炮口振動(dòng)與立靶散布特性試驗(yàn)研究

王寶元, 許耀峰， 周發(fā)明， 衡 剛， 洪麗娜

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

炮口振動(dòng)與立靶散布特性試驗(yàn)研究

王寶元, 許耀峰， 周發(fā)明， 衡 剛， 洪麗娜

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

針對(duì)某高炮武器立靶散布中心明顯發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象，采用問題再現(xiàn)、原因分析、措施提出和效果驗(yàn)證等過程的試驗(yàn)研究方法，通過射擊試驗(yàn)，測(cè)試炮箱浮動(dòng)位移確定彈丸出炮口時(shí)間，用位移傳感器得到炮口振動(dòng)位移響應(yīng)曲線，采用圖像式立靶密集度測(cè)試系統(tǒng)得到立靶散布坐標(biāo)，對(duì)炮口振動(dòng)位移曲線進(jìn)行頻譜分析得到炮口振動(dòng)固有頻率，研究炮口位移響應(yīng)影響立靶散布的規(guī)律。結(jié)果表明，由于火炮結(jié)構(gòu)固有特性與射頻不匹配，引起炮口共振，使得彈丸出炮口時(shí)刻出現(xiàn)在炮口振動(dòng)位移最大位置，形成立靶散布中心側(cè)偏現(xiàn)象。通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，消除了炮口共振現(xiàn)象，立靶散布中心側(cè)偏現(xiàn)象基本消失。

高炮；炮口振動(dòng)；立靶密集度；動(dòng)態(tài)特性；試驗(yàn)研究

立靶密集度是高炮武器型號(hào)研制中的關(guān)鍵指標(biāo)之一，也是體現(xiàn)火炮武器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)模式的快速變化，對(duì)高炮立靶密集度性能要求越來越高，世界軍事大國(guó)非常重視提高立靶密集度課題研究。由于影響立靶密集度因素復(fù)雜、過程隨機(jī)，提高高炮立靶密集度方法研究一直是火炮型號(hào)研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一，立靶密集度性能指標(biāo)能否順利實(shí)現(xiàn)也是影響高炮型號(hào)研制進(jìn)程的關(guān)鍵制約因素[1]。文獻(xiàn)[2]應(yīng)用隨機(jī)模擬技術(shù)，從車、炮、彈、藥系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)內(nèi)彈道，自動(dòng)機(jī)、火炮振動(dòng)、起始擾動(dòng)、外彈道、土壤力學(xué)和設(shè)計(jì)參數(shù)靈敏度分析等理論，用計(jì)算機(jī)模擬火炮發(fā)射全過程，預(yù)測(cè)射彈立靶散布。文獻(xiàn)[3]針對(duì)密集度試驗(yàn)中無法區(qū)分火炮、彈丸和裝藥等各分系統(tǒng)對(duì)密集度的影響，歸納了影響密集度的主要因素，指出了密集度試驗(yàn)應(yīng)測(cè)試的參數(shù)。文獻(xiàn)[4]分析了大中心距、多管自動(dòng)火炮立靶密集度試驗(yàn)中有少量脫靶彈存在時(shí)，不剔除脫靶彈數(shù)據(jù)的立靶密集度試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，推導(dǎo)出了密集度及其誤差計(jì)算公式。文獻(xiàn)[5]在推導(dǎo)射擊沖擊所致脫靶彈數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，給出了可表征相關(guān)性的、戰(zhàn)斗炮立靶密集度的狀態(tài)方程。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了火炮振動(dòng)與射擊密集度實(shí)驗(yàn)方法研究，提出了火炮搖架俯仰角位移是聯(lián)系火炮振動(dòng)與密集度的可檢測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試敏感量的觀點(diǎn)，給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法和步驟。文獻(xiàn)[7]利用工作模態(tài)分析試驗(yàn)技術(shù)完成了自行火炮全炮試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到了所選火炮全炮模態(tài)頻率分布及其模態(tài)振型。文獻(xiàn)[8]研究了高炮振動(dòng)與密集度的關(guān)系。文獻(xiàn)[9]提出了一種帶彈序立靶密集度測(cè)試方法及測(cè)試系統(tǒng)，通過了靶場(chǎng)射擊驗(yàn)證。盡管如此，上述文獻(xiàn)均未涉及火炮立靶散布中心側(cè)偏現(xiàn)象研究?；鹋诹猩⒉挤譃榉较蛏⒉己透叩蜕⒉迹诜较蛏?，立靶散布中心明顯偏離立靶上的瞄準(zhǔn)中心現(xiàn)象本文稱其為側(cè)偏現(xiàn)象。

由導(dǎo)氣式自動(dòng)機(jī)組成的某小口徑單管火炮在射擊試驗(yàn)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)，其200 m立靶明顯發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象,如圖1所示。圖中，z表示方向，y表示高低，o點(diǎn)為瞄準(zhǔn)中心，但散布中心距瞄準(zhǔn)中心距離h值明顯大于設(shè)計(jì)值。為了快速查找原因，論文作者進(jìn)行了立靶散布中心側(cè)偏原因分析專項(xiàng)試驗(yàn)研究。經(jīng)過問題再現(xiàn)、原因分析、措施提出、效果驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，最終使問題得到圓滿解決。

圖1 立靶散布側(cè)偏示意圖Fig.1 Sketch map of deflection on Vertical target dispersion

1 立靶散布中心側(cè)偏原因分析

1.1 問題再現(xiàn)

彈丸立靶散布中心明顯發(fā)生側(cè)偏現(xiàn)象是典型的火炮結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性與立靶密集度性能不匹配技術(shù)問題。為此，首先進(jìn)行靶場(chǎng)射擊試驗(yàn)，同時(shí)，通過振動(dòng)測(cè)試，得到火炮振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。振動(dòng)測(cè)試內(nèi)容包括：

(1) 炮箱浮動(dòng)位移曲線；

(2) 炮口方向振動(dòng)位移曲線；

(3) 炮口高低振動(dòng)位移曲線；

(4) 彈丸出炮口時(shí)間信號(hào)；

(5) 彈丸著靶坐標(biāo)、彈序和200 m立靶密集度。

在后面的分析中，先做如下約定：

(1) 炮口振動(dòng)位移坐標(biāo)原點(diǎn)取在射擊前的靜平衡位置，方向正值表示炮口向右運(yùn)動(dòng)，方向負(fù)值表示炮口向左運(yùn)動(dòng)。

(2) 200 m立靶密集度射彈散布中心坐標(biāo)原點(diǎn)取在炮口瞄準(zhǔn)中心(靶面上)，方向正值表示彈孔在瞄準(zhǔn)中心右邊，方向負(fù)值表示彈孔在瞄準(zhǔn)中心左邊。高低正值表示彈孔在瞄準(zhǔn)中心上邊，高低負(fù)值表示彈孔在瞄準(zhǔn)中心下邊。

經(jīng)過射擊試驗(yàn)和振動(dòng)測(cè)試，得到了振動(dòng)測(cè)試結(jié)果和立靶散布結(jié)果，散布中心明顯偏離瞄準(zhǔn)中心。圖2是典型的炮口方向位移共振曲線，其橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為炮口位移，用電壓表示，通過標(biāo)定，可以得到位移值(下同)。隨著射彈數(shù)的增加，炮口方向位移逐漸變大，引起過大的彈丸起始擾動(dòng)，使射擊精度變差。在圖3中，上層曲線為炮箱位移測(cè)試曲線，下層曲線為炮口方向振動(dòng)位移測(cè)試曲線，炮箱位移曲線特征點(diǎn)給出彈丸出炮口時(shí)刻。從圖3可以看出，每當(dāng)彈丸出炮口時(shí)刻，炮口方向振動(dòng)位移達(dá)到最大值。炮口發(fā)生共振，則炮口振動(dòng)位移逐發(fā)放大，又都在炮口振動(dòng)到同一側(cè)位移最大時(shí)刻彈丸出炮口，這樣，就形成了散布中心側(cè)偏現(xiàn)象。

圖2 典型的炮口方向位移共振曲線Fig.2 Typical resonance curve of directional displacement at muzzle

圖3 炮口方向振動(dòng)位移測(cè)試曲線Fig.3 Measuring curve of directional displacement at muzzle

1.2 原因分析

根據(jù)射擊試驗(yàn)研究和理論分析，彈丸散布中心發(fā)生側(cè)偏原因有兩點(diǎn)：

(1) 由于炮口振動(dòng)方向一階固有頻率和射擊頻率基本重合，引起炮口共振，彈丸出炮口的時(shí)機(jī)基本都出現(xiàn)在炮口偏離到較大位移時(shí)；

(2) 身管和搖架剛度較弱又放大了炮口方向振動(dòng)位移幅值，或者說，身管和搖架剛度較弱又助長(zhǎng)了炮口共振現(xiàn)象的進(jìn)一步發(fā)展。

影響彈丸立靶散布中心位置的影響因素包括：

(1) 射擊頻率和炮口振動(dòng)固有頻率的匹配；

(2) 搖架剛度；

(3) 身管剛度。

火炮射擊試驗(yàn)時(shí)，通過對(duì)炮口方向振動(dòng)位移測(cè)試曲線進(jìn)行頻譜分析，得到了炮口方向振動(dòng)一階固有頻率，由于射擊頻率和火炮固有頻率重合，這時(shí)引起炮口共振。試驗(yàn)實(shí)際情況也是如此，圖3中，7條豎直的點(diǎn)劃線表示彈丸離開炮口時(shí)刻(也就是箭頭所指的位置)，可以清楚地看出，除第一發(fā)彈外，其余6發(fā)彈離開炮口的時(shí)刻基本都是炮口方向振動(dòng)位移曲線運(yùn)動(dòng)到最大時(shí)刻。因此，彈丸也就明顯偏離了瞄準(zhǔn)中心。試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果一致，圖4是200 m立靶散布圖，彈孔坐標(biāo)和分布是采用圖像式立靶密集度測(cè)試系統(tǒng)得到的，彈孔中的數(shù)字是用高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍到的實(shí)際彈序，坐標(biāo)刻度“a”代表一個(gè)長(zhǎng)度單位，下同。

搖架是支撐身管的基礎(chǔ)，搖架剛度的大小，直接影響炮口的牽連位移的大小。大的搖架剛度會(huì)明顯抑制炮口共振位移幅度，但大的搖架剛度不會(huì)消除炮口共振現(xiàn)象。弱的搖架剛度會(huì)放大炮口共振位移幅度。

這就是立靶散布中心明顯偏離瞄準(zhǔn)中心的根源。

圖4 炮口共振條件下的立靶散布圖Fig.4 Vertical target dispersion under resonance condition at muzzle

原因分析時(shí)，還進(jìn)行了不同質(zhì)量炮口制退器對(duì)炮口振動(dòng)位移、立靶散布中心位置和立靶密集度性能影響對(duì)比試驗(yàn)。選擇4種不同質(zhì)量的炮口制退器，進(jìn)行射擊試驗(yàn)，測(cè)量炮口振動(dòng)位移和立靶散布坐標(biāo)。當(dāng)炮口制退器質(zhì)量從大到小變化時(shí)，立靶散布中心側(cè)偏位移分別減小了10%、59%和96%，彈丸出炮口時(shí)刻炮口振動(dòng)位移分別下降了26%、37%和90%。結(jié)果表明，炮口制退器質(zhì)量最大時(shí)，炮口發(fā)生共振現(xiàn)象，立靶散布中心側(cè)偏距離最大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是質(zhì)量的變化會(huì)改變固有頻率，改變了頻率的匹配關(guān)系。

2 減小立靶散布中心側(cè)偏措施

2.1 技術(shù)措施

根據(jù)影響彈丸散布中心側(cè)偏現(xiàn)象的原因，首先，應(yīng)加強(qiáng)搖架剛度，它主要能減小支撐身管的基礎(chǔ)變形，同時(shí)，又能部分改變炮口振動(dòng)一階固有頻率；其次，應(yīng)加強(qiáng)身管剛度，它能顯著改變炮口振動(dòng)一階固有頻率，減小炮口振動(dòng)位移響應(yīng)，對(duì)避免共振有重要作用。加強(qiáng)搖架剛度，能顯著減小炮口振動(dòng)位移，抑制炮口共振現(xiàn)象。

綜上所述，解決彈丸散布中心側(cè)偏現(xiàn)象的措施有3條：

(1) 加強(qiáng)搖架結(jié)構(gòu)剛度；

(2) 加強(qiáng)身管剛度；

(3) 炮口振動(dòng)一階固有頻率和射擊頻率合理匹配。

搖架剛度加強(qiáng)措施包括補(bǔ)充增加自動(dòng)機(jī)前導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)，以提高搖架剛度，身管剛度加強(qiáng)措施包括沿身管全長(zhǎng)增加身管外徑尺寸等。

2.2 效果驗(yàn)證

針對(duì)上述原因，提出結(jié)構(gòu)修改方案和解決措施，進(jìn)行了射擊試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過程中，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法記錄炮口方向和高低振動(dòng)位移響應(yīng)曲線、炮箱浮動(dòng)位移響應(yīng)曲線、彈丸出炮口時(shí)間，用圖像式立靶密集度測(cè)試系統(tǒng)獲得射彈散布坐標(biāo)、射彈散布中心和密集度數(shù)值。

圖5 剛度加強(qiáng)與炮口位移最大值關(guān)系Fig.5 Relation between stiffness and max. displacement at muzzle

圖6 剛度加強(qiáng)與炮口方向振動(dòng)位移關(guān)系Fig.6 Relation between stiffness and directional displacement of muzzle

圖7 剛度加強(qiáng)與散布中心關(guān)系Fig.7 Relation between stiffness and vertical target Dispersion center

圖8 剛度加強(qiáng)與密集度關(guān)系Fig.8 Relation between stiffness and vertical target Dispersion

圖5-圖8給出了剛度加強(qiáng)與炮口位移最大值關(guān)系，剛度加強(qiáng)與炮口方向振動(dòng)位移關(guān)系，剛度加強(qiáng)與散布中心關(guān)系和剛度加強(qiáng)與密集度關(guān)系，是原結(jié)構(gòu)與剛度加強(qiáng)后的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖中符號(hào)“b”、“c” 和“d”均表示單位長(zhǎng)度。而符號(hào)“e”表示單位角度,這些圖清楚地表明了搖架剛度加強(qiáng)和身管剛度加強(qiáng)的顯著效果。搖架剛度和身管剛度加強(qiáng)后，炮口位移最大值、彈丸出炮口時(shí)刻炮口振動(dòng)位移明顯減小，彈丸方向散布中心與瞄準(zhǔn)中心之間的距離差成倍縮小，同時(shí)，立靶密集度也提高了。

圖9-圖11是搖架剛度和身管剛度加強(qiáng)前后炮口方向振動(dòng)位移曲線，從圖中可以清楚地看出，當(dāng)剛度未加強(qiáng)時(shí)，炮口方向振動(dòng)位移曲線不僅位移振幅大，而且曲線呈現(xiàn)出典型的共振特性，它是引起炮口較大位移、并使方向散布中心與瞄準(zhǔn)中心之間發(fā)生較大偏差的主要原因。當(dāng)剛度加強(qiáng)后，不管采用搖架剛度或身管剛度加強(qiáng)方案，炮口方向振動(dòng)位移振幅大大減小，在火炮發(fā)射過程中，炮口方向振動(dòng)位移曲線基本呈現(xiàn)出等幅振動(dòng)特性。3個(gè)曲線圖縱坐標(biāo)刻度相同。經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到了起落部分一、二階振型，見圖12和圖13所示，搖架剛度和身管剛度加強(qiáng)后，一、二階固有頻率分別提高了2.03 Hz和5.3 Hz，更遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率。

圖14和圖15給出了搖架和身管剛度加強(qiáng)后200 m立靶散布圖。剛度加強(qiáng)前，方向散布中心側(cè)偏現(xiàn)象明顯，剛度加強(qiáng)后，方向散布中心側(cè)偏現(xiàn)象明顯減弱。圖中的小十字線表示散布中心，坐標(biāo)原點(diǎn)是炮口瞄準(zhǔn)中心(立靶上)，3個(gè)散布圖坐標(biāo)軸刻度相同。

搖架和身管剛度加強(qiáng)后，不僅立靶密集度提高了，而且炮口振動(dòng)固有頻率也遠(yuǎn)離了射擊頻率，剛度加強(qiáng)效果得到驗(yàn)證。

將包括有身管和搖架的起落部分建立有限元變形計(jì)算模型，在炮口施加100 kg橫向載荷時(shí)，搖架和身管剛度加強(qiáng)后，炮口橫向變形減小了32%，剛度加強(qiáng)效果明顯。

圖9 剛度未加強(qiáng)時(shí)的炮口方向振動(dòng)位移曲線(共振)Fig．9Measuringcurveofdirectionaldisplacementatmuzzlebeforestiffnessstrengthened(resonancecurve)圖10 搖架剛度已加強(qiáng)后的炮口方向振動(dòng)位移曲線Fig．10Measuringcurveofdirectionaldisplacementatmuzzleaftercradlestiffnessstrengthened圖11 身管剛度已加強(qiáng)時(shí)的炮口方向振動(dòng)位移曲線Fig．11Measuringcurveofdirectionaldisplacementatmuzzleaftertubestiffnessstrengthened

圖12 起落部分一階振型圖Fig.12 First mode of elevating parts

圖13 起落部分二階振型圖Fig.13 Second mode of elevating parts

圖14 搖架剛度加強(qiáng)后立靶散布圖Fig.14 Vertical target dispersion after cradle stiffness strengthened

圖15 身管剛度加強(qiáng)后立靶散布圖Fig.15 Vertical target dispersion after tube stiffness strengthened

圖16 未采取剛度加強(qiáng)措施時(shí)的立靶散布圖Fig.16 Vertical target dispersion before stiffness strengthened

3 結(jié) 論

采用制式彈藥時(shí)，炮口振動(dòng)響應(yīng)是影響小口徑火炮立靶密集度的首要因素。當(dāng)炮口振動(dòng)固有頻率與射擊頻率相等時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，隨著射彈數(shù)的增加，炮口振動(dòng)位移逐漸變大，引起過大的立靶散布。對(duì)于本研究對(duì)象，當(dāng)發(fā)生炮口共振現(xiàn)象時(shí)，彈丸出炮口的時(shí)機(jī)基本都出現(xiàn)在炮口偏離到較大位移時(shí)，最終引起明顯的散布中心側(cè)偏現(xiàn)象。通過加強(qiáng)搖架剛度和身管剛度，使炮口振動(dòng)固有頻率遠(yuǎn)離射擊頻率，消除了炮口共振現(xiàn)象，減小了炮口振動(dòng)響應(yīng)，散布中心側(cè)偏現(xiàn)象顯著減小，立靶密集度性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于研究對(duì)象高低散布中心距瞄準(zhǔn)中心距離滿足設(shè)計(jì)要求，故本文未涉及高低散布。

致謝：張國(guó)平，王光華，陳彥輝，何宗穎，鐘紅曉，陳永剛，黃凱，劉朋科，邵小軍，喻華薩也參加了本文的研究工作，為論文的完成付出了辛勤勞動(dòng)，在此表示感謝。

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Effect of muzzle vibration on vertical target dispersion

WANG Bao-yuan, XU Yao-feng, ZHOU Fa-ming, HENG Gang, HONG Li-na

(Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099，China)

In order to investigate excursion phenomena of the dispersion center of vertical target of an anti-aircraft gun, a series of test methods were adopted, such as fault representation, cause analysis, measure-taking and results verification. In firing tests, the projectile leaving instant from a muzzle was determined by measuring the floating displacement of a receiver, and the displacement curves of muzzle vibration were obtained with displacement sensors. Furthermore, the vertical target dispersion coordinates were detected with a graphic vertical target dispersion testing system, and the natural frequencies of muzzle vibration were acquired with frequency spectral analysis of the displacement curves of muzzle vibration. Based on the above, the effect of muzzle vibration on the dispersion laws of vertical target was analyzed. It was shown that as the nature frequencies of the gun structure are close to firing frequencies, the muzzle resonance appears, the projectile leaving instant from the muzzle is the same as that when the maximum displacement of muzzle vibration occurs, so the excursion phenomenon of the dispersion center of vertical target is observed. Through optimizing the structural stiffness, the phenomenon of muzzle resonance was eliminated. Finally, the excursion phenomenon of the dispersion center of vertical target basically disappeared.

anti-aircraft gun; muzzle vibration; vertical target dispersion; dynamic characteristic; experimental study

2013-02-07 修改稿收到日期：2013-04-08

王寶元 男，碩士，研究員級(jí)高工，1959年9月生

TH113

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.015