某隨動(dòng)平臺(tái)彈簧緩沖裝置設(shè)計(jì)與仿真

王　琪，杜忠華，吳　勇

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京　210094;2.河北太行機(jī)械工業(yè)有限公司，河北 石家莊　050000)

?

某隨動(dòng)平臺(tái)彈簧緩沖裝置設(shè)計(jì)與仿真

王琪1，杜忠華1，吳勇2

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094;2.河北太行機(jī)械工業(yè)有限公司，河北 石家莊050000)

為降低某搭載多根發(fā)射管的隨動(dòng)平臺(tái)在發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的負(fù)載，設(shè)計(jì)了一種彈簧式緩沖裝置來降低后坐力，分析了緩沖裝置工作原理及炮膛合力的計(jì)算，建立了運(yùn)動(dòng)的微分方程，初選了緩沖彈簧彈性系數(shù)，并基于此建立了Simulink仿真模型。對(duì)影響緩沖效果各因素進(jìn)行了理論分析，并基于分析結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)后的彈簧緩沖裝置有效降低了后坐力。連發(fā)射擊穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，為該隨動(dòng)平臺(tái)相關(guān)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

反后坐裝置；隨動(dòng)平臺(tái)；彈簧式；后坐力

某隨動(dòng)平臺(tái)上搭載了多根發(fā)射管，發(fā)射管發(fā)射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的后坐力，必須經(jīng)過緩沖裝置進(jìn)行緩沖，降低后坐力對(duì)隨動(dòng)平臺(tái)的沖擊。火炮反后坐裝置的功能是吸收火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐能量。文獻(xiàn)[1]提出了一種彈簧式反后坐裝置，能有效降低火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力。

基于文獻(xiàn)[1]，筆者設(shè)計(jì)了一種彈簧式緩沖裝置,分析了緩沖裝置的工作原理,根據(jù)發(fā)射裝置部分后坐運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，使用Simulink建立相應(yīng)的仿真模型,改變?cè)摼彌_裝置設(shè)計(jì)變量，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：該彈簧式緩沖裝置降低了后坐力，滿足設(shè)計(jì)要求，為搖架、高低機(jī)軸及隨動(dòng)平臺(tái)其他部件設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1　后坐緩沖裝置結(jié)構(gòu)原理

隨動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。多根發(fā)射管通過緩沖裝置連接搖架再與隨動(dòng)平臺(tái)高低機(jī)軸相連接?？紤]隨動(dòng)平臺(tái)整體質(zhì)量及結(jié)構(gòu)尺寸以及攔截彈的特殊結(jié)構(gòu)，未安裝自動(dòng)裝彈機(jī)，采用多管安裝彌補(bǔ)無自動(dòng)裝彈的不足，多管采用時(shí)序控制發(fā)射，等效為多發(fā)連射，每一根身管攜帶彈藥單次發(fā)射，通過控制各個(gè)身管點(diǎn)火時(shí)序?qū)崿F(xiàn)連發(fā)射擊。

彈簧式緩沖裝置如圖2所示，主要由連接螺母、摩擦塊、頂桿、徑向彈簧、緩沖簧壓板、碟簧片、緩沖器外殼和推桿等構(gòu)件組成。推桿與發(fā)射裝置固定連接，連接螺母與緩沖器外殼固定連接，推桿螺母與推桿相連接。摩擦塊、頂桿、徑向彈簧為一阻尼耗能機(jī)構(gòu)，徑向彈簧始終頂住摩擦塊。碟簧片安裝于緩沖簧壓板Ⅰ與Ⅱ之間。碟簧片具有剛度大，緩沖吸震能力強(qiáng)，能以小變形承受大載荷，選用多片碟簧片組合，用以緩沖火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力。

當(dāng)多管發(fā)射裝置任一根身管發(fā)射時(shí)，發(fā)射裝置整體后坐，推桿推動(dòng)推柱后坐運(yùn)動(dòng)，摩擦塊與緩沖器外殼摩擦產(chǎn)生阻力，摩擦塊向右壓縮碟簧片。待運(yùn)動(dòng)至極限位置時(shí)，碟簧片儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能推動(dòng)推桿復(fù)進(jìn)。前沖至極限時(shí)，推桿推動(dòng)發(fā)射裝置返回零位[2]。

2　數(shù)學(xué)模型的建立

2.1炮膛合力計(jì)算

由內(nèi)彈道相關(guān)知識(shí)可知，火藥燃?xì)庾饔脮r(shí)間分為3個(gè)時(shí)期:啟動(dòng)時(shí)期、彈丸沿膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)期和火藥氣體后效時(shí)期[3]。

1)由于啟動(dòng)時(shí)期時(shí)間很短，彈丸速度與位移都很小，這里忽略這一時(shí)期內(nèi)的彈丸和后坐部分運(yùn)動(dòng)。

2)由于該火炮為滑膛炮，彈丸在炮膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅計(jì)火藥氣體作用在膛底的力，此時(shí)炮膛合力為

(1)

式中：φ、φ1分別為計(jì)算系數(shù)；ω為裝藥質(zhì)量；m為彈丸質(zhì)量；At為藥室膛底的截面面積；P為膛內(nèi)平均壓力。

3)后效時(shí)期膛內(nèi)壓力由出炮口瞬時(shí)壓力Fg迅速下降為0，此時(shí)炮膛合力

(2)

式中：b為后效期時(shí)間常數(shù)；tg為炮口時(shí)間。

發(fā)射裝置中的多根發(fā)射管口徑為76mm，身管長度為3 000mm，裝藥量為84g，彈丸質(zhì)量為2.37kg。由內(nèi)彈道計(jì)算公式并基于文獻(xiàn)[4]炮膛合力仿真計(jì)算方法，利用Simulink進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，再經(jīng)過式(1)轉(zhuǎn)換，得到炮膛合力曲線如圖3所示。

2.2發(fā)射裝置運(yùn)動(dòng)微分方程

使用彈簧式緩沖裝置進(jìn)行緩沖時(shí)，發(fā)射裝置部分在自身重力、彈簧作用力和阻尼力作用下運(yùn)動(dòng)[5]。由于阻尼力在后坐與復(fù)進(jìn)過程中方向不一致，分為4個(gè)時(shí)期。

根據(jù)牛頓第二定律，發(fā)射裝置在后坐時(shí)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(3)

(4)

式中：mh為后坐部分質(zhì)量；F1為彈簧初始預(yù)壓力；FR為后坐阻力；k1為碟形簧彈性系數(shù)；C1為系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)；θ為隨動(dòng)高低機(jī)俯仰角；x為后坐行程。

發(fā)射裝置在復(fù)進(jìn)時(shí)，速度方向相反，此時(shí)阻尼力也相反，此時(shí)發(fā)射裝置在復(fù)進(jìn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(5)

(6)

前沖階段，推桿受到碟簧片推力反向，此時(shí)發(fā)射裝置前沖的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(7)

(8)

返回階段，發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(9)

(10)

2.3緩沖彈簧彈性系數(shù)初選

在彈丸出炮口瞬間，彈丸及后坐部分滿足動(dòng)量守恒，可以根據(jù)能量守恒來初選碟簧片彈性系數(shù)，即認(rèn)為后坐部分的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為碟簧片的彈性勢(shì)能，忽略初次后坐阻尼的做功。由動(dòng)量守恒與能量守恒可得：

(11)

式中：v0為彈丸初速；v為彈丸出炮口時(shí)后坐部分速度；xmax為后坐最大位移。

由內(nèi)彈道仿真結(jié)果，可以預(yù)先設(shè)計(jì)后坐運(yùn)動(dòng)最大位移，然后計(jì)算碟簧片的彈性系數(shù)。根據(jù)方程(11)計(jì)算的彈性系數(shù)為初選結(jié)果，具體根據(jù)仿真結(jié)果再作調(diào)整。

3　仿真結(jié)果分析

3.1彈簧式緩沖裝置仿真分析

彈簧式緩沖裝置主要緩沖構(gòu)件是碟簧片，阻尼系數(shù)可通過調(diào)節(jié)阻尼耗能機(jī)構(gòu)的徑向彈簧預(yù)緊力及摩擦塊與緩沖器外殼的配合。設(shè)置5組參數(shù)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，第1、2、3組設(shè)置緩沖系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)相同，碟簧片彈性系數(shù)不同；第2、4、5組碟簧片彈性系數(shù)相同，緩沖系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)不同。參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　彈簧參數(shù)設(shè)置

基于文獻(xiàn)[6]的Simulink仿真方法并根據(jù)筆者建立的數(shù)學(xué)模型，利用Simulink進(jìn)行10連發(fā)射擊仿真，使用四階龍格-庫塔法進(jìn)行求解。仿真結(jié)果如圖4～7所示。

圖3的炮膛合力峰值大小為222 kN，第1～3組后坐力峰值大小分別為31.2、31.8、33.0 kN。兩者相差大約7倍，反映出彈簧式緩沖裝置具有很好的緩沖效果，很大程度上減小了搖架的受力。10連發(fā)射擊過程中，第2發(fā)相對(duì)第1發(fā)后坐力與后坐位移均增大，至第3發(fā)后坐力與后坐位移基本趨于穩(wěn)定。第1～3組碟簧片彈性系數(shù)呈遞增趨勢(shì)，同時(shí)后坐力也是呈遞增趨勢(shì)，后坐位移呈遞減趨勢(shì)。彈性系數(shù)越大，剛度越大，緩沖效果越差，碟簧片越難壓縮，后坐位移越小；反之，彈性系數(shù)越小，剛度越小，緩沖效果越好，碟簧片越容易被壓縮，后坐位移也越大；圖4與圖5中仿真結(jié)果與此吻合。第2、4、5組系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)呈遞增趨勢(shì)，阻尼系數(shù)越大，后坐過程中阻尼力越大，緩沖效果越差，后坐力越大，后坐位移越小，圖6與圖7中仿真結(jié)果與此吻合。綜上所述，仿真結(jié)果動(dòng)態(tài)特性與建立的后坐運(yùn)動(dòng)模型基本吻合。

表2列出了第1、2、5組最大后坐力及最大后坐位移。以第1組與第2組仿真結(jié)果來看，碟簧片彈性系數(shù)增大67%，最大后坐力增大1.9%，后坐位移減小23%；以第2組與第5組仿真結(jié)果來看，等效阻尼系數(shù)增大25%，最大后坐力增大15.7%，后坐位移減小8.5%。相比較，系統(tǒng)等效阻尼系數(shù)比碟簧片彈性系數(shù)對(duì)后坐力的影響更大；兩者對(duì)后坐位移都有較大影響，這為緩沖裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)選擇提供了依據(jù)。

表2　第1、2、5組最大后坐力及最大后坐位移

3.2彈簧緩沖裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

使用彈簧式緩沖裝置進(jìn)行緩沖時(shí)，主要調(diào)節(jié)彈簧彈性系數(shù)與系統(tǒng)阻尼系數(shù)，以達(dá)到良好的后坐緩沖效果。為了減小后坐阻力，可以減小彈簧的彈性系數(shù)與系統(tǒng)阻尼系數(shù)。但彈性系數(shù)減小過大，勢(shì)必會(huì)使后坐位移增大，這會(huì)使得隨動(dòng)平臺(tái)整體質(zhì)量增加。樣機(jī)設(shè)計(jì)模型的發(fā)射裝置質(zhì)量為180 kg，為滿足隨動(dòng)平臺(tái)高低機(jī)動(dòng)平衡原則及質(zhì)量輕原則，發(fā)射裝置允許后坐距離不得大于20 mm。調(diào)節(jié)彈簧彈性系數(shù)及系統(tǒng)阻尼系數(shù)，多次仿真得到理想彈性系數(shù)值為470 kN/m，系統(tǒng)阻尼系數(shù)值為20 kN·s/m，碟簧片初始預(yù)壓力為2 kN，控制發(fā)射管發(fā)射時(shí)序間隔0.1 s，相當(dāng)于單管射速為600 發(fā)/min，設(shè)置10連發(fā)仿真，得到的后坐力曲線及后坐位移曲線如圖8、9所示。

由圖8可以看出，在第1發(fā)彈發(fā)射完，發(fā)射裝置處于復(fù)進(jìn)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行下一發(fā)射擊，后坐力沒有疊加，緩沖裝置具有穩(wěn)定的緩沖特性。圖8中最大后坐力大小為31.7 kN，相比炮膛合力，經(jīng)緩沖裝置緩沖，后坐力減小了7倍，緩沖效果理想。圖9中最大后坐位移大小為19.6 mm，后坐位移也符合預(yù)期要求。

4　結(jié)束語

筆者提出了一種應(yīng)用于某隨動(dòng)平臺(tái)的彈簧式緩沖裝置，建立了發(fā)射裝置后坐運(yùn)動(dòng)微分方程，確定了炮膛合力以及其他參數(shù)，基于Simulink建立了仿真模型，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析與優(yōu)化。優(yōu)化后，彈簧緩沖裝置使后坐力減小7倍，后坐位移為19.6 mm，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。該緩沖裝置的設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果為下一步隨動(dòng)平臺(tái)相關(guān)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

References)

[1]蘇高峰.某轉(zhuǎn)管武器彈簧緩沖裝置的優(yōu)化與設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué)， 2013.

SU Gaofeng.Spring buffer device optimization and design of a Gatling gun[D].Taiyuan:North University of China,2013.(in Chinese)

[2]張?jiān)铝?火炮緩沖裝置設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

ZHANG Yuelin.Artillery buffer device design[M].Beijing:National Defense Industry Press,2003.(in Chinese)

[3]鮑廷玉.內(nèi)彈道學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1995.

BAO Tingyu.Internal ballistics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press, 1995.(in Chinese)

[4]何衛(wèi)國，談樂斌，潘孝斌.基于Simulink的火炮反后坐裝置仿真分析[J].兵工自動(dòng)化， 2012， 31(11)： 41- 43.

HE Weiguo,TAN Lebin,PAN Xiaobin.Simulation of gun recoil devices based on Simulink[J].Ordance Industry Automation, 2012， 31(11): 41-43.(in Chinese)

[5]劉明敏，張蔚峰，朱延飛.2種緩沖簧反后坐效能分析[J].船艦科學(xué)技術(shù)， 2014, 36(11)： 157-161.

LIU Mingmin,ZHANG Weifeng,ZHU Yanfei.Efficiency analysis about two kinds of counter recoil equipment[J].Ship Science and Technology, 2014, 36(11): 157-161.(in Chinese)

[6]杜中華.基于Simulnik的火炮反后坐裝置反面問題計(jì)算[J].機(jī)械， 2010， 37(11): 53-55.

DU Zhonghua.Gun recoil system inverse question solution based on Simulink[J].Machinery, 2010， 37(11): 53-55.(in Chinese)

Simulation and Design for Spring Type Buffer Device of a Servo Platform

WANG Qi1,DU Zhonghua1，WU Yong2

(1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science & Technology,Nanjing210094,Jiangsu,China；2.Hebei Taihang Machinery Industries Co.Ltd,Shijiazhuang050000,Hebei,China)

For the purpose of reducing the load of a servo platform equipped with launch tubes in the course of the tubes’ firing, designed is a kind of spring buffer device to reduce recoil with an analysis of its operating principle and calculation of the bore resultant force. The kinematics differential equations are established and the primary elasticity of buffer spring is initially selected. Based on these, the Simulink simulation model is established. A theoretical analysis is made of various factors of the cus-hioning effect with optimized design carried out. The results show that the optimized design of spring buffer device effectively reduces the recoil. The repeated firing is stable, which meets the requirements of the design and provides a measure of reference for the structural design of the related components of the servo platform.

buffer device;servo platform;spring type;recoil

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.011

2015-05-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(30915012201)

王琪(1991—)，男，碩士研究生，主要從事火炮反后坐裝置相關(guān)技術(shù)研究。E-mail：18115562945@163.com

TJ303+.4

A

1673-6524(2016)02-0052-05