火炮液壓開(kāi)并架機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

鄭曉鳴，安自朝，孫寶巖，趙萬(wàn)春

(1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610000;2.重慶軍代局駐167 廠軍代室，成都 610000;3.重慶軍代局駐209 所軍代室，成都 610000)

液壓裝置機(jī)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平緩，噪聲小，易于實(shí)現(xiàn)大力比輸出，在現(xiàn)代火炮中運(yùn)用越來(lái)越廣泛。本文運(yùn)用某科研產(chǎn)品開(kāi)并架機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析，論證液壓裝置運(yùn)用在開(kāi)腳式大架火炮中的可行性。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，該產(chǎn)品中的開(kāi)并架機(jī)構(gòu)既要實(shí)現(xiàn)開(kāi)并大架，又要實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的升降，傳力液壓機(jī)構(gòu)的工況相當(dāng)惡劣，必須先對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，掌握規(guī)律才能開(kāi)展下一步工程設(shè)計(jì)。由于大架在射擊時(shí)與下架處于鎖定狀態(tài)，屬于剛性連接，對(duì)液壓裝置產(chǎn)生的影響較小，故只針對(duì)行軍和戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)換過(guò)程建立相應(yīng)的力學(xué)模型。

1 開(kāi)并架機(jī)構(gòu)工作原理

開(kāi)并架機(jī)構(gòu)主要由油箱、液壓泵、換向閥、緩沖器和液壓缸等裝置構(gòu)成(圖1 所示)［1-3］。其工作原理是:操作手動(dòng)泵，將油箱里的駐退液泵入液壓缸中，推動(dòng)液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大架的開(kāi)并，通過(guò)緩沖器的連接作用，在大架開(kāi)并的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了車(chē)輪的升降。液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)方向是靠操作換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 開(kāi)并架機(jī)構(gòu)原理

2 受力分析

按原理結(jié)構(gòu)，僅選擇液壓缸兩個(gè)極限壓力的情況作為力學(xué)分析的臨界點(diǎn)分析模型受力［4-6］。第一個(gè)臨界狀態(tài)是開(kāi)架時(shí)，座盤(pán)已經(jīng)著地而車(chē)輪還未離開(kāi)地面，此時(shí)液壓缸所產(chǎn)生的壓力主要用于克服車(chē)輪自重，壓力值為最小值。第二個(gè)臨界狀態(tài)是在并架過(guò)程中車(chē)輪剛著地時(shí)，此時(shí)液壓缸內(nèi)的壓力主要是克服全炮自重在地面所產(chǎn)生的摩擦力，壓力值最大。

2.1 壓力最小值的情況(開(kāi)架過(guò)程)

為了抬起車(chē)輪，需要克服車(chē)輪對(duì)車(chē)軸的重力矩［7］，設(shè)車(chē)軸中心為E，車(chē)輪中心為C，如圖2 所示。

圖2 壓力最小值的情況

對(duì)E 點(diǎn)取矩

式中:ML為車(chē)輪自重對(duì)車(chē)軸產(chǎn)生的重力矩;mL為車(chē)輪質(zhì)量;g 為重力加速度;xC，xE為車(chē)輪和車(chē)軸質(zhì)心橫坐標(biāo);

設(shè)緩沖器在大架上的連接點(diǎn)為A，曲臂上的連接點(diǎn)為B，如圖3 所示。為了計(jì)算緩沖器傳遞的作用力對(duì)車(chē)軸中心E點(diǎn)的力矩，需要計(jì)算E 點(diǎn)至AB 的垂直距離hAB。

圖3 受力分析示意圖

推導(dǎo)過(guò)程如下:

所以

設(shè)緩沖器通過(guò)AB 傳遞的力為F，則其對(duì)車(chē)軸E 的力矩為

設(shè)緩沖器AB 傳遞的力在X 和Y 的投影為:

以上關(guān)系式中:r1為AE 長(zhǎng)度;r2為BE 長(zhǎng)度;r3為AB 長(zhǎng)度;α 為AE，BE 的夾角;β 為AE，AB 的夾角;xA，yA為A 點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo);xB，yB為B 點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo);xE，yE為E 點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo);hAB為E 點(diǎn)到AB 的垂直距離;F 為緩沖器通過(guò)AB 傳遞的力值;ME為力F 對(duì)車(chē)軸產(chǎn)生的重力矩;Fx，F(xiàn)y為力F 在X 和Y 軸方向的投影;設(shè)大架重量為mTg，重心為C2，橫坐標(biāo)為xC2;旋轉(zhuǎn)中心為P，橫坐標(biāo)為xP;駐鋤中心為Q，橫坐標(biāo)為xQ;液壓缸中心為H，橫坐標(biāo)為xH。

其受力力臂如圖4 所示，開(kāi)并架機(jī)構(gòu)的作用力為FK;土壤對(duì)駐鋤的支反力為FQ，摩擦系數(shù)為μ，則對(duì)P 點(diǎn)取矩得

所以

又因?yàn)?

將式(1)代入式(2)得

圖4 力臂受力示意圖

設(shè)液壓缸的活塞和活塞桿直徑分別為DF，dF，機(jī)械效率為η。則由圖5 可知，液壓缸的液壓力為

式中P1，P2為液體作用于活塞上的壓力。

由方程式(3)、式(4)聯(lián)立可解得液壓缸的壓力為:

圖5 液壓原理

2.2 壓力最大值的情況(并架過(guò)程)

并架過(guò)程的受力分析分為2 個(gè)階段，第一階段車(chē)輪的自重可以提供收起大架的一部分力，第二階段是當(dāng)車(chē)輪著地后仍需要依靠液壓缸活塞的推力收起大架，因?yàn)檫@時(shí)，液壓缸活塞的推力主要是克服車(chē)輪和架尾所產(chǎn)生的摩擦力。受力如圖6 所示。

圖6 大架受力分析

根據(jù)受力平衡得

對(duì)Q 點(diǎn)取矩得

所以

對(duì)車(chē)輪曲臂受力分析，如圖7 所示，KL為車(chē)輪軸線，E 為車(chē)輪旋轉(zhuǎn)中心，B 為車(chē)輪與大架連接處，解除B 和E 處的約束后，連接桿BE和EK的作用力分別為FB，F(xiàn)E，與水平線的夾角分別為θ1，θ2。

圖7 曲臂受力分析

根據(jù)受力平衡

方程式(6)、式(7)聯(lián)立求解可得

FB對(duì)大架回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生的力矩MB為

又因?yàn)?/p>

所以

顯然，開(kāi)架時(shí)的FK小于并架時(shí)的FK，因此P1＞P2，所以我們所要選用的液壓泵的額定壓力不得小于P1。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以看出，這種結(jié)構(gòu)的開(kāi)并架機(jī)構(gòu)，各運(yùn)動(dòng)部件的受力最終轉(zhuǎn)化成大架中間液壓缸的液壓力。如果采用合適的液壓元件以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的零部件，其開(kāi)并架功能是可以實(shí)現(xiàn)的。在某科研產(chǎn)品的試制中，成功運(yùn)用該結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了行軍和戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)換。

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