某艦炮獨(dú)立抽筒機(jī)構(gòu)與炮閂運(yùn)動(dòng)匹配性分析

蘇執(zhí)陽(yáng)，姚 忠，汪永忠，康總寬

(1.海軍裝備部 軍械裝備局，北京 100841；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

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某艦炮獨(dú)立抽筒機(jī)構(gòu)與炮閂運(yùn)動(dòng)匹配性分析

蘇執(zhí)陽(yáng)1，姚 忠2，汪永忠2，康總寬2

(1.海軍裝備部 軍械裝備局，北京 100841；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

根據(jù)某艦炮故障排除和結(jié)構(gòu)改進(jìn)要求，針對(duì)獨(dú)立抽筒機(jī)構(gòu)與炮閂運(yùn)動(dòng)匹配性問(wèn)題，建立了計(jì)算模型；得出了復(fù)進(jìn)抽筒過(guò)程中抽筒子轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速隨炮身復(fù)進(jìn)位移和復(fù)進(jìn)時(shí)間的變化曲線，以及復(fù)進(jìn)開閂過(guò)程中炮閂位移與速度隨炮身復(fù)進(jìn)位移和復(fù)進(jìn)時(shí)間的變化曲線；分析了抽筒子與炮閂在掛閂過(guò)程中相對(duì)位置和相對(duì)時(shí)間的匹配性，從空間位置和時(shí)序角度來(lái)說(shuō)，能實(shí)現(xiàn)可靠掛閂。分析結(jié)果能夠?yàn)榕炁诰S修保障、結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供技術(shù)支撐。

抽筒機(jī)構(gòu)；炮閂；運(yùn)動(dòng)匹配性；開閂；掛閂

大口徑火炮的炮閂與抽筒機(jī)構(gòu)，在射擊過(guò)程中完成閉鎖、擊發(fā)、開閂、抽筒、關(guān)閂等動(dòng)作循環(huán)[1-2]，是火炮發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分。某大口徑艦炮為了滿足鋼質(zhì)藥筒抽筒力大、抽筒速度高的要求，復(fù)進(jìn)過(guò)程中開閂機(jī)構(gòu)與抽筒機(jī)構(gòu)在炮身的帶動(dòng)下各自獨(dú)立動(dòng)作，抽筒機(jī)構(gòu)完全獨(dú)立于開閂機(jī)構(gòu)，可視為兩自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。抽筒子和炮閂的運(yùn)動(dòng)匹配，是實(shí)現(xiàn)可靠開閂、抽筒，避免提前關(guān)閂，保證艦炮自動(dòng)化、高速射擊的必要條件。

筆者結(jié)合某大口徑艦炮提前關(guān)閂故障排除，以其抽筒子和炮閂為研究對(duì)象，對(duì)復(fù)進(jìn)過(guò)程中二者的運(yùn)動(dòng)匹配性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性，可為新型艦炮研發(fā)提供技術(shù)借鑒。

1 掛閂過(guò)程

引入掛閂的概念，描述抽筒子對(duì)炮閂運(yùn)動(dòng)的阻止作用，并使其保持在開閂狀態(tài)。某艦炮開閂機(jī)構(gòu)和抽筒機(jī)構(gòu)安裝在炮身上，對(duì)應(yīng)的抽筒模板和開閂模板安裝在搖架上，炮身復(fù)進(jìn)過(guò)程中，開閂到掛閂的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)炮身復(fù)進(jìn)過(guò)程中，炮閂首先在開閂機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)。

2)炮身復(fù)進(jìn)到一定位置時(shí)，左、右抽筒杠桿分別撞擊左、右抽筒模板，驅(qū)動(dòng)左、右抽筒子轉(zhuǎn)動(dòng)，向后抽出藥筒。

3)在抽筒模板型面和彈簧的作用下，左、右抽筒子緊貼炮尾限位面，穩(wěn)定在該位置。

4)隨著炮身繼續(xù)復(fù)進(jìn)，炮閂在關(guān)閂彈簧力的作用下開始上升。

5)炮閂在上升過(guò)程中撞擊左、右抽筒子的掛鉤，掛鉤卡住炮閂上的左、右掛塊，阻止其繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掛閂，為彈藥裝填讓開通道。

抽筒子與炮閂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)如圖1所示。

2 提前關(guān)閂故障及對(duì)策

某艦炮在射擊過(guò)程中出現(xiàn)提前關(guān)閂故障[3]，對(duì)故障進(jìn)行分析后，排除了炮身復(fù)進(jìn)過(guò)程中開閂不到位、炮閂運(yùn)動(dòng)與抽筒子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)序不協(xié)調(diào)、炮身復(fù)進(jìn)到位撞擊引發(fā)故障的可能性。導(dǎo)致提前關(guān)閂故障產(chǎn)生的原因確定為抽筒子掛鉤與炮閂掛塊作用不可靠。抽筒終了時(shí)，抽筒子撞擊炮尾限位面，以及掛閂時(shí)炮閂撞擊抽筒子，都會(huì)使抽筒子產(chǎn)生反彈，抽筒子偏角增大到一定程度時(shí)，抽筒子掛鉤與炮閂掛塊分離，導(dǎo)致提前關(guān)閂。

原結(jié)構(gòu)僅靠抽筒杠桿和壓栓彈簧力產(chǎn)生阻止抽筒子反彈的穩(wěn)定力矩。隨著艦炮射擊次數(shù)增加，壓栓彈簧出現(xiàn)一定程度疲勞變形，導(dǎo)致壓栓彈簧力減小，最終引發(fā)提前關(guān)閂故障。考慮到開閂機(jī)構(gòu)與抽筒機(jī)構(gòu)為兩自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，提出采用強(qiáng)制掛閂措施解決提前關(guān)閂故障。該措施適當(dāng)加長(zhǎng)了抽筒模板接觸面長(zhǎng)度，在炮閂撞擊抽筒子之前，依靠抽筒模板型面強(qiáng)制將抽筒子約束在掛閂位置，從而消除了壓栓彈簧力減小引發(fā)的抽筒子反彈過(guò)大。

加長(zhǎng)抽筒模板接觸面長(zhǎng)度，改變了原有的炮閂與抽筒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要通過(guò)計(jì)算掛閂過(guò)程中抽筒子與炮閂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，驗(yàn)證獨(dú)立抽筒機(jī)構(gòu)與炮閂的運(yùn)動(dòng)匹配性。

3 計(jì)算模型建立

3.1 基本假設(shè)

為保證掛閂可靠性，抽筒子與炮閂的運(yùn)動(dòng)有明確的順序，鑒于艦炮射擊過(guò)程中，受到撞擊反彈、射擊振動(dòng)等隨機(jī)因素[4]的影響，實(shí)際工況較為復(fù)雜[5]，提出如下基本假設(shè)：

1)搖架固定不動(dòng)，即搖架不隨炮身運(yùn)動(dòng)而振動(dòng)。

2)抽筒子在掛閂過(guò)程中視為剛體，不考慮抽筒子與炮尾限位面撞擊時(shí)的彈性變形。

3)考慮掛閂過(guò)程，只分析炮身從最大后坐位移處復(fù)進(jìn)開始到復(fù)進(jìn)終了的過(guò)程。

4)艦炮在常溫工況射擊。

3.2 計(jì)算模型

掛閂的實(shí)現(xiàn)源于抽筒子阻擋炮閂的向上運(yùn)動(dòng)、并使之固定在特定位置，因此，掛閂動(dòng)作匹配性本質(zhì)上是炮閂和抽筒子運(yùn)動(dòng)到位時(shí)，各自位置的時(shí)空相互關(guān)系。抽筒子的動(dòng)力來(lái)源于抽筒杠桿與抽筒模板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；炮閂的動(dòng)力來(lái)源于開閂曲臂與開閂模板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。獨(dú)立抽筒機(jī)構(gòu)與炮閂運(yùn)動(dòng)匹配性分析，涉及到開閂、抽筒和掛閂3個(gè)過(guò)程的相互耦合，進(jìn)行聯(lián)合求解后可得到掛閂過(guò)程中抽筒子和炮閂的相對(duì)時(shí)序和相對(duì)空間位置關(guān)系。

根據(jù)經(jīng)典動(dòng)力學(xué)理論,建立的炮身復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)微分方程為

(1)

式中：t為復(fù)進(jìn)時(shí)間；v為復(fù)進(jìn)速度；x為炮身位移；Rf為復(fù)進(jìn)合力；mf為炮身復(fù)進(jìn)廣義質(zhì)量。

炮閂開閂過(guò)程的廣義運(yùn)動(dòng)微分方程為

(2)

式中：xs為炮閂開閂位移；vs為炮閂開閂速度；Fsz為開閂合力；msz為炮閂廣義質(zhì)量。

抽筒過(guò)程廣義運(yùn)動(dòng)微分方程為

(3)

式中：φ為抽筒杠桿轉(zhuǎn)角； ω為抽筒杠桿轉(zhuǎn)速；Fc為作用于抽筒杠桿的廣義力；mcz為抽筒杠桿的廣義質(zhì)量。

掛閂過(guò)程廣義運(yùn)動(dòng)微分方程為

(4)

式中：xs1為炮閂向上運(yùn)動(dòng)位移；vs1為炮閂向上運(yùn)動(dòng)速度；Fsz1為開閂合力。

4 運(yùn)動(dòng)匹配性分析

在掛閂過(guò)程中，直接完成掛閂動(dòng)作為抽筒子和炮閂。為了獲取掛閂過(guò)程中抽筒子與炮閂運(yùn)動(dòng)的時(shí)空關(guān)系，采用四階龍格庫(kù)塔法對(duì)式(1)～(4)進(jìn)行耦合求解。開閂與抽筒過(guò)程由炮身復(fù)進(jìn)提供動(dòng)力，在求解炮身復(fù)進(jìn)位移與復(fù)進(jìn)時(shí)間的基礎(chǔ)上進(jìn)行開閂、抽筒與掛閂的計(jì)算。式(1)解得復(fù)進(jìn)過(guò)程中炮身位移與速度曲線，如圖2和圖3所示。對(duì)建立的計(jì)算模型進(jìn)行求解后，分別以炮身復(fù)進(jìn)位移和炮身復(fù)進(jìn)時(shí)間為橫軸，可獲得炮閂位移、抽筒子轉(zhuǎn)角之間的相對(duì)關(guān)系，以及炮閂速度、抽筒子轉(zhuǎn)速之間的相對(duì)關(guān)系。圖4為以炮身復(fù)進(jìn)位移為橫軸，炮閂位移、抽筒子轉(zhuǎn)角之間的相對(duì)關(guān)系；圖5為以炮身復(fù)進(jìn)位移為橫軸，炮閂速度、抽筒子轉(zhuǎn)速之間的相對(duì)關(guān)系；圖6為以炮身復(fù)進(jìn)時(shí)間為橫軸，炮閂位移、抽筒子轉(zhuǎn)角之間的相對(duì)關(guān)系；圖7為以炮身復(fù)進(jìn)時(shí)間為橫軸，炮閂速度、抽筒子轉(zhuǎn)速之間的相對(duì)關(guān)系。

由計(jì)算得到的曲線圖可以看出，抽筒子撞擊炮尾限位面時(shí)速度降為0，此時(shí)炮閂處于開閂狀態(tài)，尚未向掛閂位置運(yùn)動(dòng)，以Δx表示抽筒子到達(dá)炮尾限位面時(shí)，炮閂距掛閂位置的距離，則Δx=20.7 mm。圖4和圖5的0點(diǎn)為炮身復(fù)進(jìn)到位后的位置，因此，復(fù)進(jìn)過(guò)程在圖中橫坐標(biāo)上從右向左表示。抽筒子撞擊炮尾限位面時(shí)，炮閂運(yùn)動(dòng)在時(shí)序上滯后于抽筒子，以Δt表示抽筒子到炮尾限位面比炮閂到達(dá)掛閂位置提前的時(shí)間，則Δt=0.055 9 s，如圖6、7所示。

計(jì)算結(jié)果表明，掛閂過(guò)程中，抽筒子與炮閂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離和時(shí)間滿足掛閂可靠性要求。從曲線中可以看出，炮閂開閂到位后向上運(yùn)動(dòng)，撞擊抽筒子后速度減為0，實(shí)現(xiàn)掛閂；加長(zhǎng)抽筒模板接觸面使得抽筒子與炮閂在相互接觸后被強(qiáng)制保持在固定位置，直至復(fù)進(jìn)結(jié)束。對(duì)采取的技術(shù)措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證后，證明抽筒子能夠可靠掛住炮閂，沒(méi)有再發(fā)生提前關(guān)閂故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某艦炮獨(dú)立抽筒機(jī)構(gòu)和炮閂在掛閂過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)匹配性進(jìn)行了分析，建立了掛閂過(guò)程計(jì)算模型；計(jì)算了掛閂過(guò)程中抽筒子和炮閂運(yùn)動(dòng)到位的相

對(duì)時(shí)間和相對(duì)位置，結(jié)果表明，抽筒模板結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，抽筒子和炮閂的運(yùn)動(dòng)匹配性良好，能實(shí)現(xiàn)可靠掛閂，可有效解決提前關(guān)閂故障。掛閂過(guò)程中抽筒子和炮閂運(yùn)動(dòng)匹配性的計(jì)算，可為后續(xù)艦炮維修保障、相關(guān)改進(jìn)和研發(fā)提供技術(shù)借鑒。

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Analysis on the Motion Matching of Naval Gun Independent Extractor Mechanism and Breech Mechanism

SU Zhiyang1, YAO Zhong2, WANG Yongzhong2, KANG Zongkuan2

(1.Ordnance Equipment Bureau，Naval Equipment Department, Beijing 100841,China；2.Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

According to the requirement of improving trouble shooting and structure, and aimed at the motion matching of naval gun independent extractor mechanism and breech mechanism, the calculation model of extractor and breech mechanism was established. The changing graph of complex displacement and complex time of extractor diversion and rotation rate was obtained together with that of the breechblock displacement and velocity following the body of the gun. An analysis was made of the matching of the relative position and relative time about independent extractor mechanism and breech mechanism in breechlock catching. The analysis results showed it was reliable and effective for breechlock catching from the perspective of spatial locations and time order. The analytical results are significant for the maintenance and technological improvement of the naval gun.

extractor mechanism; breech mechanism; motion matching; breechlock opening; breechlock catching

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.016

2016-07-15

蘇執(zhí)陽(yáng)(1973—)，男，工程師，主要從事艦炮裝備管理與武器系統(tǒng)技術(shù)研究。E-mail：lglily1978@163.com

TJ762

A

1673-6524(2016)04-0073-04