一種迫彈自動(dòng)裝填的新型結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

范天峰，崔青春，田亞鋒，劉忠喜

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

針對(duì)新一代迫擊炮要求實(shí)現(xiàn)直瞄射擊、自動(dòng)裝填下的高射速功能，新一代中大口徑自行迫擊炮多采用后裝填發(fā)射方式，然而如何解決傳統(tǒng)的迫彈類彈藥在膛內(nèi)的閉氣與定位問題，成為當(dāng)前各國迫擊炮研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比于傳統(tǒng)的前裝填發(fā)射方式，靠尾翼穩(wěn)定的迫彈類彈藥采用后裝填發(fā)射時(shí)，通常因?yàn)闆]有膛內(nèi)定位，導(dǎo)致在輸彈機(jī)輸彈入膛后，造成彈藥前竄，尤其是小射角（通常在40°以下）時(shí)無法可靠擊發(fā)；操作使用時(shí)，需將身管抬起至較高射角確保彈藥靠自重下滑與擊發(fā)機(jī)構(gòu)貼合后重新瞄準(zhǔn)，才能可靠發(fā)射［1］。因而實(shí)現(xiàn)迫彈類彈藥在火炮膛內(nèi)準(zhǔn)確定位是實(shí)現(xiàn)后裝填迫擊炮小射角可靠發(fā)射、提高射速以及滿足自動(dòng)裝填發(fā)射要求的瓶頸技術(shù)［2］。

1 閉氣與定位機(jī)理

筆者研究設(shè)計(jì)的迫彈后裝填的閉氣與定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)迫彈后裝填入膛定位和發(fā)射時(shí)的可靠閉氣。它包括帶有底緣的金屬短藥筒、定位夾、螺環(huán)等零件，組合后安裝在迫彈后部。圖1為金屬短藥筒與尾翼穩(wěn)定迫彈連接示意圖。

閉氣與定位結(jié)構(gòu)由1個(gè)金屬短藥筒、2個(gè)定位夾和1個(gè)螺環(huán)組成。金屬短藥筒與迫彈利用定位夾連接，定位夾通過擰在藥筒上的螺環(huán)與藥筒連接，連接方法如圖2所示。

定位夾實(shí)現(xiàn)迫彈尾翼與螺環(huán)的可靠連接功能，在迫彈彈尾的對(duì)稱兩片尾翼上，各用一個(gè)定位夾夾住。因此定位夾的設(shè)計(jì)參考尾翼的結(jié)構(gòu)外形，定位夾頭部實(shí)現(xiàn)與尾翼的連接功能，尾部采用對(duì)稱的L形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與螺環(huán)開口處連接。螺環(huán)通過螺紋與金屬短藥筒內(nèi)壁配合固連，并且在對(duì)稱180°位置設(shè)計(jì)兩處開口，定位夾尾部L 形結(jié)構(gòu)卡入此開口處，從而將定位夾與金屬短藥筒連為一體。

金屬短藥筒由短底座和擊針組件組成，將成熟的藥筒技術(shù)與擊針技術(shù)創(chuàng)新結(jié)合。短底座包括底緣、擊針室、筒底。底緣用于裝填時(shí)抵在身管后端面上軸向定位，發(fā)射后靠抽筒子將其抽出炮膛。擊針室用于容納擊針，外形是凸起部，內(nèi)有螺紋與擊針導(dǎo)向件結(jié)合。筒底是藥筒的基礎(chǔ)部分，保證強(qiáng)度，防止發(fā)射時(shí)變形或破裂。擊針組件采用傳統(tǒng)的火炮擊針結(jié)構(gòu)。金屬短藥筒外形與身管的坡膛相似，在發(fā)射藥燃燒時(shí)形成氣體壓力，作用于藥筒筒壁產(chǎn)生彈性變形和塑性變形來密閉火藥氣體。當(dāng)藥室壓力增大至發(fā)射啟動(dòng)壓力，定位夾的前表面被剪切，彈丸與金屬短藥筒斷開連接，使彈丸向前推進(jìn)。射擊后，定位夾仍留在金屬短藥筒上并與其一同被抽出。

2 理論計(jì)算

2.1 藥筒的閉氣性及抽殼力計(jì)算

金屬短藥筒在設(shè)計(jì)上采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其外形與身管的坡膛相似，為便于裝填，二者之間有間隙。設(shè)計(jì)時(shí)，分別采用4種材料、3種間隙和2種藥筒壁厚進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)選出藥筒閉氣性好，并且抽殼力小的方案。圖3為采用結(jié)構(gòu)分析軟件ABAQUS，對(duì)藥筒方案在某種工況下進(jìn)行模擬分析計(jì)算的結(jié)果［3］。計(jì)算表明，不同裝藥號(hào)均能可靠閉氣，同時(shí)最大抽殼力滿足抽筒子設(shè)計(jì)要求。在膛壓作用過程中，由接觸壓力曲線與膛壓曲線的比較可知，接觸壓力始終大于膛壓，表明該結(jié)構(gòu)閉氣良好。

2.2 定位夾連接強(qiáng)度計(jì)算

定位夾設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)因素，一要保證膛內(nèi)發(fā)射時(shí)具有一定的啟動(dòng)壓力；二要保證自動(dòng)裝填時(shí)的連接強(qiáng)度，以承受慣性力的作用。筆者以某迫榴炮為依據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：

1）啟動(dòng)壓力對(duì)應(yīng)的最大剪切力計(jì)算

根據(jù)已定型彈藥相類似的剪切片的幾何結(jié)構(gòu)尺寸、剪切片所選材料的機(jī)械性能，計(jì)算啟動(dòng)壓力對(duì)應(yīng)的最大剪切力［4］。

對(duì)應(yīng)的剪切力計(jì)算：

式中：σb為材料的抗拉強(qiáng)度，取450 MPa；r為剪切位置半徑，取14mm；h為剪切片厚度，取1.4mm。

2）最大輸彈速度對(duì)應(yīng)的慣性力計(jì)算

根據(jù)已定型彈藥試驗(yàn)中測(cè)得的最大輸彈速度、輸彈到位作用時(shí)間以及試驗(yàn)中所用彈藥質(zhì)量；假設(shè)輸彈開始至輸彈到位的過程中為勻加速運(yùn)動(dòng)，由此計(jì)算得到的慣性力為

式中：m為彈藥質(zhì)量，取21.0kg；vmax為最大輸彈速度，取1.7m／s；t為輸彈到位作用時(shí)間，取44.6ms。

3）定位夾剪切強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)選用剪切片材料的機(jī)械性能、以及計(jì)算所得的最小剪切力、最大剪切力值。計(jì)算得：

最小剪切面積為

最大剪切面積為

式中：Fmin為最小剪切力，取810N；Fmax為最大剪切力，取27 708N。

設(shè)計(jì)的定位夾剪切面滿足此范圍即可，為考慮提高剪切強(qiáng)度，按最大剪切面積設(shè)計(jì)，可滿足剪切片的剪切強(qiáng)度要求。

2.3 迫彈尾翼翼片強(qiáng)度計(jì)算

迫彈在空中飛行過程中，迫彈尾翼起到尾翼穩(wěn)定作用，因此當(dāng)藥室壓力增大至發(fā)射啟動(dòng)設(shè)計(jì)壓力時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，定位夾的前表面被剪斷，使彈丸與藥筒斷開連接，帶尾翼的彈丸在火藥氣體作用下向前移動(dòng)。但是，在彈丸與藥筒斷開過程中不能損傷迫彈尾翼，否則會(huì)影響迫彈在空中的飛行穩(wěn)定性。

經(jīng)計(jì)算作用在尾翼翼片上的剪切應(yīng)力為248.95 MPa，迫彈尾翼翼片材料性能為500 MPa，因此不會(huì)損傷迫彈尾翼翼翅。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 定位夾及迫彈尾翼強(qiáng)度驗(yàn)證

為驗(yàn)證定位夾和迫彈尾翼是否符合強(qiáng)度要求，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了專項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

定位夾的驗(yàn)證需要保證兩條準(zhǔn)則：

1）在最大輸彈速度下彈丸慣性力不能將定位夾剪斷。

2）在膛內(nèi)啟動(dòng)壓力作用下定位夾可靠剪斷但不會(huì)損壞迫彈尾翼，且在定位夾剪斷時(shí)不會(huì)掉渣留膛影響下一發(fā)迫彈的自動(dòng)裝填。

為此，從定位夾的結(jié)構(gòu)尺寸、坡口形狀、預(yù)制裂紋尺寸及形狀、加工工藝等多方面進(jìn)行了計(jì)算和多次試驗(yàn)驗(yàn)證。被剪斷的定位夾如圖4所示。

通過多次試驗(yàn)，逐步完善設(shè)計(jì)，最后確定了以低碳鋼作為定位夾材料，剪切部位預(yù)制“V”形刻槽，定位夾采用鈑金工藝，利用工裝一次成型等設(shè)計(jì)方案，解決了定位夾剪切面強(qiáng)度和定位夾剪切后掉塊、掉渣等問題，并且迫彈尾翼翼片滿足強(qiáng)度要求。

3.2 閉氣與定位試驗(yàn)

在完成定位夾及尾翼的強(qiáng)度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合某課題進(jìn)行了實(shí)彈射擊閉氣與定位試驗(yàn)。試驗(yàn)共發(fā)射迫彈43發(fā)，火炮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)迫彈連續(xù)自動(dòng)供輸彈射擊。試驗(yàn)中藥筒定位與閉氣可靠，定位夾連接與斷裂可靠、無掉渣留膛現(xiàn)象，在不改變?cè)衅葟椊Y(jié)構(gòu)的情況下很好地實(shí)現(xiàn)了迫彈在任意射角情況下的裝填和射擊。

4 結(jié)束語

筆者在對(duì)迫彈后裝填過程中閉氣與定位機(jī)理進(jìn)行分析、理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對(duì)中大口徑迫擊炮的迫彈后裝填閉氣與定位技術(shù)進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

通過巧妙設(shè)計(jì)定位夾及螺環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)合成熟的藥筒閉氣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)迫彈后裝填的閉氣與定位功能，從而實(shí)現(xiàn)迫擊炮的任意角裝填和射擊，賦予了迫擊炮直瞄射擊的新功能。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)大口徑迫擊炮高速發(fā)射和自動(dòng)裝填奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

采用的定位夾連接器實(shí)現(xiàn)了金屬短藥筒與迫彈的無損傷可靠連接，定位夾預(yù)制刻槽剪切口，發(fā)射時(shí)不影響內(nèi)彈道性能，發(fā)射后不會(huì)掉渣留膛影響后續(xù)裝填，在沒有物理損壞的前提下金屬短藥筒可循環(huán)利用。該技術(shù)對(duì)火炮裝備發(fā)展過程中保證彈藥的通用性具有重要意義。

目前，該機(jī)構(gòu)已得到成功應(yīng)用，并且將在后續(xù)迫榴炮系列產(chǎn)品的發(fā)展中，對(duì)其兼容性、可靠性和安全性作進(jìn)一步的評(píng)估和驗(yàn)證。

（References）

［1］侯保林.火炮自動(dòng)裝填［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2010.HOU Baolin.Artillery automatic loading［M］.Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2010.（in Chinese）

［2］張培林，李國章，傅建平.自行火炮火力系統(tǒng)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2002.ZHANG Peilin，LI Guozhang，F(xiàn)U Jianping.Self－pro－pelled artillery fire system［M］.Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry，2002.（in Chinese）

［3］馬 曉 峰.ABAQUS 6.11 有 限 元 分 析 從 入 門 到 精 通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.MA Xiaofeng.ABAQUS 6.11finite element analysis from entry to the master［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2013.（in Chinese）

［4］李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.LI Shunming.Mechanical fatigue and reliability design［M］.Beijing：Science Press，2006.（in Chinese）