某火炮電擊發(fā)裝置關鍵件設計與優(yōu)化

趙永娟，潘玉田，張鵬飛，常建龍

（中北大學軍民融合協(xié)同創(chuàng)新研究院，太原 030051）

0 引言

現(xiàn)代自行火炮為了能夠做到在火控系統(tǒng)控制下精準、迅速開火，必須對傳統(tǒng)機械擊發(fā)機構進行改進［1］。在不改變火炮機械擊發(fā)功能的基礎上，增加電擊發(fā)裝置功能，是電擊發(fā)自動裝填技術研究的思路。電擊發(fā)底火自動裝填裝置對提升大口徑自行火炮的發(fā)射速度至關重要。

炮閂在關閉過程中涉及到扭臂壓蓋擠壓力、彈子簧支撐力、擊針復位簧回復力等眾多力學分量作用［2-3］，而大口徑火炮電擊發(fā)裝置關鍵件撥片簧與擊針連接部分會產(chǎn)生復雜的彎扭組合變形，光靠實際經(jīng)驗和肉眼是無法進行分析的，而且試驗費用昂貴，因此，通過實體建模并借助ALGOR 有限元分析軟件可以直接求解整個電擊發(fā)組件的受力情況，從而大幅提高關鍵件受力分析的效率和求解精度［4-5］。

撥片簧組件是連接擊針和電擊發(fā)裝置的重要部件，是電擊發(fā)底火自動裝填裝置中的關鍵件，因此為提高電擊發(fā)裝置工作的可靠性必須對其進行設計與優(yōu)化。

1 關鍵件設計工作原理及受力分析

1.1 關鍵件工作原理

大口徑火炮電擊發(fā)裝置的關鍵件是撥片簧（機、電轉換裝置），圖1 中連接擊針和電擊發(fā)裝置的淺黃色部分為關鍵件撥片簧。撥片簧一端通過撥片擺臂以銷軸連接的方式固定在擊針座的凹槽內，另一端插接在擊針頭部的撥片簧安裝孔內。擊針座內的擊針安裝孔與撥片簧槽表面均被絕緣套覆蓋，從而使擊針和撥片簧組件與擊針座本體保持絕緣。撥片簧組件工作原理為：

圖1 電擊發(fā)裝置撥片簧組件結構圖

1）閂體關閉時，撥片簧扭臂上的弧形壓蓋嵌入炮尾上與閂體運動方向平行的傾斜到軌板槽。

2）閂體運動時，由于軌板槽深度逐漸變淺，其內部斜面滑道開始與弧形壓蓋接觸。撥片簧組件扭臂受斜面滑道擠壓而扭轉，撥片簧組件發(fā)生彈性形變后將擊針壓下。

3）閂體打開時，壓蓋逐漸從斜面滑道中退出，擊針在擊針復位簧作用下自動收回擊針室，從而完成大口徑火炮電擊發(fā)發(fā)射。

1.2 關鍵件受力分析

在電擊發(fā)狀態(tài)，撥片簧扭臂壓蓋受到炮尾導引槽斜面擠壓扭轉，產(chǎn)生下壓力為Fp1，擊針在撥片簧的推動下，克服擊針復位簧回復力向下運動與底火尾部接觸。通過查閱參考資料及計算，擊針簧回復力為F1=2.475 N。在使用有限元軟件分析電擊發(fā)組件工作受力情況時，擊針復位簧的回復力等效為作用于擊針下絕緣環(huán)下表面的正壓力P1，擊針下絕緣環(huán)下表面表面積S1，因為擊針模型為參數(shù)化建模，通過Solidworks 軟件可以直接查得S1=56.65 mm2則：

P1=F1/S1=2.475/56.65=4.40×10-2MPa

擊針尾端部與底火接觸時，端面S2受到的接觸壓力P2=0.1 MPa；此外，在撥片簧扭臂處還受到彈簧彈子支撐力，因為電擊發(fā)狀態(tài)下扭臂轉動角度很小，彈子簧回復力近似不變，所以可以等效為一個垂直于扭臂下表面的恒力Fs1。圖2 是電擊發(fā)狀態(tài)下?lián)芷赏廨d荷加載情況時受力情況。

圖2 撥片簧電擊發(fā)狀態(tài)受力分析

2 關鍵件優(yōu)化方案及分析

關鍵件撥片簧的力學模型可簡化為兩端受到約束的彈性簡支梁。采用參數(shù)化分析設計的擊發(fā)機構,各運動件間互相協(xié)調,具有較高的擊發(fā)可靠性［6］。在撥片簧與擊針連接的約束部分因為扭轉擠壓而產(chǎn)生嚴重的應力集中現(xiàn)象［7-8］，為了優(yōu)化簧片受力情況就必須避免這種應力集中現(xiàn)象的發(fā)生。通過借鑒工程應用上拱梁結構分散載荷的實例［9］，在優(yōu)化方案中將撥片簧外形由線形改為弧形，同時加大擊針尾部簧片安裝孔高度，為簧片彎曲變形提供空間，以避免連接部位應力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 撥片簧組件建模及網(wǎng)格劃分

圖3 為優(yōu)化方案網(wǎng)格劃分情況，從圖中可見，撥片簧厚度方向上網(wǎng)格數(shù)量為4 層，可以保證求解時的計算精度［10］。

圖3 優(yōu)化方案網(wǎng)格劃分情況

2.2 不同安裝孔深撥片簧等效應力云圖及分析

圖4 為優(yōu)化后的不同安裝孔深撥片簧電擊發(fā)狀態(tài)等效應力云圖，通過選取3 組不同的安裝孔深度數(shù)值分別求解，分析不同連接方式對簧片受力情況的影響。通過表1 對比可以發(fā)現(xiàn)，簧片安裝孔深度越淺，撥片簧表面應力分布越均勻，應力集中現(xiàn)象越不明顯。隨著安裝孔深度增加，安裝孔內壁對簧片的約束作用愈加明顯，因扭轉而引起的應力集中現(xiàn)象很快超過弧形結構對載荷的分散效應，最終導致簧片最大等效應力值的急劇上升。顯然，安裝孔深度越淺，撥片簧受力情況越好，當安裝孔深度為0 mm 時，簧片扭轉形變和應力集中現(xiàn)象都將歸零，但是此時撥片簧組件也將失去作用。因此單純通過減小安裝孔深度的優(yōu)化方式是不可取的。

圖4 不同安裝孔深撥片簧電擊發(fā)狀態(tài)等效應力云圖

表1 撥片簧優(yōu)化方案電擊發(fā)狀態(tài)應力分析結果

進一步分析表明，初步優(yōu)化方案的安裝孔深度與簧片插入深度相同，而扭臂下壓時，撥片簧受力由彎變直，其徑向長度有逐步增加的趨勢，而此時擊針上的安裝孔卻限制了簧片伸長，當簧片無法伸長時，對安裝孔內前表面將產(chǎn)生強烈擠壓，同時在安裝孔口部上沿產(chǎn)生扭轉形變，這就是初步優(yōu)化方案中撥片簧產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象的根本原因，圖5 直觀顯示了這種應力集中現(xiàn)象。

圖5 初步優(yōu)化方案電擊發(fā)狀態(tài)撥片簧和擊針安裝孔表面應力集中現(xiàn)象

在以上分析的基礎上，提出了撥片簧最終優(yōu)化設計方案。該方案擊針安裝孔深度固定為4 mm，使簧片對擊針產(chǎn)生的下壓力盡可能與擊針軸線重合。撥片簧端部和安裝孔內前表面采用0.7 mm 間隙配合，同時適當加大撥片簧弧度來提升載荷分散效應。

2.3 不同厚度撥片簧等效應力云圖

圖6 為電擊發(fā)裝置優(yōu)化方案實體模型加載后的位移云圖，通過和加載前模型輪廓線圖對比可以發(fā)現(xiàn)撥片簧承受載荷自然變形伸長的情況。圖7 中的等效應力云圖顯示，當撥片簧厚度小于1.1 mm時，厚度增加引起的載荷分散效應超過扭臂下壓力增加的作用效果，因此簧片應力呈下降趨勢。當撥片簧厚度超過1.1 mm 時，后者作用效果超過前者，簧片應力開始緩慢上升，同時簧片表面應力分布逐漸趨于均勻，最大等效應力點基本位于簧片中、后部位置。當撥片簧厚度超過1.4 mm 時，因厚度增加而引起的簧片扭轉形變趨勢開始占據(jù)主導地位，此時盡管在簧片表面位置應力分布已經(jīng)非常均勻，但是最大等效應力點已經(jīng)轉移到其端部與擊針接觸面位置，并且應力幅值也開始快速上升。

圖6 撥片簧組件優(yōu)化方案電擊發(fā)狀態(tài)位移圖

圖7 優(yōu)化方案電擊發(fā)狀態(tài)撥片簧等效應力云圖

2.4 不同厚度撥片簧等效應力分析

表2 中列出了優(yōu)化方案6 組撥片簧設計參數(shù)的求解結果。結果顯示，炮尾導引槽斜面對扭臂產(chǎn)生的下壓力和擊針受力情況均隨撥片簧厚度增加而增加。其中扭臂下壓力的增幅始終比較平緩，而擊針最大等效應力增幅在撥片簧厚度為1.1 mm～1.4 mm 時較為平緩，撥片簧厚度過薄或過厚都會引起擊針受力情況的階越式變化。撥片簧的受力情況更為特殊，在簧片厚度小于1.1 mm 時，載荷呈下降趨勢；厚度為1.1 mm～1.4 mm 時，載荷趨于平緩上升；厚度超過1.4 mm 時，載荷增幅開始急劇上升。

表2 優(yōu)化方案電擊發(fā)狀態(tài)應力分析結果

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，撥片簧最佳厚度范圍在1.1 mm～1.4 mm 之間，由于從安全方面考慮，設計方案傾向于相對較大的扭臂下壓力，因此最終優(yōu)選的簧片厚度參數(shù)為1.4 mm。

2.5 撥片簧疲勞壽命分析

撥片簧的結構尺寸很小，厚度僅為1.4 mm，而工作時承受的載荷又比較大，長時間反復加載后，會在最大應變處，即在簧片上表面與擊針連接處開始萌生局部裂紋，最終因為疲勞失效而達到使用壽命。撥片簧工作情況屬于典型的單調循環(huán)低周疲勞，采用針對材料低周疲勞分析的局部應力應變法估算其裂紋形成壽命［11］。撥片簧的疲勞壽命計算公式選用莫羅公式：

其中，等效應變Δε=2.55×10-3mm；疲勞強度系數(shù)σf'=987 MPa；彈性模量E=1.97×105MPa；疲勞延性系數(shù)εf'=0.288；疲勞強度指數(shù)b=-0.11；疲勞延性指數(shù)c=-0.58；局部應力σm=231.94 MPa；N 為壓片簧疲勞壽命數(shù)值。將上述參數(shù)帶入式（1）得：N=37 355次，因為大口徑火炮大部分在惡劣環(huán)境下進行工作，其相關零部件應取較高的壽命安全系數(shù)nN，這里取nN=10［12］，則撥片簧組件的安全使用壽命N'=N/nN=3 735 次。

3 結論

本文利用撥片簧實現(xiàn)電擊發(fā)裝置與擊針彈性浮動安裝，對影響電擊發(fā)裝置可靠性的撥片簧進行設計與優(yōu)化分析，確定安裝孔深度為4 mm，彈簧片厚度為1.4 mm 時，某口徑火炮在電擊發(fā)狀態(tài)下滿足強度要求，最后通過局部應力應變分析法對關鍵件撥片簧的疲勞使用壽命進行了計算，計算結果表明撥片簧可以長時間安全可靠工作。本論文為今后某大口徑火炮工程化研制提供一種設計方案。