楊海川,馬詠梅,董志強(qiáng),賀 東

(1.四川大學(xué) 成都 610065； 2.長安工業(yè)集團(tuán)公司,重慶 400023 )

炮身長后坐式自動(dòng)炮結(jié)構(gòu)較簡單，可靠性高，同時(shí)，該炮體積小，射頻低，可實(shí)現(xiàn)單發(fā)、連發(fā)射擊。與浮動(dòng)自動(dòng)炮不同，炮身長后坐式自動(dòng)炮的炮箱和搖架是固定連接，供彈口位置基本不變，供彈可靠性比較高。但是，由于該自動(dòng)炮是利用炮閂和炮身的液壓緩沖簧來實(shí)現(xiàn)緩沖的，所以在不同溫度和不同射角時(shí)，其后坐力有很大不同。在進(jìn)行搖架和托架設(shè)計(jì)時(shí)，如何減小后坐力、提高搖架和托架設(shè)計(jì)可靠性是一項(xiàng)重要的研究課題[1]。

本文以某炮身長后坐式自動(dòng)炮為研究對(duì)象，應(yīng)用ADAMS軟件，建立了自動(dòng)炮虛擬樣機(jī)，分析了不同環(huán)境下自動(dòng)炮的后坐力，并為此類自動(dòng)炮如何減小后坐力提供了有效的方法。

1 自動(dòng)炮工作循環(huán)過程

炮身長后坐式自動(dòng)炮工作原理如圖1所示。炮身長后坐式自動(dòng)炮主要由炮身、液壓緩沖簧、炮閂卡鎖、炮閂閉鎖器、炮閂、炮閂復(fù)進(jìn)簧和炮箱等組成，其中液壓緩沖簧是由液壓器和環(huán)形緩沖簧構(gòu)成的復(fù)合緩沖裝置。炮身和炮閂都是活動(dòng)構(gòu)件，擊發(fā)后，炮身和炮閂一起后坐，后坐位移略大于炮彈長。開始復(fù)進(jìn)時(shí)，炮閂被炮閂卡鎖卡在后方為止，炮身先復(fù)進(jìn)完成開鎖、開閂、抽殼等動(dòng)作，炮身復(fù)進(jìn)終了時(shí)，通過解鎖器解脫炮閂，炮閂便在復(fù)進(jìn)簧作用下輸彈入膛，并進(jìn)行閉鎖和擊發(fā)[2]。

該自動(dòng)炮的工作溫度區(qū)間為-30℃～60℃，俯仰范圍為-20°～60°。為了實(shí)現(xiàn)該自動(dòng)炮能夠在-30℃低溫、-20°低射角實(shí)現(xiàn)連發(fā)射擊功能，在60℃高溫、60°高射角實(shí)現(xiàn)后坐力要小，從而達(dá)到提高射擊的密集度和提高炮箱、搖架疲勞壽命的目的，因此就要尋求后坐部分質(zhì)量、射速與后坐力之間的匹配關(guān)系，通過調(diào)整后坐部分質(zhì)量，在確保自動(dòng)炮能夠后坐到位并順利掛機(jī)的前提下，有效降低后坐力。

2 自動(dòng)炮動(dòng)力學(xué)建模

2.1 內(nèi)彈道計(jì)算

內(nèi)彈道受環(huán)境溫度的影響較大，取3個(gè)典型溫度：低溫-30℃、常溫20℃、高溫60℃。根據(jù)內(nèi)彈道計(jì)算手冊(cè)，取燃速指數(shù)n為0.83，通過調(diào)整燃速系數(shù)u1，計(jì)算自動(dòng)炮在3個(gè)典型溫度條件下的內(nèi)彈道，分析彈丸初速和膛內(nèi)壓力，如表1所示。

表1 內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)內(nèi)彈道計(jì)算結(jié)果，可以得到不同時(shí)期炮膛合力。

彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)期合力為：

后效期合力為：

式中：p為平均膛壓;ω/m為裝藥質(zhì)量與彈丸質(zhì)量之比;φ為次要功系數(shù);φ1為彈丸旋轉(zhuǎn)和摩擦次要功系數(shù);S為炮膛橫截面積;pg為炮口壓力;tg為彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間;b為時(shí)間常數(shù)。不同溫度條件下炮膛合力曲線如圖2所示。

根據(jù)自動(dòng)炮的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，把自動(dòng)炮簡化成由炮箱、炮身、拋殼臂、拋殼器基座、阻鐵基座、阻鐵、反跳鎖、炮閂、閂座、炮閂卡鎖、后坐擋塊、關(guān)閂鎖、撥彈臂、撥彈滑架、炮彈、彈殼、液壓緩沖簧前筒、液壓緩沖簧后筒等18個(gè)零部件組成的多體系統(tǒng)。根據(jù)零部件的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，利用ADAMS軟件，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，模擬液壓緩沖簧和炮閂緩沖簧的剛度特性。

2.2 液壓緩沖簧

液壓緩沖簧由液壓緩沖器和環(huán)形緩沖簧組成的復(fù)合緩沖裝置。在炮身后坐時(shí)，環(huán)形緩沖簧先起作用，當(dāng)環(huán)形緩沖簧壓縮到極限位置時(shí)，液壓緩沖器起作用，阻止環(huán)形緩沖簧繼續(xù)壓縮[3]。在復(fù)進(jìn)行程過程中，由于液壓緩沖器恢復(fù)速度低，對(duì)炮身復(fù)進(jìn)作用很小，可以忽略不計(jì)，炮身主要依靠環(huán)形緩沖簧儲(chǔ)存力完成復(fù)進(jìn)。

在后坐時(shí)，環(huán)形緩沖簧受力為：

在復(fù)進(jìn)時(shí)，環(huán)形緩沖簧受力為：

式中：x為后坐行程;F1h、F1f分別為緩沖簧后坐力和復(fù)進(jìn)力;F01為緩沖簧壓縮時(shí)的初力;F02為緩沖簧伸張時(shí)的初力;k1h為緩沖簧壓縮時(shí)的剛度;k1f為緩沖簧釋放時(shí)的剛度;x10為后坐部分壓縮緩沖簧之前的后坐行程。

在炮身后坐時(shí)，液壓緩沖器的阻力為：

式中：K為阻尼系數(shù);ρ為液體密度;A為工作面積;ax為漏口面積;v為后坐速度。

在炮身復(fù)進(jìn)時(shí)，液壓緩沖器的阻力為：

F2f=0

炮閂緩沖簧力為：

F2=(x20+x2)K2

式中：F2為炮閂緩沖簧力;x20為炮閂緩沖簧預(yù)壓縮量;x2為炮閂緩沖簧壓縮量;K2為炮閂緩沖簧的剛度。

3 仿真結(jié)果及分析

該自動(dòng)炮后坐部分總質(zhì)量是40.7 kg,射角范圍是-20°～60°。經(jīng)過仿真分析，模擬了在不同溫度、不同射角情況下自動(dòng)炮的循環(huán)特性，分析了后坐部分質(zhì)量的改變對(duì)后坐力的影響[4]。

3.1 常溫0°角的后坐力

在常溫0°角射擊是此類火炮的常用工作模式，其內(nèi)循環(huán)計(jì)算結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，隨著后坐部分質(zhì)量的增加，后坐速度和最大后坐位移略微減小。

圖4所示為完成一個(gè)射擊循環(huán)過程中炮箱所受到的后坐力，后坐部分質(zhì)量不增加時(shí)，緩沖簧和液壓緩沖器均起到緩沖作用，后坐力會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰值，增加后坐部分質(zhì)量4 kg后，只有緩沖簧起緩沖作用，液壓緩沖器不起緩沖作用，后坐力的峰值明顯降低。

表2為常溫0°角時(shí)后坐質(zhì)量對(duì)后坐力的影響。可以看出，增加后坐部分質(zhì)量后，最大后坐行程減少，后坐力降低。

表2 常溫0°角時(shí)后坐質(zhì)量對(duì)后坐力的影響

3.2 低溫負(fù)角的后坐力

在低溫負(fù)角度射擊的仿真結(jié)果見圖5和圖6，由于低溫條件下內(nèi)彈道壓力小，重力對(duì)自動(dòng)炮后坐有遲滯作用，會(huì)降低后坐過程的速度和后坐位移量，過小的位移量會(huì)導(dǎo)致炮閂無法被炮閂卡鎖卡住，降低自動(dòng)炮運(yùn)動(dòng)可靠性。

表3為低溫負(fù)角時(shí)后坐質(zhì)量對(duì)后坐力的影響，和常溫相比，在低溫負(fù)角時(shí)，最大后坐行程減少，但增加的后坐部分質(zhì)量超過4 kg后，后坐行程已經(jīng)接近最小后坐行程319 mm。

表3 低溫負(fù)角時(shí)增加后坐質(zhì)量對(duì)后坐力的影響

和圖3及圖4對(duì)比可知，低溫負(fù)角度的后坐位移和后坐速度明顯低于常溫0°角，后坐位移隨著后坐部分質(zhì)量的增加逐漸變短，另外由于撞擊液壓緩沖器而產(chǎn)生的后坐力也在逐漸降低。當(dāng)后坐部分質(zhì)量增加4 kg后，最大后坐長低于320 mm，液壓緩沖器不工作，最大后坐力小于6 t。

3.3 高溫高角的后坐力

在高溫高角條件下，由于內(nèi)彈道壓力大，同時(shí)后坐部分還受到重力的影響，所以后坐力較大，計(jì)算結(jié)果見圖7和圖8。可以看出，在高溫高角射擊時(shí)，后坐位移和后坐速度明顯大于常溫0°角，由于后坐行程較長，即使當(dāng)后坐部分質(zhì)量增加4 kg后，環(huán)形緩沖簧和液壓緩沖器仍能起到緩沖作用。而且，增加后坐部分質(zhì)量可以降低最大后坐力。由此可以得出，適當(dāng)提高后坐部分質(zhì)量對(duì)降低后坐力是有益的。

表4為高溫高角時(shí)后坐部分質(zhì)量對(duì)后坐力的影響，和常溫相比，在高溫高角時(shí)，后坐力大得多，但增加的質(zhì)量超過4 kg后，減小后坐力的效果不明顯。

表4 高溫高角時(shí)增加后坐質(zhì)量對(duì)后坐力的影響

4 結(jié)論

建立了某炮身長后坐式自動(dòng)炮的動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析了常溫0°角、低溫低角、高溫高角射擊條件下自動(dòng)炮的內(nèi)循環(huán)和后坐力。結(jié)果表明，適當(dāng)增加后坐部分的質(zhì)量，可以在不影響自動(dòng)炮內(nèi)循環(huán)前提下，有效地降低后坐力。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 談樂斌，侯保林，陳衛(wèi)民.降低火炮后坐力技術(shù)概述[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào). 2006(4):69-72.

TAN Le-bin, HOU Bao-lin, CHEN Wei-min. Gun recoil force reduction technology[J]. Journal of Gun Launch & Control. 2006(4):69-72.(in Chinese)

[2] 毛保全，邵毅.火炮自動(dòng)武器優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社.2007.

MAO Bao-quan, SHAO-yi. Optimal design of gun automatic weapon[M]. Beijing: National Defence Industry Press,2007.(in Chinese)

[3] 張?jiān)铝?，林均毅，高樹?等. 火炮反后座裝置設(shè)計(jì)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社.1984.

ZHANG Yue-lin, LIN Jun-yi, GAO Shu-zi,et al. Design of the recoil of gun[M]. Beijing: National Defence Industry Press.1984.(in Chinese)

[4] 苑海威，薄玉成，王惠源,等.身管式短后坐浮動(dòng)自動(dòng)炮動(dòng)力學(xué)仿真[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào).2010(1):52-55.

YUAN Hai-wei, BO Yu-cheng, WANG Hui-yuan,et al. Dynamics simulation of floating automatic mechanism applied in short recoil barrel weapon[J]. Journal of Gun Launch & Control. 2010(1): 52-55.(in Chinese)