2種緩沖簧反后坐效能分析

劉明敏，張蔚峰，朱延飛

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450005)

2種緩沖簧反后坐效能分析

劉明敏1，張蔚峰2，朱延飛1

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450005)

小口徑自動(dòng)機(jī)的反后坐裝置多采用各種形式的緩沖簧進(jìn)行緩沖，減小后坐阻力并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)浮動(dòng)。文中通過(guò)理論分析，建立自動(dòng)機(jī)后坐運(yùn)動(dòng)方程，在Matlab simulink 環(huán)境下建模仿真，分別計(jì)算2種不同力學(xué)性能緩沖簧的后座運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出在結(jié)構(gòu)尺寸受限的條件下，環(huán)形彈簧與螺旋矩形彈簧相比緩沖性能更優(yōu)。經(jīng)實(shí)彈射擊，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好，證明本文采用的研究方法正確，建立的仿真模型可用于工程實(shí)際。

緩沖簧；后坐；小口徑自動(dòng)機(jī)

0 引 言

在火炮技術(shù)發(fā)展的整個(gè)過(guò)程中，自始至終都存在著火炮威力與機(jī)動(dòng)性之間的發(fā)展與制約，直至反后坐裝置的出現(xiàn)，很好地解決了二者之間的矛盾，為火炮威力大幅度提高創(chuàng)造了條件，由此也使火炮技術(shù)有了劃時(shí)代的發(fā)展[1]。

反后坐裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)緩沖裝置，它將作用于炮身上作用時(shí)間短且變化劇烈的炮膛合力，變成作用時(shí)間稍長(zhǎng)、幅度變化不大、最大值較小的后坐阻力傳給炮架。因此，反后坐裝置的采用，不僅影響了火炮受力的大小和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)火炮綜合性能的提高也有很大貢獻(xiàn)。

本文通過(guò)對(duì)小口徑自動(dòng)機(jī)上2種反后坐裝置分析，得出在相同條件下，采用2種力學(xué)性能不同的緩沖簧進(jìn)行緩沖，緩沖簧的選擇對(duì)其后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律有較大影響。

1 理論分析

本文研究的是同一小口徑自動(dòng)機(jī)用2種不同的緩沖簧緩沖，其后坐規(guī)律的變化。這2種緩沖簧分別是螺旋矩形彈簧和環(huán)形彈簧，二者的力學(xué)性能有所不同。該自動(dòng)機(jī)的整個(gè)炮身部分相對(duì)于炮架后坐，緩沖簧的下半部分固定在炮架上，上半部分固定在炮身上。射擊時(shí)，在自動(dòng)機(jī)后座過(guò)程中，緩沖簧吸收后座能量用于自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)，在復(fù)進(jìn)到零位時(shí)若還有前沖速度，緩沖簧則反向吸收自動(dòng)機(jī)前沖的能量，射頻穩(wěn)定后，在緩沖簧的作用下，自動(dòng)機(jī)在一定的位移范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)。

因此，自動(dòng)機(jī)的后坐與復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與緩沖簧的類型和參數(shù)有著密切的聯(lián)系。本文在計(jì)算后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，其后坐阻力主要考慮彈簧力和炮身沿炮架運(yùn)動(dòng)的摩擦力。

1.1 后坐運(yùn)動(dòng)方程建立

該自動(dòng)機(jī)在整個(gè)后坐過(guò)程中，后坐運(yùn)動(dòng)方程均為：

(1)

即：

(2)

式中：m0為后坐部分質(zhì)量；Ppt為炮膛合力；R為后坐阻力；v為后坐速度；x為后坐位移；p(t)為隨時(shí)間變化的膛壓；S為炮膛斷面積；f′為摩擦力；P0為彈簧預(yù)壓力；k為彈簧剛度。

隨著彈丸發(fā)射，作用在膛底的炮膛合力也隨著火藥氣體的變化而變化。根據(jù)火藥氣體作用力的不同可將其分為彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)期及火藥氣體后效時(shí)期2個(gè)階段考慮。

彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)期炮膛合力為：

Ppt=p(t)·S。

(3)

火藥氣體后效時(shí)期，炮膛合力的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式都可以表示為時(shí)間的解析函數(shù)，在此，利用炮膛合力的經(jīng)驗(yàn)公式：

(4)

因此，后坐運(yùn)動(dòng)方程組可寫(xiě)成帶有初值條件的一階微分方程組：

(5)

以時(shí)間t為自變量，分段確定炮膛合力的公式，且摩擦力方向也隨后坐與復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)方向的不同而改變。采用4階龍格—庫(kù)塔法計(jì)算上述常微分方程組，解得自動(dòng)機(jī)在整個(gè)后坐過(guò)程中的后坐速度和后坐位移。

2 兩種緩沖簧力學(xué)性能及反后坐性能分析

2.1 螺旋矩形彈簧

螺旋矩形彈簧是采用高性能彈簧鋼機(jī)加工藝車制而成截面呈矩形的彈簧，它具有強(qiáng)度高、彈性好等優(yōu)點(diǎn)。螺旋矩形彈簧與普通螺旋彈簧的力學(xué)性能類似，它在壓縮與伸張階段具有相同的剛度，即彈簧力與壓縮量成比例變化。其力學(xué)性能曲線如圖1所示。

本文利用上述理論模型，對(duì)該緩沖簧的后坐效能進(jìn)行分析。在VC環(huán)境下編制內(nèi)彈道計(jì)算程序，將其得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中的simulink模型中進(jìn)行后坐過(guò)程仿真，模擬單發(fā)及連發(fā)情況下的后坐運(yùn)動(dòng)。

單發(fā)情況下的后坐運(yùn)動(dòng)曲線如圖3～圖4所示。

圖1 螺旋矩形彈簧力學(xué)性能曲線Fig.1 Helical spring mechanics performance curve

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

圖3 后坐位移―時(shí)間曲線Fig.3 Recoil displacement-time curve

圖4 后坐速度―時(shí)間曲線Fig.4 Recoil velocity-time curve

連發(fā)計(jì)算按射速4 800發(fā)/min考慮，進(jìn)行15連計(jì)算，其后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線如圖5～圖7所示。

圖5 后坐位移―時(shí)間曲線Fig.5 Recoil displacement-time curve

圖6 后坐速度―時(shí)間曲線Fig.6 Recoil velocity-time curve

圖7 后坐力―時(shí)間曲線Fig.7 Recoil force-time curve

2.2 環(huán)形彈簧

環(huán)形彈簧是由帶有配合圓錐面的外環(huán)和內(nèi)環(huán)所組成的彈簧。當(dāng)其承受軸向載荷時(shí)，內(nèi)環(huán)受壓縮而直徑縮小，外環(huán)受拉伸而直徑擴(kuò)大，內(nèi)、外環(huán)沿圓錐面相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生軸向變形而起到彈簧的作用。

環(huán)形彈簧工作時(shí)，由于摩擦力的作用，卸載時(shí)摩擦力阻滯了彈簧變形的恢復(fù)，導(dǎo)致其加載和卸載的特性曲線不重合(見(jiàn)圖8)。圖8中彈簧加載和卸載特性曲線所包圍的面積即摩擦力轉(zhuǎn)化為熱能所消耗的功，其大小幾乎可達(dá)加載所作功的60%～70%，因此環(huán)形彈簧具有很強(qiáng)的緩沖減震能力，單位體積材料的儲(chǔ)能能力也比其他類型的彈簧大。

在同一數(shù)學(xué)模型下，改變計(jì)算參數(shù)，對(duì)比計(jì)算環(huán)形彈簧緩沖單發(fā)及連發(fā)情況下的自動(dòng)機(jī)后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律。單發(fā)情況下的后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線如圖9～圖10所示。

連發(fā)計(jì)算也按射速4800發(fā)/min考慮，進(jìn)行15連計(jì)算，其后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線如圖11～圖13所示。

計(jì)算參數(shù)的選擇以及最終的計(jì)算結(jié)果與實(shí)彈射擊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，二者對(duì)比結(jié)果如表1所示。

圖8 環(huán)形彈簧力學(xué)性能曲線Fig.8 Annular spring mechanics performance curve

圖9 后坐位移―時(shí)間曲線Fig.9 Recoil displacement-time curve

圖10 后坐速度―時(shí)間曲線Fig.10 Recoil velocity-time curve

圖11 后坐位移―時(shí)間曲線Fig.11 Recoil displacement-time curve

圖12 后坐速度―時(shí)間曲線Fig.12 Recoil velocity-time curve

圖13 后坐力―時(shí)間曲線Fig.13 Recoil force-time curve

計(jì)算參數(shù)螺旋矩形彈簧環(huán)形彈簧彈簧剛度/kN·mm-14.04.0預(yù)壓力/kN1624.5后坐部分質(zhì)量/kg214214測(cè)試參數(shù)計(jì)算結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果實(shí)測(cè)彈簧剛度/kN·mm-13.893.92(平均值)實(shí)測(cè)預(yù)壓力/kN15.5624后坐位移max/mm15.61511.510.8后坐速度max/m·s-11.52未測(cè)1.2未測(cè)后坐力max/kN78.473.9170.567.2

由表1可以看出，理論計(jì)算出的后坐位移與試驗(yàn)中由高速攝影儀測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。試驗(yàn)時(shí)，螺旋彈簧的剛度由實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)測(cè)試得到，后坐力的大小由剛度與后坐位移的乘積間接得出。環(huán)形彈簧在實(shí)際加載過(guò)程中，其力學(xué)性能曲線也是一條斜率不斷變大的曲線(可近似看作直線)，本文中環(huán)形彈簧的預(yù)壓力和后坐力均通過(guò)已知預(yù)壓量和后座位移后，通過(guò)壓力機(jī)實(shí)際測(cè)出。

從后坐速度曲線看，環(huán)形彈簧與螺旋矩形彈簧緩沖相比，最大后坐力相當(dāng)，但后坐速度相對(duì)較低，后坐行程也有所減少。因此，在結(jié)構(gòu)尺寸受限的情況下，環(huán)形彈簧的反后坐性能大大優(yōu)于螺旋矩形簧。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用上述理論模型，分別對(duì)2種緩沖簧的反后坐效能進(jìn)行了計(jì)算，得出了自動(dòng)機(jī)在這2種緩沖簧緩沖下，不同的后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律。經(jīng)實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證，表明試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好，由此確認(rèn)了本文數(shù)學(xué)模型及研究方法的正確性。

通過(guò)連發(fā)計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)這2種緩沖簧在穩(wěn)定射擊過(guò)程中，自動(dòng)機(jī)都能夠呈現(xiàn)浮動(dòng)特性，由此可知，這2種緩沖簧均具有較好的反后坐效能，都能滿足自動(dòng)機(jī)高射速、低后坐力的要求。但在有后坐位移限制的條件下，選擇環(huán)形彈簧更優(yōu)于螺旋矩形彈簧。

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Efficiency analysis about two kinds of counter recoil equipment

LIU Ming-min1，ZHANG Wei-feng2，ZHU Yan-fei1

(1.The 713 Reseach Institute of CSIC，Zhengzhou 450015，China；2.Zhengzhou Aircraft Equipment Company，Zhengzhou 450005，China)

In order to reduce recoil,all kinds of spring were applied to small caliber automatic cannon usually.Firstly, detached recoil movement equation was established through theory analysis.At Matlab simulink condition, counter recoil efficiency was calculated about two kinds of spring which has different mechanics characteristic. The calculation result indicated that the annular spring′s counter recoil efficiency was better than the screw rectangle spring. The result of calculated by theory model is correct which could be validated by ball firing experiment. At the same time, different recoil movement rules was be give about two kinds of spring.

spring;counter recoil;small caliber automatic cannon

2013-04-15；

2013-06-13

劉明敏(1978-)，女，碩士，主要從事自動(dòng)武器設(shè)計(jì)工作。

TJ302

A

1672-7649(2014)11-0157-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.032