迫擊炮發(fā)射載荷緩沖技術(shù)研究

劉　松，高躍飛，信義兵，劉海濤

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原　030051)

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迫擊炮發(fā)射載荷緩沖技術(shù)研究

劉松，高躍飛，信義兵，劉海濤

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原030051)

隨著對武器威力與機動性需求的提高，迫擊炮也在向著輕量化發(fā)展。近年來，通過采用輕型合金材料和復(fù)合材料已經(jīng)可以有效地減小迫擊炮炮身和座鈑的質(zhì)量。然而，進一步降低迫擊炮質(zhì)量則受制于迫擊炮發(fā)射時的沖擊載荷。故從減小作用到座鈑的發(fā)射載荷出發(fā)，設(shè)計了一種適用于迫擊炮的小行程彈性膠泥緩沖器，并建立迫擊炮發(fā)射動力學(xué)模型，基于Matlab對后坐運動進行了分析計算，對緩沖器的流液孔面積、后坐長度、后坐力等進行了分析，確定了緩沖器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。計算結(jié)果表明，筆者設(shè)計的緩沖器在不顯著增加迫擊炮結(jié)構(gòu)尺寸的情況下能夠有效降低迫擊炮的后坐力。

彈性膠泥；迫擊炮；緩沖器；輕量化

由于迫擊炮相對于同口徑火炮結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、火力機動靈活，能較好地適應(yīng)現(xiàn)代特種戰(zhàn)斗的需要，因而作為一種有效的火力支援武器得到了廣泛的應(yīng)用。作為伴隨火力支援武器，減輕迫擊炮的質(zhì)量成為一個主要的需求。傳統(tǒng)迫擊炮的炮身與座鈑剛性連接，發(fā)射載荷由座鈑直接傳遞給地面，利用土壤的變形來吸收后坐能量，座鈑的結(jié)構(gòu)尺寸對迫擊炮射擊穩(wěn)定性起到了主要的決定作用[1]。然而，由于迫擊炮的發(fā)射載荷直接由座鈑承受，要求座鈑質(zhì)量很大，如我國W86式120 mm迫擊炮，炮身重88 kg，座鈑重達91 kg。

近年來，輕型復(fù)合材料的應(yīng)用使得迫擊炮輕量化取得巨大突破。據(jù)報道，美國洛克希德公司曾研制以石墨環(huán)氧復(fù)合材料作為炮身的81 mm和120 mm迫擊炮，同普通鋼制炮身相比可減重62%[2]。但是為保證射擊穩(wěn)定性，炮身質(zhì)量的降低反而會提高座鈑的質(zhì)量要求，如何降低迫擊炮發(fā)射載荷成為迫擊炮輕量化設(shè)計的關(guān)鍵。反后坐裝置雖然能夠大幅吸收后坐能量，但是傳統(tǒng)反后坐裝置應(yīng)用于迫擊炮后會使全炮結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，因而近代迫擊炮很少采用反后坐裝置。

筆者以彈性膠泥為緩沖材料，針對某120 mm迫擊炮提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、適用于迫擊炮的緩沖器方案，以達到減小迫擊炮發(fā)射載荷的目的。

1　彈性膠泥

彈性膠泥是一種由有機聚硅氧烷、抗壓劑、填充劑、增塑劑等組成的未交聯(lián)共混物。作為一種高效緩沖材料，從上個世紀(jì)60年代開始研究并已廣泛應(yīng)用于鐵路交通緩沖器。

它具有以下特性[3-4]：

1)高阻尼粘彈性：彈性膠泥粘度遠遠高于水、油等普通液體，可提供很大的粘彈阻尼力。

2)可壓縮性：在高壓下，彈性膠泥壓縮率達15%～20%。在外力作用下可將部分能量轉(zhuǎn)化為彈性勢能，外力撤去后體積膨脹復(fù)原。

3)穩(wěn)定性：彈性膠泥在-70～250℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠，且對人和環(huán)境無害。

4)特性可調(diào)：添加劑可改善其粘度、粘彈性、抗老化性等特性。

2　緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

常見的膠泥緩沖器按照阻尼方式可分為間隙式、孔隙式和組合式3種結(jié)構(gòu)[4]，如圖1所示。雙出桿結(jié)構(gòu)活塞兩端活塞桿直徑不同，通過活塞桿壓縮膠泥體積產(chǎn)生彈性力。

針對迫擊炮特點，緩沖器構(gòu)造形式采用單出桿式。對于單出桿式緩沖器，間隙式結(jié)構(gòu)僅依靠端蓋孔定位活塞，容易使活塞桿在端蓋位置產(chǎn)生徑向力偶，破壞其密封性。孔隙式則需在活塞開出較大尺寸的流液孔，不適合小尺寸結(jié)構(gòu)要求。

筆者設(shè)計了寬溝槽結(jié)構(gòu)，以缸體內(nèi)壁定位活塞，保證了活塞徑向穩(wěn)定和足夠的流液面積。該緩沖器由缸體、活塞及活塞桿、端蓋、密封裝置等組成。緩沖器與迫擊炮同軸固連于炮尾，活塞外端作炮杵與座鈑駐臼配合。如圖2～4所示。

設(shè)計參數(shù)為：缸體內(nèi)徑：120 mm；活塞直徑：120 mm；活塞桿直徑：24 mm；活塞厚度：20 mm；膠泥粘度：5×106cst；膠泥密度：970 kg/m3；膠泥體積模量：1.7×109Pa。

2.2作用原理

1)后坐階段，一方面活塞壓縮膠泥通過溝槽流液孔，產(chǎn)生粘滯阻尼，將部分后坐能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗；另一方面隨著行程增大，活塞桿占據(jù)工作腔空間，壓縮膠泥體積，使部分后坐能量轉(zhuǎn)化為彈性勢能。這一過程相當(dāng)于制退機作用。

2)復(fù)進階段，膠泥在彈性作用下推動活塞復(fù)進到位，膠泥反向流經(jīng)流液孔，產(chǎn)生粘滯阻尼消耗復(fù)進能量，起到復(fù)進節(jié)制的作用。這一過程相當(dāng)于復(fù)進機。

2.3緩沖器動力學(xué)模型

膠泥阻抗力包括三方面[5]：預(yù)壓力、膠泥體積壓縮產(chǎn)生的彈性力和膠泥流經(jīng)流液孔產(chǎn)生的阻尼力。該動力學(xué)模型可由開爾文-沃伊特模型描述，如圖5所示。

1)預(yù)壓力F0

預(yù)壓力產(chǎn)生于膠泥的預(yù)壓縮，即充入膠泥體積大于缸體容量。預(yù)壓力太小會降低緩沖器工作效率，過大則使緩沖器在非工作時承受較大載荷。取預(yù)壓力F0=10kN。

(1)

式中：V0為膠泥預(yù)壓體積；P0為預(yù)壓壓強；A為活塞面積；E為膠泥體積模量；V為工作腔容積。

2)膠泥體積壓縮產(chǎn)生的彈性力FS

由體積模量定義可得

(2)

式中：Ag為活塞桿截面積；x為后坐行程。

3)膠泥粘滯阻尼力FV

(3)

大量試驗表明，阻尼力與速度并非呈單純的線性關(guān)系，因而引入速度相關(guān)系數(shù)更真實反映阻尼力的大小。由流體切應(yīng)力關(guān)系得到阻尼系數(shù)公式[6]：

C=Kπdlμeθh′

(4)

式中：K為切應(yīng)力系數(shù)；θ為補償系數(shù)；h′為環(huán)形間隙等截面積當(dāng)量間深度；d為活塞桿直徑；l為活塞厚度；μ為膠泥動力粘度。

最終得到阻抗力為

(5)

3　全炮動力學(xué)分析

1)炮膛合力Fpt

迫擊炮是一種特種作戰(zhàn)火炮，具有不同于其他火炮的特點，如炮彈尾翼穩(wěn)定、彈體與膛壁存在間隙、特殊的裝藥結(jié)構(gòu)和點火方式等。其內(nèi)彈道計算也與一般火炮有很大不同，主要體現(xiàn)在基本裝藥與輔助裝藥混合燃燒、氣體流失、較大熱散失、次要功計算等方面[7]。

筆者編寫了基于Matlab的迫擊炮內(nèi)彈道程序，求解得到炮膛合力數(shù)據(jù)，如圖6所示。

2)緩沖器力：包括膠泥阻抗力F和密封裝置摩擦力νmhg，其中經(jīng)驗系數(shù)ν取0.3,mh為后坐部分質(zhì)量。

3)緩沖機力：迫擊炮緩沖機作用是建立炮身與炮架的彈性連接，在后坐過程中吸收的能量很小，因此忽略緩沖機作用力。

4)重力沿軸向分量：mhgsinφ，取最大射角φ= 85°。

(6)

4　Matlab仿真計算

4.1程序設(shè)計

筆者基于Matlab對迫擊炮后坐運動過程進行了仿真計算。

首先進行了內(nèi)彈道計算，為了便于后坐微分方程的求解，對炮膛合力進行修正，采用拉格朗日差值法得到任意時刻炮膛合力值。后坐微分方程的求解采用四階龍格-庫塔(R-K)法。在對后坐運動的膛內(nèi)時期、后效時期、慣性時期3個階段求解時，采用變步長方法，使各階段的起始點與方程組邊界時刻一致。程序設(shè)計框圖如圖7所示。

4.2結(jié)果分析

4.2.1發(fā)射載荷緩沖性能分析

當(dāng)彈性膠泥參數(shù)、緩沖器主體尺寸選定后，后坐力的大小與膠泥體積和流液溝槽截面積有關(guān)。通過改變溝槽深度參數(shù)，并根據(jù)后坐長度修正膠泥體積，多次計算得到不同溝槽深度條件下后坐力隨時間變化曲線，如圖8所示，其中未使用緩沖裝置時后坐力即炮膛合力Fpt，峰值大小為1 210 kN。后坐長度隨溝槽深度變化曲線如圖9所示。

結(jié)合圖8和圖9可知，在一定范圍內(nèi)后坐力峰值隨流液孔面積增大而增減小，但是隨著流液面積的增大，緩沖器阻尼力減小，后坐長度相應(yīng)增加。當(dāng)溝槽深度h=5 mm時，后坐長為59 mm，后坐力峰值為718 kN，降幅1/3；h=3 mm時，后坐長為42 mm，后坐力峰值為930 kN，降低了1/5。

按照小尺寸結(jié)構(gòu)要求，選定溝槽深度h=3 mm，后坐長在42 mm，圖10和圖11分別為該條件下后坐力隨時間和后坐位移變化曲線。

4.2.2復(fù)進穩(wěn)定性分析

加裝緩沖器后，若復(fù)進速度過大會導(dǎo)致復(fù)進到位沖擊問題，影響射擊穩(wěn)定性。圖12所示的后坐速度曲線表明，復(fù)進速度平緩穩(wěn)定，復(fù)進到位時無明顯沖擊。

4.2.3全炮減重效果分析

本文所用迫擊炮的相關(guān)參數(shù)為：炮身50 kg，座鈑62 kg，炮架32 kg，彈藥14 kg，炮口初速340 m/s。

迫擊炮設(shè)計中，常采用載荷作用的全沖量來估算座鈑質(zhì)量[1]，表示為

(7)

式中：M為座鈑質(zhì)量；g為重力加速度；c為經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)已知參數(shù)確定經(jīng)驗系數(shù)c=7.83s；I為炮膛合力全沖量，一般近似取彈丸出炮口動量，即I=mv0。

加裝緩沖器后座鈑所受載荷全沖量由后坐力曲線求得Ih=3 748N·s。最終求得座鈑質(zhì)量估算值M= 48.9kg。同座鈑原重相比減重達13kg。另外，由于發(fā)射載荷峰值降低，對座鈑剛度要求降低，有利于座鈑結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化。

設(shè)計緩沖器結(jié)構(gòu)長度約120mm左右(只考慮了增加部分)，質(zhì)量估算約6kg。需要指出的是由于緩沖器缸體與炮尾固聯(lián)，可視為炮身的一部分，本文求解后坐運動方程時仍采用了原有炮身質(zhì)量，這樣處理的依據(jù)在于，緩沖器質(zhì)量的增加可以用輕型材料炮身補償。原有迫擊炮炮身質(zhì)量的進一步降低限制于發(fā)射載荷過大，射擊穩(wěn)定性難于保證，而非材料技術(shù)問題。本文研究的目的就在于為輕型材料炮身和座鈑輕量化技術(shù)的進一步應(yīng)用提供前提。因而，緩沖器對全炮質(zhì)量的增加主要體現(xiàn)在活塞、活塞桿和膠泥質(zhì)量，約2.5kg。

綜上分析，在本文設(shè)定的仿真條件下，該緩沖器可降低10kg左右，效果明顯。

4.2.4緩沖器結(jié)構(gòu)可靠性分析

缸體、活塞、活塞桿強度可通過強度校核或有限元分析保證?？煽啃员∪醯奈恢弥饕嵌松w與缸體的螺紋連接，對此可考慮焊接固聯(lián)。而由于膠泥分子量較大，密封要求低。南京理工大學(xué)曾以硅油(即彈性膠泥)為駐退液研制出一套火炮反后坐裝置，并指出其密封性是可以保證的[9]。另外彈性膠泥高低溫穩(wěn)定性良好，對環(huán)境敏感性較低。參考鐵路交通所用大載荷膠泥緩沖器，其檢修期為10年，使用壽命達30年。綜上所述，通過采取適當(dāng)措施，膠泥緩沖器可靠性是可以保證的。

5　結(jié)束語

彈簧、液壓、橡膠是常用的緩沖方式，但是彈簧質(zhì)量大、使用壽命短；而液壓油受溫度影響大、勤務(wù)復(fù)雜；橡膠能量吸收率有限。彈性膠泥克服了上述

缺陷，且密封要求低，勤務(wù)方便。彈性膠泥兼具彈性與粘滯阻尼特性，且體積模量較大，對于迫擊炮這種大載荷短行程后坐情況是一種理想的緩沖材料。

筆者設(shè)計的迫擊炮用緩沖器由單一缸體實現(xiàn)了制退復(fù)進機功能，結(jié)構(gòu)緊湊。研究表明，該緩沖器用于迫擊炮后在不明顯增加全炮結(jié)構(gòu)尺寸和重量的情況下可降低迫擊炮發(fā)射載荷1/5以上，為輕型復(fù)合材料炮身的應(yīng)用、座鈑輕量化設(shè)計提供了前提條件。

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Buffering Technology of the Launching Load of Mortar Weapons

LIU Song, GAO Yuefei, XIN Yibing, LIU Haitao

(Mechatronic Engineering College, North University of China, Taiyuan030051, Shanxi, China)

With the demand for the artillery power and mobility rising, light-weight design of mortar has become an important direction of research. In recent years, the application of light alloy materials has reduced the mortar weight to a large extent, while the further weight reduction was confined to the launching load. A kind of buffer using elastomer as cushioning material was designed to lighten the weight of platebase. The launching dynamics model of the mortar was established, analyzed and calculated based on Matlab. The design parameters needed were obtained from the data of liquid flowing area, recoil length and recoil force. The calculating result shows that this kind of device is able to reduce the recoil force efficiently without adding the mortar size significantly.

elastomer； mortar; buffer; light-weight design

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.008

2015-10-30

劉松(1989—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)動力學(xué)與仿真技術(shù)研究。E-mail：975852775@qq.com

TJ31

A

1673-6524(2016)02-0036-05