導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室結(jié)構(gòu)研究

韓 鐵，袁志華，陳 強(qiáng)，胡 明，唐雙喜，王國(guó)軍

(1.中國(guó)人民解放軍92840部隊(duì)，山東 青島 266405；2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室結(jié)構(gòu)研究

韓 鐵1,2，袁志華2，陳 強(qiáng)1，胡 明2，唐雙喜1，王國(guó)軍1

(1.中國(guó)人民解放軍92840部隊(duì)，山東 青島 266405；2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)藥室利用管退式自動(dòng)方式，這種自動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于使用浮動(dòng)機(jī)原理的優(yōu)點(diǎn)，但受到重力影響較大，需設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的重力補(bǔ)償裝置。針對(duì)這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室，利用藥室的旋轉(zhuǎn)來(lái)完成火炮的開(kāi)閉鎖動(dòng)作，將進(jìn)彈的方向由傳統(tǒng)火炮的縱向進(jìn)彈改為橫向進(jìn)彈，不僅能大幅減小火炮的縱向尺寸，而且易于藥室燃?xì)饷芊?。?yīng)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)旋轉(zhuǎn)藥室的自動(dòng)機(jī)部分進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在原理上是可行的。

旋轉(zhuǎn)藥室；導(dǎo)氣式；ADAMS；動(dòng)力學(xué)仿真；自動(dòng)機(jī)

為解決現(xiàn)有戰(zhàn)車(chē)火力不足的問(wèn)題，火炮口徑不斷增大，使得武器系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大大增加。旋轉(zhuǎn)藥室火炮解決了火炮的威力與體積、質(zhì)量之間的矛盾問(wèn)題，它利用藥室的旋轉(zhuǎn)達(dá)到火炮開(kāi)鎖閉鎖的需要，旋轉(zhuǎn)藥室開(kāi)鎖后，抽彈與供彈的方向與火炮身管的軸線方向垂直，其特殊的工作方式使得火炮的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化[1]，縱向尺寸得以大大減小。但傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)藥室火炮使用管退式自動(dòng)方式，由于俯仰射擊時(shí)后坐部分受到重力的作用，所以需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)重力補(bǔ)償裝置；同時(shí)后坐部分質(zhì)量過(guò)大容易產(chǎn)生干涉，從而影響連發(fā)射擊精度[2-3]；而且傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)藥室火炮一直存在燃?xì)饷芊饫щy問(wèn)題[4]。筆者設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室，將導(dǎo)氣式自動(dòng)方式與旋轉(zhuǎn)藥室火炮原理相結(jié)合。該裝置具有惡劣環(huán)境下動(dòng)作機(jī)構(gòu)可靠、后坐能量易于控制的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)有利于采用新的藥室密封方案。

1 導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室火炮的工作原理

導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室火炮自動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)火炮射擊以后，大部分火藥燃?xì)馔苿?dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈丸經(jīng)過(guò)身管上的導(dǎo)氣孔以后，一部分火藥燃?xì)馔ㄟ^(guò)導(dǎo)氣孔進(jìn)入導(dǎo)氣管內(nèi)的氣室中，高溫高壓燃?xì)庠跉馐抑信蛎涀龉Σ⑼苿?dòng)活塞后坐，活塞推動(dòng)機(jī)框后坐，此時(shí)機(jī)框帶動(dòng)撥桿旋轉(zhuǎn)，撥桿帶動(dòng)楔形體運(yùn)動(dòng)，楔形體帶動(dòng)藥室座向后運(yùn)動(dòng)[5]。此過(guò)程中機(jī)框與旋轉(zhuǎn)藥室間的相對(duì)行程為自由行程，當(dāng)藥室座后坐大約1 cm后，機(jī)框上的導(dǎo)向槽與藥室上導(dǎo)向軸相配合，機(jī)框的后坐帶動(dòng)藥室旋轉(zhuǎn)，藥室旋轉(zhuǎn)90°以后完成開(kāi)鎖動(dòng)作。自此自動(dòng)循環(huán)的前半段完成。

當(dāng)自動(dòng)裝彈機(jī)完成裝彈以后，機(jī)框和活塞將在復(fù)進(jìn)簧的作用下向前復(fù)進(jìn)[6]，此時(shí)，機(jī)框上的導(dǎo)向槽與藥室上的導(dǎo)向軸相配合使藥室旋轉(zhuǎn)90°，這樣藥室的方向?qū)⑴c身管軸向?qū)φ?。然后機(jī)框繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，撥桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)楔形體橫向運(yùn)動(dòng)，利用楔緊現(xiàn)象，楔形體將使藥室座向前運(yùn)動(dòng)大約1 cm，藥室和身管之間將會(huì)擠緊，藥筒中的一小部分也將進(jìn)入身管內(nèi)。此時(shí)藥室完成閉鎖，如果擊發(fā)彈丸，高壓燃?xì)鈺?huì)使藥筒前端發(fā)生形變，藥筒前端將會(huì)貼緊身管以此達(dá)到藥室密封的目的。

2 導(dǎo)氣式旋轉(zhuǎn)藥室動(dòng)力學(xué)仿真

通過(guò)對(duì)自動(dòng)武器自動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究，掌握自動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性[7]。筆者運(yùn)用軟件ADAMS，對(duì)所建模型進(jìn)行仿真。

2.1 對(duì)輸入的模型施加約束

在將Pro/E中的模型輸入到ADAMS中之后，原模型本身自帶的約束就已經(jīng)失效了，為了能使模型能夠產(chǎn)生正確的運(yùn)動(dòng)，所以要為新載入的模型施加約束。本次施加的約束有：固定副、移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副3種。固定副的作用是固定兩個(gè)物體，使它們之間不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，如圖2(a)所示。移動(dòng)副的作用是確定兩物體間只能在一根線上發(fā)生平移，一個(gè)移動(dòng)副去除5個(gè)自由度，如圖2(b)所示。旋轉(zhuǎn)副的作用是確定兩個(gè)物體間只能相對(duì)于一根軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)副去除5個(gè)自由度，如圖2(c)所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

需要將仿真計(jì)算出的部分結(jié)果轉(zhuǎn)化為可以分析的圖形以便于后期的處理與分析。用ADAMS的測(cè)量功能來(lái)輸出需要測(cè)量的零部件的位移、速度、加速度、角速度、角加速度等參量。

2.2.1 機(jī)框運(yùn)動(dòng)特性分析

機(jī)框的位移與時(shí)間、機(jī)框的速度與時(shí)間、機(jī)框的加速度與時(shí)間曲線如圖3所示。從圖3可以看出機(jī)框的后坐行程約為100 mm，機(jī)框速度圖中，第1段曲線的上升階段，此時(shí)機(jī)框出于自由行程階段，受到的合力為主動(dòng)力與彈簧力的合力，此時(shí)機(jī)框的運(yùn)動(dòng)為加速運(yùn)動(dòng)，且由于合力隨著彈簧的壓縮而減小，所以機(jī)框的加速度應(yīng)該是逐漸減小的。當(dāng)機(jī)框后坐到一定的距離時(shí)，撥桿導(dǎo)軸脫離機(jī)框的導(dǎo)槽配合面。機(jī)框再次只受主動(dòng)力與彈簧力的作用再次加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)藥室的導(dǎo)軸進(jìn)入到機(jī)框?qū)Р鄣呐浜厦嬷?，由于藥室的慣性力的作用，機(jī)框會(huì)與藥室導(dǎo)軸產(chǎn)出碰撞，在極短的時(shí)間內(nèi)減速甚至出現(xiàn)反彈，此時(shí)的旋轉(zhuǎn)藥室也會(huì)因?yàn)榇舜蔚淖矒舳a(chǎn)生一定角速度的轉(zhuǎn)動(dòng)，加上主動(dòng)力的作用，機(jī)框再一次加速向后運(yùn)動(dòng)，隨著主動(dòng)力的作用，機(jī)框速度達(dá)到最大。

當(dāng)機(jī)框開(kāi)始復(fù)進(jìn)的時(shí)候，是相對(duì)于藥室旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軸的自由行程，所以體現(xiàn)為較均勻的加速。但是當(dāng)機(jī)框開(kāi)始接觸到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軸的時(shí)候，由于藥室慣性力的作用，使機(jī)框的速度迅速降低到0，隨后，機(jī)框在復(fù)進(jìn)簧力的作用下再次向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)藥室旋轉(zhuǎn)到位以后，機(jī)框再次進(jìn)入自由行程，表現(xiàn)為加速向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)框的撥桿導(dǎo)槽配合面接觸撥桿導(dǎo)軸之后，由于撥桿、楔形體、藥室座及藥室等聯(lián)動(dòng)件的慣性作用機(jī)框再次減速，由于撞擊的作用，產(chǎn)生極小幅度的反跳作用。但在復(fù)進(jìn)簧力的作用下再次加速向前復(fù)進(jìn)，大約在0.26 s的時(shí)候機(jī)框撥桿導(dǎo)槽配合面與撥桿導(dǎo)軸分離，機(jī)框以很大的加速度向前加速?gòu)?fù)進(jìn)直到復(fù)進(jìn)到位。

2.2.2 藥室運(yùn)動(dòng)特性分析

藥室是旋轉(zhuǎn)藥室火炮最重要的部件之一，它的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)于火炮的性能有很重要的影響[8]。下面通過(guò)藥室的角度與時(shí)間關(guān)系圖、角速度與時(shí)間關(guān)系圖和角加速度與時(shí)間關(guān)系圖來(lái)分析藥室在自動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性。藥室的角度與時(shí)間、藥室的角速度與時(shí)間、藥室的角加速度與時(shí)間曲線如圖4所示。

從圖4(a)可以看出，藥室旋轉(zhuǎn)的主要運(yùn)動(dòng)時(shí)間段是在0.025-0.225 s間，這段時(shí)間，藥室的運(yùn)動(dòng)較為平緩，但是在最高點(diǎn)藥室的旋轉(zhuǎn)角度略微大于90°，這是由于藥室高速旋轉(zhuǎn)到位時(shí)與炮箱的限位凸起發(fā)生了碰撞，雙方有微小的彈性形變，所以會(huì)有這段行程。

從圖4(b)中可以看出，在0.025 s之前，藥室的角速度為0，但在0.025 s時(shí)，藥室的角速度迅速增加到越500(°)/s， 這是由于機(jī)框相對(duì)靜止的藥室速度很高，兩者間剛相互作用時(shí)，發(fā)生了碰撞，藥室迅速得到了運(yùn)動(dòng)的能量，所以一瞬間就加到很大的角速度。之后藥室開(kāi)始一段幾乎是勻加速的階段，其加速度明顯比前一階段小，這是由于此時(shí)的加速是有主動(dòng)力推動(dòng)機(jī)框帶動(dòng)藥室加速的，其作用較為平和，所以藥室的加速過(guò)程比較平緩穩(wěn)定。在約0.08s的時(shí)候，藥室的角速度急劇降低為0，然后出現(xiàn)反彈，這是由于藥室已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到位，撞擊了炮箱上的限位凸起，在撞擊的作用下，藥室的運(yùn)動(dòng)迅速降低并產(chǎn)生反跳。當(dāng)?shù)竭_(dá)約0.225s的時(shí)刻，藥室再次劇烈減速至0，經(jīng)過(guò)極小的波動(dòng)之后達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。

圖4(c)能夠直觀地反映出藥室的受力情況，從圖中能看到3個(gè)較為明顯的峰值，第1個(gè)峰值為機(jī)框?qū)Р叟浜厦媾c藥室旋轉(zhuǎn)導(dǎo)軸發(fā)生接觸時(shí)受到的力造成的；第2個(gè)也是最大的那個(gè)負(fù)的峰值是由于藥室開(kāi)鎖后旋轉(zhuǎn)到位與炮箱限位凸起碰撞造成的；第3個(gè)次小的峰值，是當(dāng)藥室閉鎖時(shí)旋轉(zhuǎn)到位于藥室座的限位凸起碰撞產(chǎn)生的。

2.2.3 機(jī)框運(yùn)動(dòng)與藥室運(yùn)動(dòng)結(jié)合圖

為了直觀地表現(xiàn)出機(jī)框與藥室運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)關(guān)系，將兩條運(yùn)動(dòng)曲線畫(huà)在一個(gè)坐標(biāo)系中以便于比較，如圖5所示。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)仿真，證明以導(dǎo)氣式為自動(dòng)方式的旋轉(zhuǎn)藥室火炮在原理上是可行的，在施加了主動(dòng)力和彈簧力之后，火炮自動(dòng)機(jī)大約經(jīng)過(guò)0.3 s可以完成一次自動(dòng)循環(huán)，理論射速可以達(dá)到180～200 發(fā)/min。該結(jié)構(gòu)在大幅減小火炮縱向尺寸的同時(shí)，還可解決藥室燃?xì)饷芊鈫?wèn)題。這對(duì)于減小火炮體積和質(zhì)量，大幅提高火炮性能，具有非常重要的意義。

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ResearchonStructureofGasOperatedRotatingChamber

HAN Tie1,2，YUAN Zhihua2，CHEN Qiang1，HU Ming2，TANG Shuangxi1，WANG Guojun1

(1.92840 Troops of PLA, Qingdao 266405, Shandong, China;2.Equipment Engineering College,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159, Liaoning, China)

The traditional rotating chamber made use of the barrel recoil automatic operation mode, this automatic mode was simple in structure, and beneficial to using the principle of the floating machine, but it was greatly affected by gravity, so it is necessary to design special gravity compensation device. In order to solve the problem, a kind of gas operated rotating chamber was designed, it made use of powder chamber rotation to perform the open and closure action of the gun, and it will change the traditional gun feeding direction from longitudinal direction to lateral direction.This rotating chamber can not only greatly reduce the longitudinal size of the gun, but also be liable to carry out the chamber gas seal. The ADAMS dynamics simulation software was applied to the simulation of the automat part of the rotating chamber. Simulation results showed that the structure is feasible in principle.

rotating chamber；gas operated；ADAMS；dynamics simulation；automat

2014-06-26；

2014-08-22

韓鐵(1986-)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事火炮自動(dòng)武器與彈藥工程技術(shù)研究。E-mail：lujunzhihua2030@163.com

TJ35

A

1673-6524(2014)04-0087-04