轉(zhuǎn)管炮彈簧-金屬橡膠緩沖器后坐特性研究

李回濱，袁志華，韓 鐵，胡 明

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)人民解放軍92840部隊(duì)，山東 青島 266405)

轉(zhuǎn)管炮彈簧-金屬橡膠緩沖器后坐特性研究

李回濱1，袁志華1，韓 鐵2，胡 明1

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)人民解放軍92840部隊(duì)，山東 青島 266405)

轉(zhuǎn)管武器由于射速高、后坐特性復(fù)雜，所以減小后坐阻力、提高射擊精度成為提高轉(zhuǎn)管武器系統(tǒng)性能的重要研究課題。設(shè)計(jì)了一種采用新型材料金屬橡膠作為主要阻尼材料，具有高效緩沖性能的環(huán)形彈簧作為主要彈性元件的轉(zhuǎn)管炮緩沖器，建立了轉(zhuǎn)管炮后坐運(yùn)動(dòng)微分方程，利用MATLAB對(duì)緩沖器金屬橡膠在不同形狀因子情況下對(duì)后坐的影響進(jìn)行仿真分析，得到金屬橡膠形狀因子與其剛度系數(shù)成反比。仿真結(jié)果表明：加載金屬橡膠的緩沖器能更好地減小轉(zhuǎn)管炮后坐阻力，金屬橡膠對(duì)于提高轉(zhuǎn)管炮射擊精度和穩(wěn)定性具有一定意義。

兵器科學(xué)與技術(shù)；轉(zhuǎn)管炮；緩沖器；金屬橡膠；后坐阻力

后坐力的大小直接影響武器的射擊精度和射擊穩(wěn)定性，減小后坐阻力對(duì)減輕武器自身質(zhì)量和提高作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性具有十分重要的意義[1]。轉(zhuǎn)管武器由于采用了轉(zhuǎn)管發(fā)射的原理，具有較高射頻[2]，因此與同口徑非轉(zhuǎn)管武器相比，其后坐阻力會(huì)大很多，架體受力和變形也相應(yīng)增大。尤其超高射速的轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)在射擊時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)后坐位移很小并伴隨著后坐位移疊加的現(xiàn)象，減小其后坐阻力顯得十分困難。減小火炮后坐阻力的核心工作是設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的緩沖器，緩沖器的性能是影響火炮后坐阻力大小的關(guān)鍵因素。優(yōu)良的緩沖器能夠有效地緩沖火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的反作用力[3]，使火炮在射擊時(shí)保持較好的后坐運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提升火炮的戰(zhàn)技性能和使用壽命?，F(xiàn)有的緩沖器在降低后坐阻力方面的發(fā)展空間有限，已經(jīng)無法滿足轉(zhuǎn)管炮的發(fā)展需求，逐漸成為提升轉(zhuǎn)管炮武器性能的瓶頸。針對(duì)這一問題，在彈簧組合式緩沖器基礎(chǔ)上，分析其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)比其在結(jié)構(gòu)及性能方面存在的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于23 mm轉(zhuǎn)管炮的新型彈簧-金屬橡膠緩沖器，通過對(duì)緩沖器在轉(zhuǎn)管炮射擊過程中產(chǎn)生的后坐阻力和后坐位移進(jìn)行優(yōu)化分析[4]，重點(diǎn)研究了金屬橡膠對(duì)于轉(zhuǎn)管炮后坐特性的影響，得出了金屬橡膠影響轉(zhuǎn)管炮后坐特性的規(guī)律。將金屬橡膠應(yīng)用于轉(zhuǎn)管炮緩沖器，增強(qiáng)緩沖器緩沖效果，對(duì)于大幅提升轉(zhuǎn)管炮武器性能具有一定意義。

1 緩沖器結(jié)構(gòu)及工作原理

彈簧-金屬橡膠緩沖器主要工作部件由環(huán)形彈簧、金屬橡膠、摩擦塊及緩沖器殼體等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

緩沖器殼體部分與轉(zhuǎn)管炮炮架相連，連桿通過耳環(huán)和火炮后坐部分相連。轉(zhuǎn)管炮射擊時(shí)，后坐部分帶動(dòng)連桿向后運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)螺母離開右端墊片，連桿通過墊片壓縮環(huán)形彈簧，同時(shí)壓縮金屬橡膠。環(huán)形彈簧和金屬橡膠在擠壓過程通過摩擦消耗大量能量，同時(shí)儲(chǔ)存部分能量。后坐過程摩擦塊由于錐型套的擠壓與緩沖器內(nèi)壁發(fā)生摩擦，也消耗部分能量。火炮復(fù)進(jìn)時(shí)方向發(fā)生變化，環(huán)形彈簧和金屬橡膠釋放儲(chǔ)存的能量，摩擦塊和金屬橡膠起到減振作用。

2 轉(zhuǎn)管炮后坐運(yùn)動(dòng)微分方程

轉(zhuǎn)管炮射擊時(shí)后坐部分所受主動(dòng)力、約束反力和阻力構(gòu)成了一個(gè)空間力系[5]。建立運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)管炮做如下基本假設(shè)：

1)忽略彈丸作用于膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力矩Mx，該力矩只在彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)期起作用，且在后坐方向運(yùn)動(dòng)較小。

2)射擊時(shí)所有力均作用在射擊平面內(nèi)。

3)忽略自動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦、撞擊等能量的耗損。

4)后坐部分和炮架均為剛體，且炮架部分固定不動(dòng)。

5)轉(zhuǎn)管炮射擊時(shí)只沿直線后坐和復(fù)進(jìn)，不會(huì)前后搖擺。

6)膛底合力作用在炮管中心線上。

7)緩沖彈簧力作用在緩沖器中心線上。

在這些假設(shè)下，后坐部分運(yùn)動(dòng)便成為平面力系內(nèi)剛體動(dòng)力學(xué)問題。以炮膛軸線為x軸，受力圖如圖2所示。

根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo)出后坐運(yùn)動(dòng)微分方程為

(復(fù)進(jìn) ,x>0,v<0)

(1)

(復(fù)進(jìn),x>0,v<0)

(2)

(前沖,x<0,v<0)

(3)

(返回,x<0,v>0)

(4)

(5)

(6)

Fm=Fz+Ft

(7)

式中：m為后坐部分質(zhì)量；k為彈簧剛度；x為后坐位移；F0是彈簧預(yù)壓力；Fpt是炮膛合力；mg是后坐部分重力；kx是彈簧阻力；Fm是后坐時(shí)的摩擦力的合力;Fz是摩擦塊與緩沖器尾體的摩擦力；Ft是反后坐裝置與導(dǎo)軌的摩擦力；Fx是金屬橡膠力；Es為金屬橡膠材料彈性模量；ρ*為金屬橡膠材料密度；ρs為金屬絲材料密度；S為金屬橡膠受壓面積；X為金屬橡膠壓縮量；L為金屬橡膠原高度；K為金屬橡膠剛度系數(shù)；A、B、C為修正系數(shù)，是通過大量試驗(yàn)擬合的參數(shù)，由形狀因子α(即試件高度與承載面積之比L/S)確定。金屬橡膠形狀因子α和各項(xiàng)系數(shù)可準(zhǔn)確預(yù)估力-位移的關(guān)系?？招膱A柱形金屬橡膠13種形狀因子和各系數(shù)的關(guān)系可參考文獻(xiàn)[6]。

3 金屬橡膠形狀因子對(duì)后坐特性影響

3.1 加載金屬橡膠對(duì)緩沖器的影響

對(duì)金屬橡膠緩沖器的單向性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[7]，如圖3所示。

試驗(yàn)表明, 使用沒有金屬橡膠的緩沖器，火炮后坐阻力變化劇烈，炮身后坐位移最大行程180 mm，復(fù)進(jìn)至80 mm停止，且未能完全復(fù)進(jìn)到位。使用加載金屬橡膠的緩沖器后后坐阻力變得平緩，后坐位移最大行程35 mm，重復(fù)性較好。對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，使用的金屬橡膠緩沖器能夠有效承受較大沖擊載荷，大幅度減小后坐位移。

3.2 金屬橡膠形狀因子對(duì)后坐特性的影響

根據(jù)前面推導(dǎo)出的后坐運(yùn)動(dòng)微分方程可以看出，環(huán)形彈簧、金屬橡膠對(duì)轉(zhuǎn)管炮后坐的影響很明顯，根據(jù)環(huán)形彈簧和金屬橡膠的材料特性，可以得出對(duì)緩沖器性能產(chǎn)生影響的因素有：環(huán)形彈簧剛度k、彈簧預(yù)壓力F0和金屬橡膠形狀因子α。要研究金屬橡膠對(duì)緩沖器后坐的影響規(guī)律，可設(shè)定k和F0這2個(gè)參數(shù)不變的情況下，分析金屬橡膠形狀因子變化時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)管炮后坐特性影響。

針對(duì)6 000發(fā)/min的高射速轉(zhuǎn)管炮，最大后坐阻力不超過40 kN，后坐位移不超過20 mm，用MATLAB軟件編寫計(jì)算程序，求解模型，得到主要參數(shù)為：k=400 N/mm,F0=1 500 N,α=0.026 6。

根據(jù)上述參數(shù)，在α=0.026 6左右選擇形狀因子數(shù)值進(jìn)行分析，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 金屬橡膠形狀因子

根據(jù)求得的后坐運(yùn)動(dòng)微分方程編寫MATLAB仿真程序，金屬橡膠因子分別為0.011 8，0.023 6，0.026 6，0.039 7時(shí)的后坐阻力-時(shí)間、后坐位移-時(shí)間曲線仿真結(jié)果如圖4～7所示。

根據(jù)上面不同金屬橡膠形狀因子對(duì)后坐運(yùn)動(dòng)的影響，分析數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 金屬橡膠因子對(duì)后坐特性影響

從表2中數(shù)據(jù)可看出，轉(zhuǎn)管炮后坐位移隨著金屬橡膠形狀因子的增大而增加，這是因?yàn)殡S著形狀因子增加，金屬橡膠剛度系數(shù)減小。后坐阻力則隨著金屬橡膠形狀因子增加而減小。當(dāng)α=0.039 7時(shí)，最大后坐阻力反而增大，且穩(wěn)定后兩者相差不大，然而當(dāng)α≤0.026 6時(shí)，從仿真數(shù)據(jù)來看，后坐位移的變化比較平穩(wěn)，后坐阻力的變化也比較明顯，因而當(dāng)α≤0.026 6時(shí)，用于緩沖器時(shí)的緩沖效果最好。但是金屬橡膠形狀因子太大時(shí)，會(huì)使炮身在后坐初期受到較大沖擊力[8]，后坐特性不符合設(shè)計(jì)要求；金屬橡膠形狀因子太小時(shí)，金屬橡膠就起不到緩沖作用。

4 結(jié)論

通過用MATLAB軟件編寫程序?qū)λO(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)管炮彈簧-金屬橡膠緩沖器進(jìn)行仿真分析研究發(fā)現(xiàn)：

1)金屬橡膠應(yīng)用于轉(zhuǎn)管炮緩沖器上，可使后坐阻力變得平穩(wěn)，并能有效減小后坐位移。

2)金屬橡膠剛度與其形狀因子成反比，形狀因子增加，后坐位移增加，后坐阻力減小。

3)需要進(jìn)一步研究金屬橡膠的阻尼特性，以及探索金屬橡膠與其他彈性元件組合作為小口徑火炮緩沖器應(yīng)用前景。

References)

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[2]談樂斌，侯保林，陳衛(wèi)民.降低火炮后坐力技術(shù)概述[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2006(4)：69-71. TAN Lebin, HOU Baolin, CHEN Weimin.Gun recoil force reduction technology[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2006(4)：69-71. (in Chinese)

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Research on the Recoil Characteristics of the Spring-metalRubber Buffer of the Gatling Gun

LI Huibin1, YUAN Zhihua1, HAN Tie2, HU Ming1

(1. School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University,Shenyang 110159 , Liaoning , China；2. Unit 92840 of PLA , Qingdao 266405, Shandong, China )

For the Gatling weapon,due to its high firing rate and the complex characteristics of recoil,reducing the recoil resistance and enhancing firing precision becomes an important research topic for the improvement of the performance of Gatling weapon system.Designed was a buffer which makes use of new materials in metal rubber as the main damping material and the circular spring which has effective cushioning performance as the main elastic element with the recoil motion differential equation of the Gatling gun established.On the basis of the equation, with MATLAB used to simulate and analyze what happened when the shape factor of metal rubber was changed,it was derived that the shape factor of metal rubber is inversely proportional to its stiffness coefficient.The simulation results show that the buffer which loads the metal rubber can better reduce the Gatling gun recoil resistance.Consequently,there is a great significance for metal rubber to improve the firing precision and stability of the Gatling gun.

ordnance science and technology;Gatling gun; buffer; metal rubber; recoil resistance

2016-05-05

遼寧省教育廳高校科研基金(L2014076)

李回濱(1994—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究。E-mail：lhb1011040110@163.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.002

TJ303+.4

A

1673-6524(2017)02-0006-05