混合介質(zhì)緩沖器在轉(zhuǎn)管武器上的應(yīng)用

周 軍，高躍飛，馬 浩，王 釗

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

液固混合介質(zhì)由一類幾乎不可壓縮液體和許多可壓縮的彈性單元混合而成。當(dāng)外力作用于這種混合介質(zhì)時，不可壓縮液體將壓力傳遞到彈性單元體上，將壓力迅速、均勻地傳遞給彈性單元，使它們同時變形參與能量的吸收，因而能夠吸收沖擊能量，有著較明顯的非線性動力學(xué)特性[1-2]。利用該種液固混合介質(zhì)設(shè)計的緩沖器，對于沖擊環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且有緩沖行程短、承受載荷大的特點。

火炮發(fā)射時，膛內(nèi)的火藥氣體作用于炮身，產(chǎn)生一個作用時間短、幅值變化大的后坐力。轉(zhuǎn)管武器由于射速較高，連發(fā)時會出現(xiàn)后坐力和后坐位移疊加的現(xiàn)象，使后坐運動特性變得復(fù)雜。為減小后坐力，轉(zhuǎn)管武器通常安裝有緩沖器，常見的緩沖器有環(huán)形彈簧緩沖器、氣液緩沖器和彈簧-液壓緩沖器等。但彈簧緩沖器特性呈線性，耗能較小，緩沖效果差[3]；氣液緩沖器存在受環(huán)境溫度影響較大，且不易密封等諸多問題。將具有非線性特性的混合介質(zhì)緩沖器應(yīng)用到轉(zhuǎn)管武器上，能夠克服上述緩沖器的缺點，實現(xiàn)在較短后坐行程內(nèi)吸收大量沖擊能量的目的。

將混合介質(zhì)用于緩沖是由Courtney[4-5]于1986年提出，通過沖擊試驗研究表明：混合介質(zhì)和其他緩沖材料、結(jié)構(gòu)相比，具有優(yōu)良的緩沖性能。針對振動隔離問題，滕漢東等[6]提出了一種新型液固混合介質(zhì)隔振器方案，分析了混合介質(zhì)的剛度非線性的機(jī)理，并通過掃頻激振試驗發(fā)現(xiàn)該緩沖器中液固混合介質(zhì)的整體剛度特性呈現(xiàn)為軟彈簧非線性特征，能較好應(yīng)用于隔振緩沖領(lǐng)域。張翠霞等[7]試驗研究了在沖擊載荷下混合介質(zhì)緩沖器動力學(xué)特性和緩沖效果，結(jié)果表明沖擊載荷下混合介質(zhì)混合緩沖器比線性彈簧緩沖器的緩沖效率高，在較大沖量的沖擊作用下緩沖器的緩沖效率更高。以上研究表明混合介質(zhì)緩沖器因為其剛度非線性、承受載荷大的特點，能夠較好地應(yīng)用到艦船、道路車輛、武器平臺等諸多重載領(lǐng)域的減振緩沖環(huán)境中。

筆者以某23 mm轉(zhuǎn)管炮為例，針對轉(zhuǎn)管武器要求后坐位移短、后坐阻力小的特點，設(shè)計了一種新型的液壓與混合介質(zhì)組合的緩沖器，其中混合介質(zhì)為彈性元件，液壓阻尼為阻尼元件。根據(jù)混合介質(zhì)和液壓阻尼的載荷特性，建立武器后坐運動模型來分析轉(zhuǎn)管炮在組合緩沖器作用下的后坐運動特性。

1 緩沖器結(jié)構(gòu)及原理

緩沖器由液壓阻尼和混合介質(zhì)串聯(lián)組成，其中使用航空液壓油和橡膠空心小球作為混合介質(zhì)。以混合介質(zhì)為彈性元件，吸收儲存后坐能量；液壓阻尼為阻尼元件，用于消耗武器后坐產(chǎn)生的能量和控制后坐阻力峰值。緩沖器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由空心橡膠小球、液壓油、活塞桿、液壓活塞、帶流液孔的阻尼活塞組成。

當(dāng)火炮后坐時，混合介質(zhì)腔中的活塞壓縮混合介質(zhì)液面，混合介質(zhì)中的壓力增大，橡膠球在外部液壓油的壓力下發(fā)生變形，壓縮小球內(nèi)的空氣，儲存能量；與此同時，液壓腔中液體從活塞上的節(jié)流孔和流液孔流過，液體產(chǎn)生一定的流動阻尼，消耗大部分后坐能量，并以熱量的形式散失掉。后坐結(jié)束時，橡膠小球內(nèi)氣體膨脹釋放儲存的能量，液壓油向外擠壓活塞推動火炮后坐部分復(fù)進(jìn)。在復(fù)進(jìn)過程，液壓腔中的單向閥在彈簧的作用下關(guān)閉流液孔，僅節(jié)流孔工作，使復(fù)進(jìn)時緩沖器的阻尼與轉(zhuǎn)管武器的射頻匹配。

2 轉(zhuǎn)管武器后坐過程動力學(xué)模型

2.1 混合介質(zhì)力學(xué)模型

混合介質(zhì)緩沖器相當(dāng)于一個類似氣液彈簧的結(jié)構(gòu)，工作原理如圖2所示。當(dāng)沖擊載荷施加到活塞上時，由于活塞的運動擠壓液體，液體將動壓力傳遞到所有橡膠空心小球上，使其發(fā)生變形，吸收沖擊能量。當(dāng)活塞上的外激勵變小時，小球內(nèi)氣體膨脹，通過液體向外擠活塞，使其向外運動，釋放能量。

混合介質(zhì)的非線性動力學(xué)特性由空心橡膠小球提供，其工作變形情況如圖3所示。

圖3中，R1、R2分別為變形前橡膠球的內(nèi)、外半徑；r1、r2分別為當(dāng)前工作時橡膠球的內(nèi)、外半徑；Poil0和Poil分別為混合介質(zhì)的初始壓力和當(dāng)前工作壓力；Pair0和Pair為橡膠球初始內(nèi)壓和變形后內(nèi)壓。在載荷計算時，假設(shè)如下：

1)忽略混合介質(zhì)中油液的可壓縮性。

2)空心橡膠小球變形時，橡膠球上的質(zhì)點僅僅沿著徑向發(fā)生位移，即變形過程中橡膠球始終保持對稱性。

已有的研究表明，當(dāng)使用橡膠空心小球作為混合介質(zhì)中彈性單元時，活塞上工作載荷為活塞位移的三次函數(shù)[6]：

F=(Poil0-Pair0)S+k0x+k1x2+k2x3,

(1)

S為活塞工作面積；n為小球數(shù)目；m為氣體多變指數(shù)；E為小球的彈性模量。

由式(1)可知，混合介質(zhì)緩沖器具有明顯的非線性特征，其特性曲線如圖4所示。

F0=(Poil0-Pair0)S+k0h0+k1h02+k2h03.

(2)

當(dāng)選定預(yù)壓力F0之后可通過式(2)反解出預(yù)壓量h0，則考慮預(yù)壓的混合介質(zhì)力為

Fs=(Poil0-Pair0)S+k0(x+h0)+

k1(x+h0)2+k2(x+h0)3.

(3)

2.2 轉(zhuǎn)管武器后坐運動微分方程

對于轉(zhuǎn)管武器，通常自動機(jī)整體作為后坐部分參與后坐復(fù)進(jìn)運動，其受力關(guān)系簡化模型如圖5所示。

如圖5所示，后坐部分的受力有：炮膛合力Fpt，方向沿炮膛軸線向后；后坐部分重力mhg，沿后坐部分的質(zhì)心垂直向下；搖架對后坐部分的約束反力Fn和導(dǎo)軌與后坐部分的摩擦阻力FT；緩沖器的作用力由混合介質(zhì)力Fs和液壓阻力FΦh組成。為了便于分析，將后坐部分視為一個整體，結(jié)合下述假設(shè)，可將后坐部分簡化成一個單自由度的運動系統(tǒng)。基本假設(shè)如下：

1)后坐部分的質(zhì)心在緩沖器中心軸的延長線上，且于炮膛軸線重合。

2)除橡膠小球和液壓油，后坐部分和炮架全部是剛體。

3)忽略彈丸對膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的旋轉(zhuǎn)力矩。

大概很少有人主動找老太太說話，老人家絮絮叨叨地說了良久。小熊卻不再有耐心做翻譯，老太太無可奈何地在小熊屁股上一拍，由他了。

4)液壓油不可壓縮。

根據(jù)受力分析的結(jié)果可知，轉(zhuǎn)管武器后坐部分在這些力的共同作用下，產(chǎn)生后坐、復(fù)進(jìn)、前沖以及返回4個運動過程。以炮膛軸線為坐標(biāo)x，后坐方向為正，應(yīng)用牛頓第二定律可得后坐部分的運動方程為

(4)

式中：FR為后坐阻力，

(5)

式中：Fv為密封裝置的摩擦力；x為后坐位移；v為后坐速度。

液壓阻力為

(6)

式中，Rh、Rf分別為后坐、復(fù)進(jìn)時的液壓阻力系數(shù)。

3 仿真結(jié)果及影響因素分析

3.1 仿真計算

根據(jù)某23 mm轉(zhuǎn)管炮后坐阻力要求，設(shè)計的緩沖器的主要參數(shù)如表1所示。

表1 緩沖器參數(shù)

根據(jù)所設(shè)計的緩沖器結(jié)構(gòu)與參數(shù)，應(yīng)用MATLAB軟件編寫程序?qū)\動方程(4)求解，可得到轉(zhuǎn)管炮在液壓-混合介質(zhì)緩沖器下的運動情況。轉(zhuǎn)管炮在6 000發(fā)/min的射頻、射角0°時的工況下，前40發(fā)后坐位移和后坐阻力曲線如圖6所示。

根據(jù)后坐阻力和位移曲線，將該計算結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中后坐特征值進(jìn)行比較，如表2所示。

表2 計算結(jié)果比較

由結(jié)果可知，最大后坐位移比文獻(xiàn)[9]增加了0.6 mm，后坐阻力降低了10.6 kN.顯然，使用了混合介質(zhì)緩沖器后，射速穩(wěn)定后的后坐阻力變化幅度較小，在后坐阻力曲線下方面積即后坐沖量相同的情況下，后坐阻力峰值降低。這表明混合介質(zhì)緩沖器能夠有效減小后坐阻力，從而減小武器平臺振動，有利于提高射擊穩(wěn)定性。

3.2 混合介質(zhì)參數(shù)影響分析

由混合介質(zhì)的力學(xué)模型和轉(zhuǎn)管武器的后坐運動微分方程可知，混合介質(zhì)參數(shù)和液壓阻尼系數(shù)對緩沖器的性能影響明顯。改變混合介質(zhì)和液壓阻尼參數(shù)來控制緩沖器的特性，可通過調(diào)整橡膠球的數(shù)量、彈性模量以及活塞上流液孔來實現(xiàn)。

3.2.1 橡膠球數(shù)量的影響

通過在液壓油中放置不同數(shù)量的橡膠空心小球，研究橡膠小球數(shù)量對緩沖性能的影響。選取小球數(shù)量n為150、165、180，得到后坐位移和后坐阻力曲線如7所示。

根據(jù)不同小球數(shù)量對后坐運動影響的計算，特性參數(shù)如表3所示。

表3 橡膠球數(shù)量對后坐特性的影響

從圖7后坐特性曲線和表3中數(shù)據(jù)可以看出，橡膠球的數(shù)量對后坐位移影響較明顯，對后坐阻力幾乎無影響。隨著小球數(shù)量的增多，后坐位移變大，這是由于小球數(shù)量增多，導(dǎo)致混合介質(zhì)更易被壓縮，其剛度變小。

3.2.2 橡膠球彈性模量的影響

選取材料特性不同的橡膠空心小球，研究橡膠小球材料彈性模量對緩沖性能的影響。選取彈性模量E為2.6、3.8、5.8 MPa，得到后坐位移和后坐阻力曲線如圖8所示。

根據(jù)不同橡膠小球彈性模量值對后坐運動影響的計算，特性參數(shù)如表4所示。

表4 橡膠球彈性模量對后坐特性的影響

從圖8后坐特性曲線和表4中數(shù)據(jù)可以看出，橡膠球彈性模量對后坐位移影響較明顯，對后坐阻力影響較小。隨著橡膠球彈性模量的增大，后坐位移變小，這是因為彈性模量增大，導(dǎo)致橡膠空心小球更難壓縮，整體混合介質(zhì)表現(xiàn)為剛度變大。

3.2.3 液壓阻尼的影響

通過調(diào)整阻尼活塞上節(jié)流孔的直徑及數(shù)量，研究不同液壓阻尼對緩沖性能的影響情況。調(diào)整后的后坐液壓阻尼系數(shù)Rh為10 567、19 900、32 851 kg/m，得到后坐位移和后坐阻力曲線如圖9所示。

根據(jù)上面不同后坐液壓阻尼對后坐運動影響的計算，特性參數(shù)如表5所示。

表5 后坐液壓阻尼對后坐特性的影響

從圖9后坐特性曲線和表5中數(shù)據(jù)可以看出，后坐液壓阻尼主要影響后坐阻力波動峰值。因此，實際應(yīng)用時應(yīng)對液壓阻尼優(yōu)化，以減小后坐阻力的波動峰值。

4 結(jié)論

根據(jù)混合介質(zhì)緩沖器的非線性載荷特性，提出了一種用于轉(zhuǎn)管武器新型混合介質(zhì)緩沖器結(jié)構(gòu)方案，并對其緩沖器載荷和武器后坐部分動力學(xué)過程進(jìn)行了分析，以某23 mm轉(zhuǎn)管炮為例，分析了其在混合介質(zhì)緩沖器作用下的后坐特性，得到了以下結(jié)論：

1)混合介質(zhì)緩沖器能夠滿足轉(zhuǎn)管武器發(fā)射載荷要求，能夠有效地降低后坐力，有利于提高武器的射擊穩(wěn)定性和精度。相比于彈簧與氣液緩沖器，剛度易調(diào)節(jié)、密封簡單、維護(hù)方便。

2)分析了混合介質(zhì)參數(shù)和液壓阻尼系數(shù)對緩沖器性能的影響規(guī)律。工程應(yīng)用時可通過增減橡膠球的數(shù)量或更換不同彈性模量小球來調(diào)節(jié)混合介質(zhì)剛度，可在后坐阻力峰值基本不變的情況下來滿足自動供輸彈機(jī)構(gòu)對后坐位移的要求。