艦炮擺彈運(yùn)動(dòng)彈藥振動(dòng)的影響因素分析

葉 辛，孫世巖，譚 波

(海軍工程大學(xué), 武漢 430000)

大口徑艦炮通過(guò)后坐時(shí)彈簧釋放儲(chǔ)存的能量完成規(guī)定的擺彈動(dòng)作，是一個(gè)時(shí)間短、速度快的高動(dòng)態(tài)過(guò)程。在擺彈機(jī)構(gòu)的高頻重復(fù)過(guò)程中，彈藥與抱爪發(fā)生碰撞，對(duì)彈藥的振動(dòng)產(chǎn)生影響。彈藥徑向相對(duì)薄弱，不斷的沖擊振動(dòng)使其存在安全隱患。司志檜[1]考慮發(fā)射過(guò)程中彈丸前定心部與膛壁的摩擦，對(duì)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了彈丸與身管配合間隙對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響。劉成柱[2]考慮了彈帶膛線(xiàn)與彈丸的接觸碰撞，研究了車(chē)載炮上架對(duì)彈丸起始擾動(dòng)的影響。劉寧[3]考慮火炮射擊過(guò)程中彈丸與身管的接觸碰撞，建立身管振動(dòng)方程，研究了彈管間隙對(duì)身管振動(dòng)的影響。於崇銘[4]考慮彈藥運(yùn)輸過(guò)程中的持續(xù)振動(dòng)，通過(guò)實(shí)測(cè)加速度信號(hào)與施加白噪聲激勵(lì)信號(hào)，分析了彈藥包裝對(duì)振動(dòng)的影響。于會(huì)杰[5]考慮彈丸運(yùn)動(dòng)沖擊下身管振動(dòng)規(guī)律，研究了彈丸激勵(lì)下身管的振動(dòng)響應(yīng)。

以往對(duì)擺彈過(guò)程的研究一般較少考慮彈藥振動(dòng)的情況，多以擺彈機(jī)構(gòu)為對(duì)象建立剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)模型，重點(diǎn)考慮材料彈性屬性引起的柔性變形[6-9]，本文對(duì)彈藥建立動(dòng)力學(xué)模型，考慮抱彈爪與彈藥的包合程度，基于牛頓定律以及剛體動(dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行模擬仿真，并通過(guò)簡(jiǎn)化抱彈器模型，將數(shù)值運(yùn)算結(jié)果與簡(jiǎn)化模型輸入ADAMS虛擬樣機(jī)中，分析改變參數(shù)對(duì)彈藥振動(dòng)引起的彈藥狀態(tài)變化。

1 彈藥擺彈運(yùn)動(dòng)工作原理

在某中大口徑艦炮供彈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，彈藥從回轉(zhuǎn)部分供彈系統(tǒng)的揚(yáng)彈機(jī)提升到擺彈機(jī)，再由擺彈機(jī)擺臂向發(fā)射系統(tǒng)任一射角上的轉(zhuǎn)彈機(jī)傳遞炮彈。擺彈動(dòng)作通過(guò)擺彈機(jī)完成，它主要由彈簧、齒條、齒輪、擺臂以及抱彈裝置組成。彈藥被發(fā)射出去后，炮管后坐壓縮彈簧儲(chǔ)存能量，當(dāng)炮管復(fù)進(jìn)時(shí)，彈簧釋放能量。彈簧與齒條連接，在彈簧彈力作用下齒條沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，齒條和齒輪嚙合使齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，擺臂與齒輪固連，隨著齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，抱彈裝置抱緊彈藥并準(zhǔn)確定位完成擺彈。擺彈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 擺彈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

擺彈是一個(gè)先加速后減速的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中彈藥與抱爪緊密接觸。由于設(shè)計(jì)上的誤差，彈藥與抱爪之間存在一定的間隙，從而使彈藥與抱爪發(fā)生碰撞，若將抱彈器視為相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，則彈藥在進(jìn)行擺彈運(yùn)動(dòng)的同時(shí)在不斷振動(dòng)。

2 運(yùn)動(dòng)模型建立

以某中大口徑艦炮彈藥為研究對(duì)象，建立彈藥擺彈過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用多剛體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)彈藥進(jìn)行計(jì)算和仿真[10]。g為重力加速度，規(guī)定作用力以右為正，轉(zhuǎn)矩以順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?/p>

齒條受力分析如圖2所示。

Fc為齒條對(duì)齒輪的作用力，F(xiàn)c′為齒輪對(duì)齒條的反作用力，兩力大小相等，即：

Fc=Fc′

(1)

圖2 齒條受力分析

根據(jù)胡克定律彈簧驅(qū)動(dòng)力Ft滿(mǎn)足：

Ft=F0+K·ΔL-K·x

(2)

x=θ·Rc

(3)

式中：F0為安裝時(shí)彈簧預(yù)壓力；ΔL為后坐儲(chǔ)能時(shí)彈簧壓縮的長(zhǎng)度；x齒條最大位移；Rc為齒輪分度圓半徑。

根據(jù)牛頓第二定律，齒條運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足：

(4)

圖3為擺臂構(gòu)件受力分析圖。以彈藥為研究對(duì)象，并將彈藥視為剛體，根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量定義，整個(gè)擺彈裝置和彈藥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為：

(5)

彈藥質(zhì)心對(duì)齒輪軸心產(chǎn)生的重力矩為：

TD=GDLsinθ

(6)

Mb為擺臂質(zhì)量；MD為彈藥質(zhì)量；Md為抱彈器質(zhì)量；Ml為齒輪質(zhì)量；R為彈藥重心距離齒輪軸心距離；Ld為抱彈器重心距離齒輪中心距離；Lb為擺臂重心距離齒輪軸心距離

圖3 擺臂構(gòu)件受力分析

根據(jù)剛體動(dòng)量矩定理，聯(lián)立式(1)、式(2)、式(5)、式(6)，整理得彈藥繞齒輪軸心轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)方程[11]為：

(7)

在艦炮所有射角中，0°射角時(shí)彈藥擺角幾乎最大，因此耗時(shí)最長(zhǎng)，擺臂停止時(shí)的角速度最大，產(chǎn)生沖擊較大，振動(dòng)衰減時(shí)間較長(zhǎng)。故考慮在最?lèi)毫訔l件0°射角情況下，即擺臂最大擺角θ為90°時(shí)進(jìn)行擺彈動(dòng)作，要求彈藥擺彈一次在0.7 s[3]內(nèi)完成。選取彈簧剛度K=79.6 N/mm，彈簧預(yù)壓力F0=12.3 kN，彈藥質(zhì)量MD=54 kg，彈藥質(zhì)心距齒輪軸心距離L=900 mm，擺彈一次經(jīng)歷時(shí)間t=0.7 s[8]。通過(guò)軟件Matlab采用四階Runge-Kutta法編程，得到擺角隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4所示。

如圖4、圖5所示，隨著時(shí)間不斷變化，擺彈角速度先增大后減小。擺到0.43 s時(shí)，角速度達(dá)到最大值3.017 rad/s；由于慣性力及抱彈器作用，彈藥繼續(xù)擺彈運(yùn)動(dòng)，同時(shí)彈藥開(kāi)始作減速運(yùn)動(dòng)，角速度減小，到0.7 s，擺彈到90°，此時(shí)角速度為2.24 rad/s。

圖4 擺角θ隨時(shí)間t的變化曲線(xiàn)

圖5 擺彈角速度隨時(shí)間t的變化曲線(xiàn)

3 擺彈運(yùn)動(dòng)安全性分析

擺彈過(guò)程中彈藥受到抱彈爪施加的徑向作用力，由相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)突然轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而使彈藥與抱彈爪發(fā)生碰撞。擺彈是一個(gè)持續(xù)的變速過(guò)程，因此彈藥與抱彈爪不斷碰撞，使彈藥在徑向方向處于相對(duì)振動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致彈藥的安全性降低。

3.1 運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)化與仿真

由于抱彈器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分小零件在實(shí)際機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)其功能，因此將相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，抱彈器簡(jiǎn)化模型如圖6所示。

圖6 抱彈器簡(jiǎn)化模型

抱彈器托體部分與彈藥接觸面積較大，通過(guò)改變抱彈器托體內(nèi)表面直徑的大小，從而控制抱彈器與彈藥的包合程度。抱彈器托體內(nèi)表面直徑與彈藥藥筒直徑越接近，包合程度越好，反之，彈藥與抱彈器之間間隙越大。

在ADAMS中打開(kāi)擺彈模型，設(shè)置抱彈器與彈藥外殼材料屬性為結(jié)構(gòu)鋼，藥筒內(nèi)裝藥進(jìn)行配重設(shè)置，其他參數(shù)選擇默認(rèn)數(shù)值。添加旋轉(zhuǎn)副，使抱彈器繞軸運(yùn)動(dòng)。并在抱彈器與彈藥之間，以及抱彈卡鎖與彈藥之間設(shè)置接觸約束，運(yùn)動(dòng)仿真如圖7所示。

圖7 擺彈運(yùn)動(dòng)仿真

3.2 模擬仿真試驗(yàn)計(jì)算

根據(jù)該型艦炮彈藥藥筒直徑實(shí)際測(cè)量尺寸為160.75 mm，且抱彈器托體部分內(nèi)表面直徑與彈藥藥筒之間存在一定間隙，故設(shè)置抱彈器托體部分內(nèi)表面直徑為較大值170 mm進(jìn)行仿真。將Matlab計(jì)算數(shù)據(jù)存為.txt格式，并導(dǎo)入ADAMS中，在ADAMS中Independent Column Index狀態(tài)欄里輸入1，表示.txt中的第一列為變量。設(shè)置模擬仿真時(shí)間為0.7 s，仿真步數(shù)為150步，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

圖8中曲線(xiàn)反映了彈藥內(nèi)坐標(biāo)為(100.0，0.0，-100.0)的標(biāo)記點(diǎn)在x軸、y軸、z軸上相對(duì)于轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。在x軸、y軸正負(fù)方向上角速度分別出現(xiàn)三次峰值，其中在x軸上第一次峰值較小，第三次峰值較大，相反，在y軸上第一次峰值較大，第三次峰值較小，在兩軸上第二次峰值差別較小。且在x軸和y軸上，分別在同時(shí)刻角速度為0 rad/s。由于標(biāo)記點(diǎn)z軸垂直于抱彈器擺動(dòng)平面，故標(biāo)記點(diǎn)在z軸角速度變化最接近輸入驅(qū)動(dòng)曲線(xiàn)圖5，由于彈藥在上擺過(guò)程中不斷與抱彈器碰撞，標(biāo)記點(diǎn)在z軸角速度不斷發(fā)生振動(dòng)。

標(biāo)記點(diǎn)在x軸與y軸上的角速度相互垂直，根據(jù)矢量定理可將兩個(gè)方向振動(dòng)合為一個(gè)總振動(dòng)，角速度總振動(dòng)曲線(xiàn)如圖9。

圖9 角速度總振動(dòng)曲線(xiàn)

4 彈藥擺彈振動(dòng)影響因素分析

擺彈過(guò)程中，彈藥與抱彈器緊密接觸，兩者的接觸對(duì)彈藥在抱彈器中的振動(dòng)產(chǎn)生直接影響。由于制造工藝的誤差以及訓(xùn)練使用的磨損，彈藥與抱彈器接觸面積在一定范圍內(nèi)不斷波動(dòng)。通過(guò)調(diào)整抱彈器托彈部分內(nèi)表面直徑，可以改變抱彈器與彈藥接觸面積。因此以抱彈器托彈部分內(nèi)表面直徑為變量，通過(guò)改變直徑的大小，研究彈藥在抱彈器中振動(dòng)情況。分別取抱彈器托彈部分內(nèi)表面直徑為160 mm、162 mm、165 mm、168 mm、170 mm進(jìn)行模擬仿真，得到角速度總振動(dòng)曲線(xiàn)如圖10。

圖10 不同直徑時(shí)的角速度總振動(dòng)曲線(xiàn)

從圖中可以看出，彈藥主要出現(xiàn)了3次較大的波峰，出現(xiàn)波峰的時(shí)間也較為集中。且第一、第二個(gè)波峰峰形規(guī)則，第三個(gè)波峰峰形不規(guī)則。這說(shuō)明彈藥前兩次振動(dòng)為規(guī)律性振動(dòng)，可以反映彈藥擺彈過(guò)程中的振動(dòng)狀態(tài)。

隨著彈藥直徑D的增大，不同曲線(xiàn)峰值先向右移，而后再向左移，這說(shuō)明出現(xiàn)波峰的時(shí)間先變長(zhǎng)再縮短，則在取不同直徑D時(shí)，會(huì)有一個(gè)波峰出現(xiàn)時(shí)的時(shí)間最長(zhǎng)；且當(dāng)直徑D為168 mm時(shí)，其第一個(gè)波峰與最小波峰峰值相差無(wú)幾，而第二、第三個(gè)波峰峰值都是最小，則D為168 mm時(shí)彈藥振動(dòng)情況相對(duì)其他情況較為緩和。綜上所述，直徑D在160～170 mm間取值時(shí)，存在一個(gè)數(shù)值使彈藥振動(dòng)幅度最小。因此適當(dāng)選取抱彈器托彈部分內(nèi)表面直徑大小，能夠減小彈藥在抱彈器中的振動(dòng)幅度，有助于提高彈藥徑向方向安全性。

5 結(jié)論

1) 彈藥與抱彈器的間隙是影響彈藥安全性的重要影響因素，通過(guò)分析，有助于更好的掌握彈藥安全性能。

2) 合理確定抱彈器托彈部分內(nèi)表面直徑大小，能夠減小彈藥在抱彈器中的振動(dòng)幅度，提高彈藥的安全性。