楔式炮尾火炮改變抽殼速度方法的研究

周 成，顧克秋，付 帥，景鵬淵

（1.南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇南京 210094；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

楔式炮尾火炮改變抽殼速度方法的研究

周 成1，顧克秋2，付 帥2，景鵬淵2

（1.南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇南京 210094；2.南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

由于藥筒制造工藝的誤差，每次火炮發(fā)射后藥筒和藥室間的摩擦力不同，使得抽殼阻力也不同，這會對抽殼速度有著不同的影響。以虛擬樣機ADAMS為平臺，建立了某大口徑火炮的抽殼動力學(xué)模型，建模時采用三段函數(shù)的方法擬合藥筒受到的摩擦力，研究藥筒與藥室間摩擦力對抽殼速度的影響關(guān)系。在此基礎(chǔ)上研究了3種可以改變抽殼速度的方法，通過這些方法，可以找到合適的抽殼速度，既完成抽殼動作，又不至于使藥筒速度過大，落到地面造成過大的反彈。研究結(jié)果可以為后期尋找最優(yōu)抽殼速度提供一定的參考，為全炮動力學(xué)提供一定的借鑒。

藥筒；抽殼速度；動力學(xué)；仿真分析

1 動力學(xué)模型建立

1.1 抽殼動作過程［1］

在閂體關(guān)閉狀態(tài)時，抽筒子的工作凸輪面和身管后端面相切，內(nèi)耳軸在閂體定型槽直線段的下部，外耳軸在炮尾定型弧形槽的后部，如圖1所示。后坐部分復(fù)進，凸輪開始撞擊開閂板，迫使凸輪后轉(zhuǎn)，帶動曲軸后轉(zhuǎn)，曲軸通過花鍵帶動曲臂，曲臂輪下壓閂體，開始開閂。開閂時，閂體定型槽隨閂體下滑，直線定型槽部分迫使抽筒子內(nèi)耳軸向前移動，由于抽筒子外耳軸還在炮尾弧形槽內(nèi)，而且工作凸輪面還和身管后端面相切接觸，接觸點慢慢向下移動，這時，抽筒子會向后擺動一定距離，所以，當(dāng)開閂到一定位置時，抽筒子會把藥筒抽出一定的小距離，因為是慢慢抽出，速度很小。在后期，閂體定型槽由直線槽進入到弧形槽，這樣會使抽筒子劇烈迅速向后轉(zhuǎn)動，以較大的速度，猛烈地抽出藥筒。

在整個抽殼過程中，初始階段時閂體直線槽迫使抽筒子向前運動，所以，直線槽對內(nèi)耳軸有往前的力N，藥筒對抽筒子的反力作用在抽筒子爪上，這樣可以得到較大的抽筒力P，如圖2所示。開始抽殼時，由于火藥燃燒后藥筒和身管藥室內(nèi)壁貼合，需要用較大的力來克服摩擦力，但速度不要求太大，后期劇烈抽殼時，摩擦力大大地下降，僅需很小的力就可以克服摩擦力，把藥筒抽出來，而且藥筒拋出速度比較大。

1.2 模型假設(shè)

1）為了簡化模型，假設(shè)全炮為固定炮架模型，身管在搖架上無振動地沿炮膛軸線滑動。

2）假設(shè)從后坐最大位移處復(fù)進開始計算，不考慮后坐運動過程［2］。

3）復(fù)進機力、制退機力及相關(guān)摩擦力均是廣義坐標(biāo)、廣義速率和結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)［3］。

4）忽略各構(gòu)件的彈性變形。

5）將抽殼部分結(jié)構(gòu)簡化成左由抽筒子、右抽筒子、閂體、身管、炮尾、曲臂、關(guān)閂杠桿等物體組成的多體系統(tǒng)。

1.3 模型拓撲關(guān)系

設(shè)定全局坐標(biāo)系為：原點位于ADAMS／VIEW平臺的缺省坐標(biāo)原點（0，0，0），在模型中為炮尾后端面圓的圓心。x軸沿射角0°時的炮膛軸線，且指向炮口為正，y軸沿鉛垂向上為正，z軸按右手定則確定。模型拓撲關(guān)系如圖3所示。

主要拓撲關(guān)系如下：炮尾和地面采用移動副聯(lián)接h1，開啟杠桿和炮尾采用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接h2，開啟杠桿和拉桿采用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接h3，拉桿和曲柄采用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接h4，曲柄和曲軸采用固定副聯(lián)接h5，曲軸和炮尾采用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接h6，曲軸和曲臂采用固接副聯(lián)接h7，曲軸和關(guān)閉杠桿采用固接鉸聯(lián)接h8，支筒和關(guān)閉杠桿建立接觸聯(lián)接h9，在支筒和炮尾之間建立拉壓彈簧阻尼器，并采用移動副聯(lián)接h10，閂體和炮尾建立移動副聯(lián)接h11，左、右抽筒子分別和炮尾、閂體建立接觸聯(lián)接h12、h13，左、右抽筒子和身管建立接觸連接h14，身管和炮尾采用固接副聯(lián)接h15，曲臂和左、右曲臂輪采用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接h16，左、右曲臂輪和閂體采用接觸聯(lián)接h17，開閂板和曲柄采用接觸聯(lián)接h18，開閂板固定在地面上h19，藥筒分別和身管、左、右抽筒子、閂體建立接觸碰撞連接h20、h21、h22。

1.4 藥筒與藥室間摩擦力模擬

抽殼順利與否主要體現(xiàn)在抽殼阻力的大小上。抽殼阻力是一個非常復(fù)雜的力，這個力可能在比較大的范圍內(nèi)變化，因為影響該力的因素非常多，而且比較復(fù)雜，其中最主要的就是藥筒與藥室之間的摩擦力。由于制造的工藝誤差以及火藥燃燒后藥筒和藥室內(nèi)壁貼合程度不同，會使藥筒和藥室內(nèi)壁間的摩擦也不同。在動力學(xué)計算時，尚無數(shù)學(xué)方法模擬藥筒受到的摩擦力。

根據(jù)對以往的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，認為可以采用三段函數(shù)的方法擬合藥筒受到的摩擦力。即初始緩慢抽筒階段假設(shè)摩擦力不變，函數(shù)表達式為F＝Fmax（Fmax為最大摩擦力），在劇烈抽殼階段采用二次函數(shù)y＝ax2+bx+c模擬摩擦力曲線，在抽殼的最后階段，摩擦力不再劇烈下降，采用一次函數(shù)y＝kx+d模擬摩擦力曲線。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，藥筒速度突然變化劇烈的時候，認為是劇烈抽殼階段，然后找出速度劇烈開始變化時刻藥筒被抽出的距離，該點就是二次方程的頂點。當(dāng)抽殼速度變化不大的時候，就是直線點的開始，以同樣的方法確定一次函數(shù)的開始點，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分別求出二次函數(shù)和一次函數(shù)的表達式。以最大摩擦力10 k N為例，通過函數(shù)擬合獲得的摩擦力隨藥筒被抽出距離變化的曲線如圖4所示。在動力學(xué)建模時，將摩擦力隨藥筒被抽出距離變化的曲線作用于藥筒上。

2 改變抽殼速度方法的研究

2.1 抽殼速度分析

火炮發(fā)射之后，需要自動把藥筒抽出。由于每次抽殼時藥筒受到藥室摩擦力的不同，抽殼速度（藥筒出膛時相對于身管軸線的速度）也會不同，研究不同摩擦力時的抽殼速度，以4種工況來近似模擬摩擦力和抽殼速度的變化關(guān)系。工況1：理想工況，即無摩擦力；工況2：最大摩擦阻力為4 k N；工況3：最大摩擦阻力為8 k N；工況4：最大摩擦阻力為10 k N。圖5與圖6分別為理想工況和工況3的藥筒運動速度曲線。4種工況對應(yīng)的抽殼速度如表1所示。

由表1可見，工況1下的抽殼速度可以達到2 091.3 mm／s，隨著摩擦力的增大，抽殼速度會下降，在工況4的情況下，抽殼速度為20.3 mm／s，在重力的作用下，無法實現(xiàn)拋出的過程，因此，可以認為在工況4時，抽筒子無法正常工作，不能實現(xiàn)拋殼。

2.2 改變抽殼速度的方法

為減小藥筒落地反彈，應(yīng)盡量減小抽殼速度，但抽殼速度過小，又不能實現(xiàn)拋殼。因此，需要找到一個合適的藥筒出膛速度，使其既能完成抽殼動作，落地又不會發(fā)生太大的反彈［4］。

筆者在最大抽殼摩擦阻力為8 k N的情況下著重研究3種方法對抽殼速度的影響。

方法1：改變開閂凸輪圓弧圓心豎直距離l，旨在改變機構(gòu)的傳動比。初始模型中，l為66.88 mm，如圖7所示。

方法2：前后移動開閂板的位置，相當(dāng)于使開閂凸輪和開閂板提前撞擊，提高了撞擊時刻的復(fù)進速度。

方法3：使開閂板可以滑動，并給開閂板加一適當(dāng)?shù)木彌_彈簧［5］，能夠增加開閂凸輪和開閂板的接觸時間。

針對以上3種方法分別建立動力學(xué)模型并進行分析計算，得到的抽殼速度如表2所示。

通過表2分析可得，增大開閂凸輪圓弧圓心豎直距離可以增大抽殼速度，減小會使得抽殼速度變??；前移開閂板，能夠增大撞擊時的復(fù)進速度，可以增加最大抽殼速度，后移開閂板，減小撞擊時的復(fù)進速度，可以降低最大抽殼速度；添加緩沖器彈簧，同樣可以降低最大抽殼速度。

3 結(jié)束語

筆者以虛擬樣機ADAMS為平臺，建立了某155 mm口徑牽引火炮抽殼動力學(xué)模型。動力學(xué)計算建模時，采用三段函數(shù)的方法模擬藥筒受到的摩擦力，該方法能夠近似給出摩擦力曲線。通過改變開閂凸輪圓弧圓心豎直距離、前后移動開閂板的位置、給開閂板加一適當(dāng)?shù)木彌_彈簧等方法均能改變抽殼速度。研究結(jié)果可以為抽殼速度的研究提供一定的參考。

（References）

［1］方怡宏.火炮結(jié)構(gòu)教程［M］.南京：華東工學(xué)院，1991：200- 202.

FANG Yihong.Artillery structure tutorial［M］.Nanjing：China East of Engineering College，1991：200-202.（in Chinese）

［2］付帥.某火炮開閂動力學(xué)特性分析及可靠性研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2014.

FU Shuai.Artillery opened a latch dynamics analysis and reliability research［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2014.（in Chinese）

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ZHOU Cheng.Kinetic analysis and optimization research of lightweight towed howitzer［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2011：24.（in Chinese）

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HOU Baolin，QIAN Linfang，YU Ziping.Failure analysis for the breech mechanism of a big caliber howitzer［J］.Journal of Ballistics，2002，14（2）：52- 55.（in Chinese）

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SHI Mingquan.The process analysis on the opening block and ejecting container based on ADAMS gun［J］.China Manufacturing Information，2004，33（3）：94- 96.（in Chinese）

Research on the Methods of Changing Extraction Velocity of Sliding Wedge Breech Mechanism Gun

ZHOU Cheng1，GU Keqiu2，F(xiàn)U Shuai2，JING Pengyuan2

（1.Engineering Training Center，NUST，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.School of Mechanical Engineering.NUST，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Due to the fabrication errors of cartridge case，the friction force between cartridge case and powder chamber was different with each firing.And this makes the extraction resistance of the cartridge case be different，which has different effects on the extracting velocity.A relatively complete dynamic model of the extractor which was used in large caliber gun was constructed based on the virtual prototyping software ADAMS.The dynamic simulation model was established with the method of three segment function to fit the friction force for the study of the influence of the friction force between cartridge case and powder chamber on extracting velocity.Through the model depicted above，a study is made of the three kinds of measures that could transform the extracting velocity，and that could be used to find the appropriate extracting velocity to complete the extraction and keep the velocity of cartridge from being too high to avoid excessive rebound.The research results can provide references for the optimization of extracting velocity.This result also has reference value in the analysis of dynamics of whole artillery.

cartridge；extraction velocity；dynamics；simulation analysis

TJ301

A

1673-6524（2015）03-0023-04

2014- 12- 17；

2015- 05- 01

武器裝備預(yù)先研究項目（40404050401）

周成（1986－），男，碩士，工程師，主要從事火炮系統(tǒng)仿真技術(shù)研究。E-mail：zhoucheng0727＠163.com成抽殼動作。筆者運用虛擬樣機軟件ADAMS，研究某155 mm口徑牽引火炮在不同抽殼阻力下的抽殼速度，分析造成藥筒卡殼的原因，并且根據(jù)卡殼原因，尋找改變抽殼速度的方法，使抽筒子能夠正常工作、順利抽殼。

楔式炮尾火炮發(fā)射后，在后坐部分復(fù)進過程中，開閂板撞擊凸輪，閂體下滑，從而使抽筒子完成抽殼動作。由于火藥燃燒后，藥筒和身管藥室內(nèi)膛貼合，摩擦阻力較大，可能會造成藥筒卡殼，無法完