基于動能定理的火炮炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺設(shè)計

楊艷峰,鄭 堅，狄長春，王宏凱，王 帥

(1.軍械工程學(xué)院,河北 石家莊 050003; 2.武漢軍械士官學(xué)校,湖北 武漢 430075)

?

基于動能定理的火炮炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺設(shè)計

楊艷峰1,鄭 堅1，狄長春1，王宏凱1，王 帥2

(1.軍械工程學(xué)院,河北 石家莊 050003; 2.武漢軍械士官學(xué)校,湖北 武漢 430075)

針對火炮射擊條件下炮閂系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)測量困難，提出將炮閂系統(tǒng)單獨出來建立系統(tǒng)沖擊試驗臺進行分析研究的思路。在確定了試驗臺設(shè)計原理的前提下，通過對自動開閂虛擬樣機模型進行改進，建立了試驗臺原理模型。依據(jù)動能定理，確定了炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺實現(xiàn)開閂所需的最小開閂力。在最小開閂力下，基于試驗臺原理模型分別對開閂板質(zhì)量取初始值m、10m、50m、100m時進行模擬實驗，結(jié)果表明：4種工況下皆未實現(xiàn)開閂，但隨著開閂板質(zhì)量的增加，外力做功損失的能量越小，曲柄轉(zhuǎn)過角度越大，越容易實現(xiàn)開閂。研究結(jié)果可為試驗臺建立提供理論支撐。

爆炸力學(xué)；沖擊試驗臺；動能定理；炮閂系統(tǒng)；虛擬樣機

圖1 炮閂系統(tǒng)原始模型Fig.1 Original model of breech system

炮閂系統(tǒng)作為火炮關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，是由擊發(fā)機構(gòu)、抽筒機構(gòu)等多個機構(gòu)組成的典型純機械系統(tǒng)，各機構(gòu)動作可靠性直接決定了火炮作戰(zhàn)威力能否正常發(fā)揮，并且關(guān)系到武器本身完好和操作人員安全。各機構(gòu)動作皆需借助系統(tǒng)開關(guān)閂這一主要動作完成，如圖1所示，火炮開閂時，隨著炮尾向前運動，其上曲柄撞擊固定不動的開閂板而發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而通過開啟機構(gòu)將運動傳遞給閂體，使閂體下降，實現(xiàn)開閂，并壓縮彈簧儲存關(guān)閂能量；關(guān)閂時，彈簧伸張，通過關(guān)閉機構(gòu)給閂體向上的力，閂體向上運動最終完成關(guān)閂。

據(jù)統(tǒng)計，炮閂系統(tǒng)故障率已超過全炮故障的30%[1]。因此對炮閂系統(tǒng)的可靠性研究十分重要。在火炮射擊條件下很難對炮閂系統(tǒng)進行測試來獲取實驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致對系統(tǒng)的實體研究實驗仍進行得太少。目前，炮閂系統(tǒng)研究主要以動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過理論計算及應(yīng)用有限元技術(shù)、虛擬樣機技術(shù)等進行機構(gòu)動力學(xué)分析[2-3]、強度分析[4-5]、零部件故障分析預(yù)測[6]及優(yōu)化設(shè)計研究[7-8]等。若將火炮炮閂系統(tǒng)單獨提取出來建立試驗臺，進而對系統(tǒng)的各項指標(biāo)進行測試來獲取實驗數(shù)據(jù)，并與設(shè)計說明書對比后進行調(diào)整改進，提高模擬真實火炮發(fā)射情況的可信度，將有利于炮閂系統(tǒng)各部件動力學(xué)特性的數(shù)據(jù)采集。

炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺設(shè)計主要由炮閂系統(tǒng)、床身、液壓缸、傳動機構(gòu)等組成，是一臺機、電、液綜合性實驗設(shè)備，利用液壓系統(tǒng)提供動力，通過傳動機構(gòu)將動力傳遞給炮閂系統(tǒng)實現(xiàn)開閂。其作用是可以模擬火炮射擊過程中炮閂系統(tǒng)的動作，為系統(tǒng)中零部件動力學(xué)參數(shù)的測量提供方便。本文主要利用動能定理，并基于虛擬樣機技術(shù)，對炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺進行設(shè)計和模擬實驗，為試驗臺的建立奠定理論基礎(chǔ)。

1 炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺設(shè)計原理

在建立炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺時，由于炮尾總質(zhì)量非常大，如若模擬實際的火炮炮尾復(fù)進過程，則需大量的能量對其驅(qū)動，而且大質(zhì)量的水平運動需要考慮質(zhì)量更大、強度很高的床身對其進行支撐和固定；并且大質(zhì)量的高速運動很難控制，沖擊后容易發(fā)生傾倒偏移等問題，必須考慮緩沖等安全問題。所以，若想利用試驗臺實現(xiàn)與火炮發(fā)射時相同的炮尾運動情況，難度很大、穩(wěn)定性較差、成本過高。

經(jīng)過論證研究，確定試驗臺設(shè)計原理：采用以開閂板為運動部分沖擊曲柄，炮尾被整體固定在試驗臺上，這樣可以有效地減少床身質(zhì)量和所需要的驅(qū)動能量，便于炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺的建造。

2 炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺模型建立

炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺模型的建立是在已建立的炮閂系統(tǒng)原始模型基礎(chǔ)上對約束和載荷進行修改完成的。炮閂系統(tǒng)原始模型是利用炮尾的運動進行開閂，以模擬實際的火炮發(fā)射情況。在建立模型時，將開閂板固定，炮尾在炮膛合力等外力作用下水平運動，如圖1箭頭所示，曲柄在隨炮尾運動過程中，與開閂板碰撞并相互作用，最終完成開閂。

在炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺原理模型建立過程中，依據(jù)已確定的設(shè)計原理，對炮閂系統(tǒng)原始模型進行改裝，將模型中添加在炮尾的運動及力刪去，修改為炮尾固定不動，將開閂板定義為水平運動并賦予一定力，沿原炮尾運動的逆方向沖擊曲柄，進而實現(xiàn)開閂，如圖2所示。

圖2 炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺原理模型Fig.2 Principle model showing the shock test platform of breech system

3 基于動能定理的最小開閂力確定

由于炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺是將開閂板作為運動部分去沖擊與炮尾成旋轉(zhuǎn)副的曲柄，所以開閂板的速度及質(zhì)量是動作過程的關(guān)鍵，而且沖擊在極短時間內(nèi)完成，根據(jù)動量守恒定律，開閂板速度與質(zhì)量的乘積必須達到一定值才可以推動曲柄進行開閂。開閂板的速度需要外力的作用，因此，質(zhì)量速度配合實驗就是利用不同的開閂板質(zhì)量配合不同的作用力來定義開閂板的運動特性，使之達到一定的動量之后沖擊曲柄進行開閂，將這一作用力定義為開閂力。

在試驗臺設(shè)計時，開閂板固定于箱體上，開閂板隨箱體一起向前運動，且通過增減箱體內(nèi)質(zhì)量塊來達到改變開閂板質(zhì)量的目的；開閂推力則由液壓力提供。開閂板在液壓力推動下沖擊曲柄，當(dāng)曲柄與開閂板下端面開始接觸，閂體運動到最低位置，此時只要開閂板還具有速度就可以向前運動到與曲柄分離，最終實現(xiàn)開閂。為計算系統(tǒng)實現(xiàn)開閂所需最小能量，假設(shè)此時開閂板速度降為0。依據(jù)動能定理

(1)

(2)

式中:Ep1、Ep2分別為系統(tǒng)初始勢能和終了勢能，上式移項后，得：

(3)

式(3)表明系統(tǒng)機械能變化等于非保守力做功。

定義開閂板開始運動為初始時刻，則系統(tǒng)動能和勢能為

(4)

式中:h1為閂體相對于零勢能點的初始高度；ki為系統(tǒng)中彈簧剛度系數(shù)；li1為彈簧初始變形量；i=1,2,3分別代表系統(tǒng)中關(guān)閉彈簧、擊針簧、頂簧；m1為閂體及其上所有零部件的質(zhì)量總和。

定義曲柄與開閂板下端面開始接觸為末了時刻，則系統(tǒng)動能和勢能為

(5)

式中:h2為閂體相對于零勢能點末了高度(閂體運動到最低位置時h2=0)；li2(i=1,2,3)為彈簧在開閂過程中的最大變形量，(考慮到頂簧是在開閂過程中達到最大壓縮量，而開閂到位后又恢復(fù)到初始壓縮量)。

在能量無損耗情況下(即不考慮開閂過程中構(gòu)件間摩擦力作用或碰撞損失的能量等)，從開始時刻到末了時刻非保守力所做的功即為液壓力做的功，即

(6)

式中:F為液壓系統(tǒng)提供的恒定力,S為開閂板從初始位置到曲柄與開閂板下端面開始接觸的位移。

將式(4)～(6)代入式(3)，整理得：

(7)

將式中各參量代入計算，得液壓力最小值，即最小開閂力理論值：

Fmin=518.2N

4 模擬實驗

圖3 自動開閂時曲柄轉(zhuǎn)動角度曲線Fig.3 Curve of the crank lever’s rotation angle under auto breechblock operating

4.1 開閂指標(biāo)的確定

炮閂系統(tǒng)自動開閂過程中，曲柄沖擊開閂板而轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角θ隨時間變化曲線如圖3所示。圖3中，在初始階段，即曲柄沖擊開閂板前，曲柄隨炮尾水平向前運動，其轉(zhuǎn)角為零，曲線保持水平；而后隨炮尾繼續(xù)向前運動，曲柄沖擊開閂板，由于開閂板固定不動，曲柄發(fā)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)動角度θ達到111.4°時，即可實現(xiàn)開閂。

4.2 最小開閂力下開閂過程模擬

在建模時，給圖2中的開閂板施加水平力Fmin，開閂板質(zhì)量保持不變，而后進行模擬實驗。通過測量，得到曲柄轉(zhuǎn)角隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4中，曲柄最大轉(zhuǎn)角θmax僅為19.2°，未達到開閂指標(biāo)，故開閂力為Fmin時，開閂板沒有實現(xiàn)開閂而被推回，開閂板位移曲線如圖4中虛線所示。在t=0時，開閂板在力作用下開始運動；在t=0.044 s時，開閂板沖擊曲柄使其轉(zhuǎn)動，并繼續(xù)向前運動；在t=0.108 s時，開閂板位移達到最大值，此時速度降為0，而后由于壓縮彈簧所產(chǎn)生的反作用力大于開閂力，開閂板被曲柄推回；在t=0.198 s時，彈簧反作用力與開閂力達到平衡，致使開閂板與曲柄接觸而保持靜止。

在實際工況下，彈簧阻尼、零部件間的碰撞及相對運動產(chǎn)生的摩擦等必然會耗散系統(tǒng)的能量，因此要想實現(xiàn)開閂，開閂力實際值要大于Fmin，其具體值需要通過實驗來確定。而在不同開閂板質(zhì)量、開閂距離工況下，實現(xiàn)開閂所需的開閂力不同。

圖4 曲柄轉(zhuǎn)角和開閂板位移曲線Fig.4 Curves of the crank lever’s rotation angle and the breechblock operating cam’s displacement

圖5 不同工況下曲柄轉(zhuǎn)動角度曲線Fig.5 Curves of the crank lever’s rotation angle under different working conditions

4.3 開閂板質(zhì)量對開閂的影響

由于開閂板自身質(zhì)量m很小，僅有2 kg左右，因此，在建立炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺時，可以通過改變其質(zhì)量來增加開閂板動量，從而盡可能地實現(xiàn)開閂。為了區(qū)分初始質(zhì)量m，用M表示改變后的開閂板質(zhì)量，在液壓力為Fmin條件下，選取開閂板質(zhì)量M分別為初始值m、10m、50m、100m時沖擊曲柄，測得曲柄轉(zhuǎn)動角度隨時間的變化曲線如圖5所示。

圖5顯示，隨著開閂板質(zhì)量M的增加，開閂板沖擊曲柄，而使曲柄轉(zhuǎn)過的角度增大，那么，閂體下降的高度就會增大，即更容易實現(xiàn)開閂。4種工況下，開閂板沖擊曲柄時刻ts、第1次沖擊持續(xù)作用時間ta以及曲柄角度最大值θmax如表1所示。

表1 不同工況下開閂參數(shù)

表1顯示，隨著開閂板質(zhì)量的增加，沖擊曲柄時刻滯后，但與曲柄相互作用時間延長，且曲柄可以轉(zhuǎn)過的角度變大。這也由動能Ek與動量p間的關(guān)系

(8)

得到驗證。但是，由于外力對開閂板做功后，開閂能量不足，4種工況下曲柄轉(zhuǎn)角最大值皆小于111.4°，即沒有實現(xiàn)開閂，且曲柄回轉(zhuǎn)，開閂板被推回，最后都保持在平衡位置，不同工況具體分析如下：

(1)在開閂板質(zhì)量為初始值m時，由于其質(zhì)量較小，在沖擊曲柄前，所具有的沖量很小，沖擊時使曲柄轉(zhuǎn)動的角度就小，曲柄回轉(zhuǎn)后保持一定角度達到平衡狀態(tài)。

(2)在開閂板質(zhì)量為10m時，曲線波動性很明顯，即曲柄與開閂板碰撞后轉(zhuǎn)動，在與開閂板脫離接觸后，曲柄回轉(zhuǎn)到初始位置，隨著沖擊次數(shù)的增加，曲柄轉(zhuǎn)過的角度逐漸減小，即曲線波峰值減小，且兩個波峰的時間間隔減小，直至曲柄與開閂板件作用力與外力平衡而保持靜止。

(3)在開閂板質(zhì)量分別為50m和100m時，曲柄轉(zhuǎn)角曲線同樣會出現(xiàn)波動性，而圖中僅繪制了第1次沖擊作用過程曲線。2種工況下，曲柄轉(zhuǎn)過角度明顯增大，接近開閂指標(biāo)。

依據(jù)表1數(shù)據(jù)，進一步得到開閂板質(zhì)量對開閂參數(shù)影響規(guī)律，如圖6所示。從圖6中不難看出，3條曲線隨著開閂板質(zhì)量增大逐漸趨于平緩。即選取的開閂板質(zhì)量越大，對開閂參數(shù)影響會減小。

為了計算系統(tǒng)在4種工況下外力所做的功，實驗測得開閂板的位移曲線如圖7所示。通過計算，得到開閂板在最大位移Smax處外力所做的功W、曲柄最大轉(zhuǎn)動角度時系統(tǒng)所增加的能量(有用功)W1及效率η如表2所示。表2顯示，開閂板質(zhì)量越大，沖擊損失的能量越小，當(dāng)開閂板質(zhì)量為100m時，損失的能量僅為13.1%。因此，在開閂力一定的情況下，炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺應(yīng)當(dāng)選取較大的開閂板質(zhì)量。

將表2中數(shù)據(jù)繪制成如圖8所示的曲線,由圖8可知，隨著開閂板質(zhì)量的增加，3條曲線逐漸趨于平緩，即選取的開閂板質(zhì)量越大，對外力做功影響越小，這與開閂板質(zhì)量對開閂參數(shù)影響規(guī)律相符合。

圖6 開閂板質(zhì)量對開閂參數(shù)影響規(guī)律Fig.6 Influence of the mass of the breechblock operating cam on the parameters of breechblock operating

圖7 不同工況下開閂板位移曲線Fig.7 Curves of the breechblock operating cam’s displacement under different working conditions

表2 外力做功

圖8 開閂板質(zhì)量對外力做功影響規(guī)律Fig.8 Influence of the mass of breechblock operating cam on the work of the force

5 結(jié) 論

通過分析火炮實際射擊條件下運動情況，確定了建立炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺的原理：以開閂板沖擊炮尾上的曲柄來實現(xiàn)開閂。在對已有自動開關(guān)閂模型進行修改基礎(chǔ)上建立了炮閂系統(tǒng)沖擊試驗臺原理模型。在不考慮能量損失的情況下，基于動能定理確定了實現(xiàn)開閂所需的最小開閂力。在最小開閂力下，分別對開閂板質(zhì)量取初始值m、10m、50m、100m時進行模擬實驗，結(jié)果表明：4種工況下皆未能實現(xiàn)開閂，但隨著開閂板質(zhì)量的增加，外力做功損失的能量越小，曲柄轉(zhuǎn)過角度越大，越容易實現(xiàn)開閂，開閂參數(shù)及外力做功變化趨于平緩。

[1] 曹立軍,秦俊奇,王興貴.炮閂系統(tǒng)故障仿真預(yù)測系統(tǒng)研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2002(2):50-53. Cao Li-jun, Qin Jun-qi, Wang Xing-gui. Research of fault simulation and prediction system for breech mechanism[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2002(2):50-53.

[2] 杜中華,王興貴,馬吉勝.基于虛擬樣機技術(shù)的某型火炮開閂過程動力學(xué)特性研究[J].機械工程學(xué)報,2004,40(6):123-126. Du Zhong-hua, Wang Xing-gui, Ma Ji-sheng. Research on guns breech-opening process dynamic characteristics based on prototype technology[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2004,40(6):123-126.

[3] 石明全,劉雷,陳運生.火炮開閂過程動力學(xué)分析[J].彈道學(xué)報,2003,15(2):23-28. Shi Ming-quan, Liu Lei, Chen Yun-sheng. Research on process of opening block and ejecting container of a certain gun[J]. Journal of Ballistics, 2003,15(2):23-28.

[4] 陳永才,李鵬,熊宜光.炮閂閂體擊針孔強度仿真計算與結(jié)構(gòu)改進[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報,2009,21(2):38-40. Chen Yong-cai, Li Peng, Xiong Yi-guang. Analyzing the strength of gun breech block and upgrading the structure of gun firing pin[J]. Journal of Ordnance Engineering College, 2009,21(2):38-40.

[5] 謝鋒,何行.基于有限元模型的炮閂結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)強度分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2007,17(9):182-183. Xie Feng, He Hang. Analysis on the static strength of the breechblock structure based on FEM[J]. Sci-Tech Information Development&Economy, 2007,17(9):182-183.

[6] 張金忠,叢孟凱,張雙喜,等.125 mm坦克炮炮閂抽筒裝置故障仿真分析[J].火力與指揮控制,2012,37(7):155-157. Zhang Jin-zhong, Cong Meng-kai, Zhang Shuang-xi, et al. Research on failure analysis based on simulation about 125mm tank gun breechblock extractor mechanism[J]. Fire Control & Command Control, 2012,37(7):155-157.

[7] 項立銀,顧克秋.基于響應(yīng)面法炮尾炮閂6σ穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計[J].機械制造與研究,2011,40(1):20-22. Xiang Li-yin, Gu Ke-qiu. 6σRobust optimal design of breech and block’s fillet based on respond surface method[J]. Machine Building Automation, 2011,40(1):20-22.

[8] 張建，唐文獻，徐省省,等.火炮炮閂抽筒子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].兵工學(xué)報,2012,33(6):647-651. Zhang Jian, Tang Wen-xian, Xu Xing-xing, et al. Structural optimization design for breechblock extractor[J]. Acta Armamentarii, 2012,33(6):647-651.

(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Shock test platform design of gun breech system based on kinetic energy theorem

Yang Yan-feng1, Zheng Jian1, Di Chang-chun1, Wang Hong-kai1, Wang Shuai2

(1.OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,Hebei,China; 2.WuhanOrdnanceNonCommissionedOfficerAcademy,Wuhan430075,Hubei,China)

It is hard to performe measurement of breech system under condition of gun shooting. The idea, treating the system separately to establish shock test platform, is presented. With the design principle determined, the principle model of the shock test platform was established through the improvement on automatic breechblock operating virtual prototype model. The minimum force for shock test platform to open breechblock is determined based on the conservation theorem of kinetic energy. Under the minimum breechblock operating force, the simulation tests are performed based on the principle model when the mass of the breechblock operating cam has original values ofm, 10m, 50mor 100mseparately. The results show that it is impossible to operate breechblock under the four working conditions. However, as the mass of breechblock operating cam increases, the losing energy du to the work of the force decreases and the rotation angle of the crank lever increases, which makes the open breechblock easier. The research provides theory support for test platform establishment.

mechanics of explosion; shock test platform; kinetic energy theorem; breech system; virtual prototype

10.11883/1001-1455(2015)01-0076-06

2013-06-13；

2013-10-17

國家自然科學(xué)基金項目(50645019)

楊艷峰(1988— )，男，博士研究生,yyf2012yyf@163.com。

O389; TJ303.3 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

A