姚養(yǎng)無(wú)

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

0 引 言

為了承載武器發(fā)射時(shí)的后坐力,大威力架座武器的架座一般為三腳式.架座武器的架座分為彈性架座和緩沖架座兩類(lèi).在槍身與架座之間通過(guò)剛性連接的架座稱(chēng)為彈性架座,它是靠架座自身的彈性變形來(lái)吸收槍身的后坐能量.在槍身與架座之間通過(guò)緩沖裝置連接的架座稱(chēng)為緩沖架座,它是靠緩沖裝置來(lái)吸收槍身的后坐能量,以減小后坐力.武器發(fā)射時(shí)后坐力的大小對(duì)架座的強(qiáng)度、架座的穩(wěn)定性和武器射擊精度等有著重要的影響.在架座武器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí),后坐力是必須要重點(diǎn)考慮的因素.為此,對(duì)武器發(fā)射時(shí)的后坐力進(jìn)行精確測(cè)試是非常必要的.

就測(cè)試架座武器在發(fā)射時(shí)的后坐力而言,目前普遍采用的方法是試驗(yàn)架測(cè)試法.在試驗(yàn)架測(cè)試法中,由于試驗(yàn)架的剛度及其支撐狀態(tài)等很難與被測(cè)武器的架座剛度及其支撐狀態(tài)達(dá)到一致,故用試驗(yàn)架測(cè)試法測(cè)量出的后坐力與武器發(fā)射時(shí)的實(shí)際后坐力有一定的差距.為此,本研究尋求一種能更準(zhǔn)確測(cè)試后坐力的武器架座測(cè)試法,以便對(duì)武器架座設(shè)計(jì)提供更加可靠的后坐力數(shù)據(jù).

1 架座武器后坐力的測(cè)試技術(shù)狀況

1.1 架座武器的后坐力

架座武器發(fā)射時(shí),架座阻止槍身向后坐的力稱(chēng)為槍身的后坐阻力,而槍身對(duì)架座的作用力則稱(chēng)為后坐推力,簡(jiǎn)稱(chēng)后坐力[1].后坐阻力與后坐力大小相等、方向相反、分別作用在不同的物體上.對(duì)于緩沖架座,后坐阻力包括槍身緩沖裝置產(chǎn)生的阻力和摩擦阻力等,其變化規(guī)律主要由槍身緩沖裝置的阻抗特性所決定.對(duì)于彈性架座,后坐阻力包括架座彈性變形的抗力,其變化規(guī)律主要由彈性架座的阻抗特性所決定.也就是說(shuō),架座武器發(fā)射時(shí)的后坐力與支承槍身的元件相關(guān)聯(lián).

1.2 架座武器后坐力的測(cè)試技術(shù)狀況

由于受武器結(jié)構(gòu)與空間的限制,在架座武器的耳軸處安裝測(cè)力傳感器直接進(jìn)行后坐力的測(cè)試是比較困難的,為此,目前普遍采用的后坐力測(cè)試方法是將槍身安裝在一專(zhuān)用后坐力試驗(yàn)架上,或利用力傳感器進(jìn)行直接測(cè)量,或利用應(yīng)變傳感器進(jìn)行間接測(cè)量.因這種后坐力測(cè)試法是用試驗(yàn)架來(lái)替代實(shí)際的武器架座,故存在較大的系統(tǒng)測(cè)量誤差.不過(guò),在比對(duì)不同架座武器的后坐力大小時(shí),它不失為一種可行的方法.

2 試驗(yàn)架測(cè)試法的原理與分析

2.1 間接測(cè)試法[2,3]

2.1.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

后坐力間接測(cè)試法的測(cè)試系統(tǒng)主要由后坐力試驗(yàn)架和測(cè)試子系統(tǒng)組成.后坐力試驗(yàn)架的結(jié)構(gòu)如圖1所示,它主要由被測(cè)武器槍身、矩形斷面板簧、后支座、底座等組成.被測(cè)武器槍身的前支點(diǎn)與板簧固連,被測(cè)武器槍身的后支點(diǎn)可相對(duì)于后支座滑動(dòng).測(cè)試子系統(tǒng)主要由應(yīng)變式傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)及標(biāo)定裝置等組成.

圖1 后坐力間接測(cè)試法試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)Fig.1 Construction of test stand fo r indirectmeasure of recoil force

圖2 后坐力直接測(cè)試法試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)Fig.2 Construction of test stand for directmeasure of recoil force

2.1.2 后坐力測(cè)試方法

當(dāng)武器發(fā)射時(shí),彈底合力作用于彈丸使彈丸向前運(yùn)動(dòng),而膛底合力等則作用于槍身.由于板簧與槍身固連,作用于槍身的力必然傳到板簧上.板簧受力后產(chǎn)生彈性變形,引起應(yīng)變式傳感器的電阻變化,經(jīng)信號(hào)放大器放大后,用數(shù)據(jù)采集儀記錄.試驗(yàn)前用加載裝置對(duì)板簧進(jìn)行靜力標(biāo)定,確定出應(yīng)變與后坐力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即標(biāo)定系數(shù).利用武器射擊時(shí)測(cè)出的應(yīng)變曲線乘以標(biāo)定系數(shù)即可得到后坐力曲線.

2.2 直接測(cè)試法

2.2.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

后坐力直接測(cè)試法的測(cè)試系統(tǒng)主要由后坐力試驗(yàn)架和測(cè)試子系統(tǒng)組成.后坐力試驗(yàn)架的結(jié)構(gòu)如圖2所示,它主要由被測(cè)武器槍身、槍身座、底座等組成.被測(cè)武器槍身與槍身座固連,槍身座可相對(duì)于底座滑動(dòng).測(cè)試子系統(tǒng)主要由力傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)及標(biāo)定裝置等組成.

2.2.2 后坐力測(cè)試方法

當(dāng)武器發(fā)射時(shí),彈底合力作用于彈丸使彈丸向前運(yùn)動(dòng),而膛底合力等則作用于槍身,而槍身后端面直接與傳感器前端面相接觸,引起力傳感器的參數(shù)變化,經(jīng)信號(hào)放大器放大后,用數(shù)據(jù)采集儀記錄.試驗(yàn)前用加載裝置對(duì)力傳感器進(jìn)行靜力標(biāo)定,確定出應(yīng)變與后坐力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即標(biāo)定系數(shù).利用武器射擊時(shí)測(cè)出的應(yīng)變曲線乘以標(biāo)定系數(shù)即可得到后坐力曲線.

2.3 測(cè)試特點(diǎn)分析

無(wú)論是間接測(cè)試法還是直接測(cè)試法,都可測(cè)試出武器發(fā)射時(shí)的后坐力時(shí)間曲線,便于了解武器發(fā)射時(shí)的后坐力變化規(guī)律.但根據(jù)后坐力的定義,試驗(yàn)架的剛度對(duì)后坐力的大小有較大影響,而試驗(yàn)架的剛度及支撐狀態(tài)等很難做到與被測(cè)武器架座的剛度及支撐狀態(tài)一致,故利用試驗(yàn)架所測(cè)得的后坐力大小與武器在架座上射擊時(shí)的實(shí)際后坐力大小存在較大誤差.

3 后坐力的架座測(cè)試法

由于試驗(yàn)架測(cè)試法測(cè)試后坐力的誤差主要來(lái)源于試驗(yàn)架剛度與被測(cè)武器架座剛度的不同,為此,本研究提出了一種更為精確的測(cè)試后坐力的新方法——架座測(cè)試法.架座測(cè)試法測(cè)試后坐力的原理就是直接將被測(cè)武器槍身安裝在原槍架座上,通過(guò)測(cè)試武器發(fā)射時(shí)架座架桿受力后的變形量來(lái)測(cè)試后坐力.

3.1 測(cè)試裝置組成[4]

后坐力架座測(cè)試法的測(cè)試裝置主要由被測(cè)武器和測(cè)試系統(tǒng)組成.被測(cè)架座武器的結(jié)構(gòu)如圖3所示.一般來(lái)講,它由槍身、搖架、托架、下架 /三腳架等組成.測(cè)試系統(tǒng)主要由應(yīng)變式傳感器、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)及標(biāo)定裝置等組成,其系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示.

3.2 后坐力測(cè)試方法

圖3 后坐力測(cè)試裝置Fig.3 Measure device of recoil force

架座武器發(fā)射時(shí),在火藥燃?xì)鈮毫ν苿?dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí),膛底合力作用于槍身,并傳至架座,使架座后架桿產(chǎn)生彈性變形.也就是說(shuō),后架桿的彈性變形可以反映架座武器發(fā)射時(shí)后坐力的大小.建立被測(cè)架座武器在發(fā)射時(shí)的有限元模型,經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算與分析,確定出架座后架桿變形量最大的部位.在后架桿變形量最大部位的上面和側(cè)面處分別粘貼電阻應(yīng)變片,組成半橋電路.為了測(cè)試出架座武器實(shí)彈射擊時(shí)的實(shí)際后坐力,將被測(cè)武器架座架設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)土質(zhì)的地面上.

根據(jù)定義,架座武器發(fā)射時(shí)的后坐力是槍身對(duì)架座的作用力,也就是槍身作用于搖架的力.為了得到后架桿安裝傳感器部位的應(yīng)變值與后坐力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即求出標(biāo)定系數(shù) K,在測(cè)試前應(yīng)進(jìn)行靜力標(biāo)定.通過(guò)加載裝置按一定的加載梯度給架座武器的搖架施加載荷 Fi,利用測(cè)試系統(tǒng)采集、記錄對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值 hi.則標(biāo)定系數(shù)為

在實(shí)彈射擊測(cè)試時(shí),通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)出架座后架桿的應(yīng)變時(shí)間曲線 h=h(t),則架座武器的后坐力為在測(cè)試時(shí),測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)必須同系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)保持一致.

3.3 測(cè)試實(shí)例[5]

圖5 榴彈發(fā)射器后坐力測(cè)試曲線Fig.5 Cu rves of recoil force for a grenade launcher

根據(jù)后坐力架座測(cè)試法的原理,利用建立的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)某自動(dòng)榴彈發(fā)射器在連發(fā)射擊時(shí)進(jìn)行了后坐力測(cè)試,其后坐力測(cè)試曲線如圖5所示.

4 結(jié) 論

通過(guò)本研究工作可以得出以下結(jié)論:

1)利用架座測(cè)試法測(cè)試架座武器發(fā)射時(shí)的后坐力避免了試驗(yàn)架測(cè)試法用試驗(yàn)架代替實(shí)際架座所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差,為準(zhǔn)確測(cè)試大威力架座武器的后坐力提供了新的測(cè)試方法;

2)本研究所提出的架座測(cè)試法適用于所有架座武器后坐力的測(cè)試.

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