某大口徑艦炮自適應(yīng)平衡機的應(yīng)用研究

秦奮起，李翔，彭松江，王琳琳

(中國船舶集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

輕型化一直是大口徑艦炮的主要發(fā)展趨勢之一,要實現(xiàn)大口徑艦炮的輕型化,除采用新型輕質(zhì)材料與輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化的技術(shù)途徑外,必須最大限度地降低艦炮的火線高、炮塔體積等總體尺寸[1-2]。某大口徑艦炮俯仰部分質(zhì)量近5 t,將耳軸后移至身管尾端面后近2 m,使火線高度大幅降低,從總體上實現(xiàn)了大幅減重的目標(biāo),但在該總體架構(gòu)下,俯仰部分產(chǎn)生了最大約100 kN·m的重力不平衡力矩,這將對高低機設(shè)計、高低動態(tài)跟蹤性能、射擊精度等產(chǎn)生不利影響,為解決這一難題,必須采用平衡機技術(shù)進行力矩補償。

平衡機是安裝于火炮搖架與架體之間用來平衡俯仰部分對耳軸重力矩的裝置[3-4]。目前,平衡機在陸炮上已廣泛應(yīng)用,如國產(chǎn)某型122 mm榴彈炮、某型152 mm榴彈炮、某型100 mm滑膛反坦克炮,德國Pzh2000型155 mm自行火炮,美國M102型105 mm榴彈炮、M109A型155 mm自行加榴炮等,都采用了平衡機的設(shè)計[5]。在艦炮領(lǐng)域,平衡機的應(yīng)用主要集中在小負(fù)載的中口徑艦炮,如意大利奧托單76 mm艦炮、法國緊湊型單100 mm艦炮采用了彈簧式平衡機[6],由于艦載搖擺環(huán)境的影響,平衡機應(yīng)用時需要考慮搖擺產(chǎn)生的慣性力,這種搖擺慣性力對于大負(fù)載的大口徑艦炮影響很大,因此,大口徑艦炮為了抵消俯仰部分的不平衡力矩一般采用自然配平的方式,如國產(chǎn)單130 mm艦炮、俄羅斯AK130艦炮等[2],平衡機技術(shù)在大口徑艦炮領(lǐng)域尚未見應(yīng)用。

平衡機的理論研究中,在不完全平衡方面,傳統(tǒng)的兩點平衡、三點平衡理論已經(jīng)非常成熟[7]。在完全平衡方面,李大勇等[8]從改變平衡機支點的角度,提出了一種實現(xiàn)任意仰角平衡的完全平衡機方案,該方案對炮塔內(nèi)的總體布局影響較大,難以在艦炮上直接應(yīng)用;方航等[9]采用機液伺服的方法,提出一種對壓力實時調(diào)節(jié)的完全平衡機方案;高躍飛等[10]利用計算機控制技術(shù),考慮溫度、射角的影響,設(shè)計了一套氣壓自動補償?shù)钠胶鈾C;彭雙志[11]研究了電磁炮上應(yīng)用的超大拉力平衡機。以上的研究中,針對大口徑艦炮平衡機的設(shè)計研究較少,且均未考慮艦載搖擺環(huán)境的影響。

總體來說,無論從理論上還是實際應(yīng)用中,針對大口徑艦炮平衡機的研究較少,特別是高搖擺、大不平衡力矩條件下的艦炮平衡機設(shè)計鮮有研究。筆者針對大口徑艦炮的服役特點,提出一種適用大口徑艦炮的俯仰機械自適應(yīng)平衡機方案,以某輕型大口徑艦炮為對象,進行了自適應(yīng)機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,建立了考慮艦艇搖擺的動力學(xué)的模型,進行了搖擺條件下的動力學(xué)仿真,為平衡機在大口徑艦炮上的設(shè)計與應(yīng)用提供了重要參考。

1 自適應(yīng)平衡機方案

自適應(yīng)平衡機方案組成及布局如圖1所示。采用氣壓式拉力平衡機,整體上通過鋼纜將搖架與平衡機的活塞桿相連,針對艦炮的裝艦平臺的特點,在搖架兩側(cè)對稱布置2個,充分利用甲板下的空間,通過對鋼纜的導(dǎo)轉(zhuǎn)將平衡機的缸體布置在炮塔下方,減少對炮塔內(nèi)布局的影響。氣壓式拉力平衡機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該平衡機實現(xiàn)俯仰力矩的自適應(yīng)調(diào)整是通過調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的,如圖3所示,調(diào)節(jié)桿的滾輪在調(diào)節(jié)模板的槽內(nèi)運動,調(diào)節(jié)模板固定在搖架上,調(diào)節(jié)模板在隨搖架俯仰運動時,將帶動調(diào)節(jié)桿上下運動,由于鋼纜在調(diào)節(jié)桿下部穿過,從而改變平衡機的作用力臂與平衡機內(nèi)的壓力腔體積變化速度,實現(xiàn)平衡力矩自動調(diào)節(jié)的目的。

2 自適應(yīng)平衡機結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)該型艦炮的總體要求,在0°～70°射角范圍內(nèi)剩余不平衡力矩不應(yīng)大于2.5 kN·m。按照圖3所示的過程對自適應(yīng)平衡機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,首先不考慮調(diào)節(jié)器進行平衡機設(shè)計,得到各射角剩余不平衡力矩曲線,再結(jié)合自適應(yīng)平衡機的原理,采用優(yōu)化調(diào)節(jié)器曲線槽的方式,對剩余不平衡力矩超出2.5 kN·m時的射角進行調(diào)節(jié),使各射角的剩余不平衡力矩均滿足不大于2.5 kN·m的總體要求。

2.1 建立計算模型

根據(jù)自適應(yīng)平衡機方案原理,不考慮零件摩擦、鋼纜的彈性變形、加工誤差等因素,首先不考慮調(diào)節(jié)模板的作用,在耳軸處建立坐標(biāo)系,建立計算模型,如圖4所示。

圖4中,G為俯仰部分重力,L為俯仰部分重心距耳軸距離,l0為調(diào)節(jié)桿下支點距耳軸的距離,l1、l′1為鋼纜與搖架的絞接點距耳軸的距離,l2、l′2為鋼纜與搖架的絞接點距調(diào)節(jié)桿支點的距離,h、h′為平衡機作用力臂,θ0為鋼纜與搖架的絞接點和耳軸的連線與水平線的夾角,θ為俯仰角度。

重力相對耳軸重力矩MG為

MG=GLcosθ.

(1)

兩個平衡機產(chǎn)生的主動平衡力矩MP為

MP=2P1S0h′,

(2)

式中:P1為俯仰過程中平衡機變化后的壓力;S0為平衡機活塞面積。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,平衡機內(nèi)部壓力腔氣體變化為

(3)

式中:γ為多方指數(shù);P0、V0分別為初始的壓力與體積;V1為俯仰過程中平衡機變化后的體積,可表示為

V1=V0+S0(l2-l′2).

(4)

根據(jù)幾何關(guān)系,建立幾何方程:

(5)

h′=l1l0sin(θ0+90°-θ)/l′2.

(6)

因此,剩余不平衡力矩Mq為

Mq=MG-MP.

(7)

2.2 初步計算結(jié)果

根據(jù)該輕型艦炮的總體要求,計算條件如表1所示。

表1 計算條件

按照上述條件進行計算,結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?當(dāng)不采用平衡機時,在俯仰過程中重力不平衡力矩波動達(dá)65.8 kN·m,采用平衡機設(shè)計后,各俯仰角剩余不平衡力矩大幅下降,最大約7 kN·m,雖有明顯改善,在高角60°～70°時仍有剩余不平衡力矩超過2.5 kN·m的情況,此時需要借助調(diào)節(jié)器進行平衡機輸出力矩的調(diào)節(jié),使任意俯仰角均滿足要求。

2.3 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在耳軸處建立坐標(biāo)系,如圖6所示,建立計算模型,對調(diào)節(jié)器的曲線槽進行優(yōu)化設(shè)計。

將調(diào)節(jié)桿下支點距耳軸的距離l0調(diào)整為

l0=l′0+Δl,

(8)

式中:l′0為調(diào)節(jié)桿固定長度;Δl為調(diào)節(jié)模板曲線槽上軌跡點距耳軸的距離。

根據(jù)圖5的計算結(jié)果,只有在高角60°～70°時存在剩余不平衡力矩不滿足要求的情況,因此初選曲線槽曲線由兩段圓弧組成,如圖6所示,只對第2段圓弧的半徑進行優(yōu)化,建立方程:

(9)

(10)

式中:xE、yE為曲線槽軌跡的坐標(biāo);Δl、R分別為兩段圓弧的半徑;x0、y0為第2段圓弧的中心坐標(biāo);θ為俯仰角;θ′為在第2段圓弧的點與圓心的連線與水平線的夾角;φ0為兩段圓弧的切點的初始角度位置。

根據(jù)幾何關(guān)系,建立幾何方程:

(11)

(12)

(13)

結(jié)合圖5所示的計算結(jié)果,選定初值如表2所示,以第2段圓弧的半徑R為優(yōu)化變量,根據(jù)幾何關(guān)系,R的值范圍為57.9～197.5 mm,在此范圍內(nèi)進行優(yōu)化設(shè)計。

表2 初始條件

采用二分法優(yōu)化后的結(jié)果如圖7所示,5次優(yōu)化對應(yīng)的第2段圓弧半徑R的取值分別為127.50,92.80,75.35,66.63,62.26 mm。從圖7中可以看出,在R取值 62.26 mm時,0°～70°俯仰范圍內(nèi)剩余不平衡力矩的最大為2.194 kN·m,滿足小于2.5 kN·m的總體要求。

3 搖擺環(huán)境下動力學(xué)分析

由于艦炮工作在搖擺的艦載環(huán)境下,相較于靜態(tài)條件,搖擺將使俯仰部分產(chǎn)生附加的慣性力矩,筆者將在優(yōu)化得到的自適應(yīng)平衡機的基礎(chǔ)上,結(jié)合裝艦平臺的搖擺參數(shù),通過動力學(xué)分析,研究自適應(yīng)平衡機在不同搖擺條件下對俯仰平衡的貢獻(xiàn)率。

3.1 搖擺參數(shù)計算

為研究自適應(yīng)平衡機搖擺環(huán)境的平衡效果,首先求解艦炮在搖擺條件下的過載系數(shù),只考慮橫搖、縱搖和升沉3種搖擺運動,在艦艇縱搖搖心O′、橫搖搖心O″及艦炮處O分別建立相對坐標(biāo)系O′x′y′z′、O″x″y″z″、Oxyz,3個坐標(biāo)系的xz平面、x′z′平面、x″z″平面重合,如圖8所示。

為簡化計算,假設(shè)橫搖、縱搖和升沉均按照諧波規(guī)律運動,運動方程為

(14)

式中:γmax、θmax、τmax分別為橫搖、縱搖及升沉運動的幅值;Tγ、Tθ、Tτ分別為橫搖、縱搖及升沉運動的周期;εγ、εθ、ετ分別為橫搖、縱搖及升沉運動的相位差。

平衡機只在俯仰方向上起作用,因此只求解z方向的搖擺參數(shù),艦炮安裝位置在z方向的位移z(t)可表示為

z(t)=zγ+zθ+zτ,

(15)

式中,zγ、zθ、zτ分別為橫搖、縱搖及升沉運動在z方向上的分量。

根據(jù)幾何關(guān)系有

(16)

式中:x0為縱搖搖心與橫搖搖心的水平距離;z0為艦炮安裝位置距橫搖搖心的豎直距離。根據(jù)艦艇總體要求,x0取值78 m,z0取值8 m。

使用重力加速度g對z方向的加速度進行無量綱處理,得到過載系數(shù)zg為

(17)

裝艦平臺對該輕型艦炮提出兩種海況要求:海況1條件下艦炮正常完成射擊功能,海況2條件下艦炮在鎖航狀態(tài)下不損壞。兩種海況的艦艇搖擺參數(shù)如表3所示,調(diào)整縱搖、橫搖及升沉運動的相位差使過載系數(shù)最大,求解兩種海況的過載系數(shù)曲線。

表3 搖擺參數(shù)

計算求得的質(zhì)心過載系數(shù)曲線如圖9所示,從圖9中可以看出,兩種海況下,z方向的過載系數(shù)均呈現(xiàn)周期性變化,海況2產(chǎn)生的過載系數(shù)更大。

3.2 動力學(xué)建模

抽象艦炮在搖擺條件下的受力過程,如圖10所示,簡化為搖架、托架、平衡機三部分,搖架與托架在耳軸處以轉(zhuǎn)動副連接,托架與大地(固定坐標(biāo)系)以滑動副連接,搖架尾部與托架之間設(shè)置等效的彈簧代替平衡機。

本方案設(shè)計的自適應(yīng)平衡機只在高角時起到調(diào)節(jié)作用,因此,在70°射角時對調(diào)節(jié)前后的平衡效果進行仿真分析。采用ADAMS軟件,建立剛體動力學(xué)仿真模型,如圖11所示。

不考慮運動副的摩擦,由于搖架轉(zhuǎn)動響應(yīng)的角位移較小,將平衡機的剛度簡化為線性變化,具體設(shè)置的邊界條件如表4所示。

表4 邊界條件設(shè)置

3.3 動力學(xué)仿真

加載圖9中兩種搖擺海況下求解得到的質(zhì)心過載系數(shù),對采用自適應(yīng)平衡機調(diào)節(jié)前后分別進行了動力學(xué)仿真,得到搖擺條件下俯仰部分在耳軸處產(chǎn)生的負(fù)載力矩,如圖12、13所示。

從圖12、13可以看出,采用筆者提出的自適應(yīng)平衡機后,在艦炮正常工作的海況下(海況1)負(fù)載力矩峰值下降42.4%,在艦炮不損壞的海況下(海況2)負(fù)載力矩峰值下降18.4%,表明自適應(yīng)平衡機在搖擺條件下的平衡效率與搖擺參數(shù)有關(guān)。正常射擊的低海況下,可大幅降低負(fù)載力矩峰值,有利于降低高低隨動系統(tǒng)的功率;在惡劣的高海況下,對負(fù)載力矩峰值下降的貢獻(xiàn)率降低,但此時艦炮處于鎖航狀態(tài),負(fù)載力矩不會對隨動系統(tǒng)產(chǎn)生影響,負(fù)載力矩的下降也有益于減少鎖航機構(gòu)的受力,提高艦炮的安全性。

4 結(jié)論

以某輕型大口徑艦炮為應(yīng)用背景,提出了一種具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的大口徑艦炮平衡機方案,對自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,開展了自適應(yīng)平衡機在搖擺條件下的動力學(xué)仿真,研究了自適應(yīng)平衡機在搖擺條件下的平衡效率,研究內(nèi)容和結(jié)果對于自適應(yīng)平衡機在大口徑艦炮上的設(shè)計與應(yīng)用有一定的參考意義,主要結(jié)論如下:

1)提出了一種適用于大口徑艦炮的自適應(yīng)平衡機方案,通過在耳軸處設(shè)置調(diào)節(jié)模板的方式實現(xiàn)主動力矩的俯仰自適應(yīng)調(diào)節(jié),相較于傳統(tǒng)的平衡機,在靜態(tài)條件下可有效減少俯仰角變化引起的不平衡力矩波動。

2)與傳統(tǒng)的平衡機相比,筆者提出的自適應(yīng)平衡機更適用艦載的搖擺環(huán)境,可大幅降低艦艇搖擺產(chǎn)生的俯仰負(fù)載力矩峰值,其在搖擺條件下的平衡效率與搖擺參數(shù)有關(guān),在低海況條件下的平衡貢獻(xiàn)率更高。