，因此采用测量退弹压力的方法问接进行测量。装填结束后，电机驱动推弹臂向前运动，压力传感器直接作用于弹丸将其退出身管，压力传感器的量程为10～2 000 kg，精度为1％。
2.测试结果及分析。测试中用高速摄影机通过两个角度，以记录装填过程中的高速运动过程，沿垂直于弹丸运动方向拍摄得到的图像。输弹机开始工作后，输弹臂驱动弹丸向前运动，在运行至160 mS处，输弹臂与弹丸分离，弹丸靠惯性挤入膛线。在推弹臂推动弹丸运动的起动阶段，由于加速度较大而使弹丸重心前移，装填机尾部翘起造成弹丸低头现象，从而影响弹丸的运动姿态。弹丸在进入炮尾时，弹丸轴线与炮膛轴线不重合，弹丸会与炮尾发生多次碰撞，造成能量损失，降低了系统的可靠性。从测试结果可知，输弹机后端纵向振动量最大。经过多次测量，振动的峰峰值为12～14mm，而且在输弹结束后有2 mm左右的变形量不能快速归位，高速装填时影响弹丸的运动姿态。通过增强装填机构刚体强度的方法对此振动进行抑制后，弹药的装填效果得到了明显的改善。引信冲击加速度测试弹丸高速进入身管后会与身管内壁发生碰撞，本文利用引信加速度存储测试系统，测试了产生的冲击加速度对弹丸的引信产生影响，在多个射角下测试了引信部分的加速度，所测的装填机构在装填时对引信的冲击加速度满足引信安全标准。卡膛行程是由弹丸挤入膛线时的初始动能决定的，所以应使弹丸卡膛行程输弹能量的变化会导致行程的剧烈变化。
结束语：本文根据装填机构的工作特点，建立了输弹过程等效模型，分析了装填参数对内弹道模型的影响。利用装填参数综合测试系统对系统的动态和静态参数进行测试。
参考文献：
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