一種新原理的高效緩沖裝置

□史瑞明

1概述

緩沖器是用以緩和與外界縱向撞擊的構(gòu)件，是一種廣為采用的技術(shù)措施。以兵器為例：在大口徑火炮中廣泛采用液壓緩沖器，如59式57mm高炮的炮閂液壓緩沖器；在航炮中廣泛采用氣體減震器和緩沖器，如蘇AM－23航炮傳動框的氣體減震器和蘇H－30航炮炮管緩沖器；在槍械和小口徑火炮中廣泛采用固體的金屬緩沖器，如85式12.7mm高射機槍自動機緩沖器；纖維質(zhì)緩沖器，如美國勃朗寧重機槍自動機緩沖器；橡膠緩沖器，如德國G3自動步槍自動機緩沖器等。上述這些緩沖器形式五花八門，但從原理上講，皆是吸能裝置，即受撞擊后變形而吸收能量，伸張時放出能量，同時又耗損一部分能量。本文所要介紹的緩沖器與上述緩沖器截然不同。

2承載體受力機理

由撞擊動力學(xué)得知，物體B受到另一物體A以V0速度撞擊時，在撞擊接觸面11處將產(chǎn)生各自的應(yīng)力波，并分別在各自的介質(zhì)中向遠(yuǎn)離撞擊接觸面的方向傳播，如圖1所示。

其撞擊力為

式中A1、A2——物體A和物體B在撞擊接觸面(11)處的截面積

ρ1ρ2——物體A和物體B的材料密度

c1、c2——物體A和物體B中應(yīng)力波傳播速度，其值為

E——材料的彈性模量

應(yīng)力波除了在物體中傳播外，當(dāng)遇到介質(zhì)和截面積突變時，將發(fā)生反射和透射。仍以圖1所示為例，入射波F2在12段中傳播，當(dāng)遇到突變截面22后，部分應(yīng)力波將透過22(透射波的作用力F2T)傳入B2中，其值為

因為相撞物體形狀十分復(fù)雜，所以應(yīng)力波在物體中傳播時除了發(fā)生反射、透射外，還將發(fā)生干涉、疊加、波形轉(zhuǎn)變、衍射等，除了有縱波外還有橫波，彎曲波等波在傳播。

為了簡化分析，加之縱波速度最高，所以只分析縱波傳播。從圖1得知，承載體所受之力并非是撞擊力F2(入射波)，而是最末一級結(jié)構(gòu)傳給承載體的透射波的作用力F2T以及從承載體反射回來的反射波疊加之結(jié)果。

3探討高效減力緩沖器

掌握了承載體受力機理之后，即可研究承載體所受之力與哪些因素有關(guān)及其變化規(guī)律，進而才能找到控制該力的措施。

3.1實驗研究

利用“測量撞擊參量多功能實驗系統(tǒng)”對從市場上購置的材料一一測出其所受之撞擊力，然后與鋼質(zhì)材料所受的撞擊力加以比較，計算出該種材料的緩沖性能；再將多種材料有序排列，測出其整體撞擊力并與鋼質(zhì)材料撞擊力加以比較，計算出緩沖效率。經(jīng)過大量的實驗測量，最終探討出了緩沖效率高達“99％”的“高效減力緩沖器”。

3.1.1測量撞擊力

(1)先在“測量撞擊參量多功能實驗系統(tǒng)”上的測力體中裝上與物體A材料相同的鋼質(zhì)材料物體B，二者的直徑皆為18mm，物體A以V0速度撞擊頂桿后，測得的F－t(力－時間)曲線如圖2所示；然后將多種有序排列的材料裝入測力體中(直徑和總長度皆與鋼質(zhì)相同)，物體A仍以V0速度撞擊頂桿，測得的F－t曲線如圖3所示(圖中的曲線幅度已放大了100倍)。

經(jīng)過大量的實驗研究，研制出了“高效減力緩沖器”。與鋼質(zhì)材料相比，其緩沖效率為：

無緩沖(鋼質(zhì)材料)時測得的幅值高為

h1=180－8=172

有緩沖時測得的幅值高為

h2=(180－115)/100=0.65

緩沖效率

圖4緩沖材料置于物體A內(nèi)

兩種緩沖器射擊密集度對比表

(2)將緩沖材料置于物體A內(nèi)，在“測量撞擊參量多功能實驗系統(tǒng)”上，使物體A獲得一定速度后攜帶緩沖材料撞擊鋼質(zhì)物體B，見圖4。

通過大量實驗測量，找出了緩沖材料、結(jié)構(gòu)、排列對緩沖效率影響的規(guī)律，并探討出了該類型式的“高效減力緩沖器”。

4應(yīng)用實列

4.1機框(活動機件)緩沖效率提高

選用54式12.7mm高射機槍，因為該槍已經(jīng)有了機框彈簧緩沖裝置，用“高效減力緩沖器”代替金屬緩沖器即可。分別在緩沖筒內(nèi)裝“鋼質(zhì)材料”及“高效減力緩沖器”，并分別測其撞擊力，結(jié)果如圖5、圖6所示(圖6放大100倍)。

緩沖效率(各取兩組數(shù)據(jù))

4.2提高了連發(fā)射擊密集度

1992年在桂林陸軍學(xué)院將裝于54式12.7mm高射機槍上的“高效減力緩沖器”，與原槍彈簧緩沖器進行了連發(fā)射擊密集度對比試驗。射擊距離100mm，各射5靶，每靶10發(fā)(連發(fā))，結(jié)果如表所示：

根據(jù)計算結(jié)果，高效減力緩沖器比原槍彈簧緩沖器的連發(fā)射擊密集度(R70)提高了132％。

5結(jié)論

5.1緩沖原理新

它擺脫了傳統(tǒng)的吸能緩沖技術(shù)原理，而是根據(jù)波動原理和材料的動態(tài)性能，是國內(nèi)外首次提出來的一種“新的緩沖原理”。

5.2緩沖效率高

在滿足緩沖條件下，在短的行程內(nèi)，該緩沖器可獲得“90％”以上的緩沖效率。

5.3可大幅地提高武器連發(fā)射擊密集度

將“高效減力緩沖器”裝在54式12.7mm高射機槍緩沖筒內(nèi)，其撞擊力比無緩沖器時減小了“99％”；比原槍彈簧緩沖器連發(fā)射擊密集度提高了“132％”。這充分說明了在相同條件下，高效減力緩沖器緩沖效果十分明顯。由于緩沖效率高，活動件后坐到位的撞擊力大幅度減小，使振動大為減輕，翻倒力矩亦減小，理所當(dāng)然的會提高武器連發(fā)射擊密集度。

5.4可提高受撞零件的壽命

由于“高效減力緩沖器”使撞擊力大幅度地減小，受撞零件的應(yīng)力亦減小，所以其壽命必定提高。

5.5能夠減少緊定件的松動

“高效減力緩沖器”使撞擊力大幅度地減小、振動減輕，這就使得用螺母螺釘?shù)染o定件固定的部件受力條件改善而不易松動。例如用54式12.7mm高射機槍原槍的彈簧緩沖器射擊時，每打完一個點射(10發(fā))后，表尺就松動變位，需要重新瞄準(zhǔn)、緊定，才能再射擊；而換上“高效減力緩沖器”射擊時，打完了5個點射(每個點射亦10發(fā))后，緊定件未松動，表尺位置未變動。

5.6裝在武器活動件上緩沖減振效果更佳

將“高效減力緩沖器”裝在武器活動件上，可使活動件兩次減振、緩沖，它適合于大口徑武器和導(dǎo)彈活動件的緩沖、減振。

6展望

“高效減力緩沖器”在滿足緩沖條件下，其緩沖效率可達“90％”以上，其連發(fā)射擊密集度可以成倍提高，尤其將它裝在武器活動件上時，其效果更佳。這種緩沖效率在武器研制史上并不多見，預(yù)計該項技術(shù)將會廣泛用于新武器研制和現(xiàn)有武器改造上以及其他民用機械?！?/p>

(編輯/魏開功)