倪路瑤,朱永梅*, 付彩越

(1.江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003) (2.中國船舶重工集團公司 第713研究所, 鄭州 450015)

抽殼系統(tǒng)是炮閂機構(gòu)的一部分,它主要用于抽出藥筒,性能的好壞直接影響到抽殼過程以及后續(xù)炮彈的進(jìn)膛能否順暢進(jìn)行．但是在對某中口徑艦炮進(jìn)行的物理樣機試驗過程中,卻發(fā)現(xiàn)火藥擊發(fā)后的抽殼動作無法順利完成,達(dá)不到設(shè)計要求．因此,艦炮抽殼系統(tǒng)中抽殼過程分析和抽殼力計算,對于整個艦炮的設(shè)計意義重大．

文獻(xiàn)[1]中利用Pro/Engineer和ADAMS建立了某火炮炮閂系統(tǒng)的虛擬樣機,仿真發(fā)現(xiàn)接觸力在碰撞過程中的變化并不平滑,而且還可能出現(xiàn)碰撞后短期脫離,然后再次碰撞的現(xiàn)象．文獻(xiàn)[2]中以某中口徑艦炮的抽殼系統(tǒng)為研究對象,對抽殼力的數(shù)值進(jìn)行仿真模擬,并通過規(guī)劃試驗驗證了仿真模擬的合理性和正確性,但沒有對結(jié)構(gòu)做動力學(xué)仿真分析．文獻(xiàn)[3]中對抽殼機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真,得到了抽殼力隨時間的變化曲線,但沒有通過理論計算或試驗對計算結(jié)果進(jìn)行驗證．

文中以某艦炮為研究對象,通過材料拉伸試驗和理論計算,求出抽殼動作時的抽殼阻力,利用ADAMS軟件,建立炮閂抽殼系統(tǒng)的剛?cè)狁詈咸摂M樣機,分析計算抽殼力的大小,并通過試驗驗證其正確性．

1 抽殼過程分析

抽殼機構(gòu)主要由抽筒子、搖臂、抽殼模板、炮膛及藥筒組成,抽筒子與搖臂通過軸安裝在炮尾上,抽殼模板固定在炮架上．抽筒子上端與藥筒底緣接觸,下端與搖臂上端接觸,搖臂下端與抽殼模板接觸,如圖1．

圖1 炮閂抽殼機構(gòu)模型

炮閂復(fù)進(jìn)時,抽殼機構(gòu)的搖臂與抽殼模板發(fā)生碰撞,搖臂在抽殼模板的作用下逆時針旋轉(zhuǎn),搖臂的上端與抽筒子的下端發(fā)生碰撞,抽筒子順時針旋轉(zhuǎn)[4]．抽筒子上端與藥筒底緣相接觸,藥筒在抽筒子的作用下從炮膛內(nèi)抽出,并以一定的速度向后運動,進(jìn)入排殼裝置．

火炮發(fā)射后,藥筒壁先進(jìn)行彈塑性變形,與炮膛貼合后協(xié)同變形,然后,隨著膛壓增大,藥筒繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形,而炮膛發(fā)生彈性變形,直到膛壓達(dá)到最大值;膛壓下降過程中,藥筒和炮膛會彈性恢復(fù),直至膛壓消失．由于藥筒和炮膛材料的彈性模量、初始間隙不同,藥筒和炮膛之間最終可能出現(xiàn)間隙,也可能出現(xiàn)過盈．若出現(xiàn)間隙,則藥筒可以很容易被抽出來;若產(chǎn)生過盈,藥筒和炮膛間將存在徑向壓力,抽出藥筒需要克服藥筒與炮膛之間的軸向摩擦阻力．

2 藥筒和炮膛材料試驗研究

藥筒在膛壓作用下發(fā)生拉伸變形,試驗試樣參照金屬材料拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)制備,材料為S20鋼,標(biāo)準(zhǔn)的R4比例試樣,直徑d為10 mm,長度L為50 mm,如圖2(a)；炮膛拉伸試樣的材料是PCrNi3MoA,試樣直徑d為12 mm,標(biāo)距為60 mm,如圖2(b)；由于材料的硬度較大,為了防止試驗時夾具與試樣發(fā)生滑動,選用端部螺紋型試樣,并制作材料為45鋼的端部連接套,試驗儀器為艾力公司生產(chǎn)的電子萬能材料試驗機,如圖2(c).在室溫下,以2 N/(mm2·s)的速度加載,變形位移通過引伸計來測量．

圖2 拉伸試驗設(shè)備

圖3為S20鋼的應(yīng)力與變形曲線,初始階段為彈性變形階段,位移達(dá)到0.12 mm時，開始發(fā)生塑性變形,位移達(dá)到2.967 mm時,試樣被拉斷．圖4為炮鋼PCrNi3MoA的應(yīng)力與變形曲線,由于材料硬度較大,出現(xiàn)連續(xù)屈服的現(xiàn)象．試驗結(jié)果如表1．

圖3 S20鋼應(yīng)力與變形曲線

圖4 PCrNi3MoA應(yīng)力與變形曲線

表1 材料參數(shù)

3 抽殼力理論計算

將藥筒看作薄壁圓筒,炮膛視為開口厚壁圓筒,由于藥筒封口端被閂體擋住,軸向位移很小,則藥筒和炮膛的幾何形狀、載荷、支撐沿軸向沒有變化,所以可將炮膛和藥筒視為軸對稱問題[5]．文中以某中型火炮為研究對象,結(jié)合艦炮發(fā)射過程的3個階段來對藥筒和炮膛進(jìn)行受力分析,幾何參數(shù)如表2.

表2 幾何參數(shù)

3.1 藥筒貼膛前

在開始階段,藥筒所受的膛壓較小,藥筒只發(fā)生彈性變形,根據(jù)薄壁圓筒理論,膛壓p、藥筒徑向變形Δr、內(nèi)半徑r、壁厚δ、切向應(yīng)力σt、藥筒彈性模量E的關(guān)系如下:

(1)

(2)

隨著膛壓p從0逐漸增大,藥筒的切向應(yīng)力達(dá)到藥筒的彈性極限,則pe=9.88 MPa,Δre=0.13 mm.

已知初始間隙Δ0為0.29 mm,則Δre<Δ0,藥筒貼膛前會發(fā)生塑性變形．

藥筒瞬時切應(yīng)力σt為:

σt=σe+Aε

(3)

式中：A為材料強化系數(shù),對于炮鋼,A=100 GPa[6]；ε為瞬時塑性應(yīng)變．

貼膛時,藥筒外表面與炮膛內(nèi)表面之間的間隙消失．此時,膛壓p0為:

(4)

計算得出,p0=15.44 MPa;藥筒貼膛前,藥筒與炮膛間不存在徑向壓力,即p1=0．

3.2 貼膛至最大膛壓

藥筒與炮膛貼合后,藥筒與炮膛協(xié)同變形,并在藥筒與炮膛之間產(chǎn)生壓力p1，炮膛在徑向壓力p1作用下產(chǎn)生彈性變形.根據(jù)厚壁圓筒理論,炮膛內(nèi)表面切向應(yīng)變和徑向變形分別為:

(5)

Δr1=r1Bp1

(6)

式中：r1、r2分別為炮膛的內(nèi)外半徑；E1為炮膛的彈性模量．此時,藥筒在膛壓p和徑向壓力p1作用下,藥筒壁內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變εt和徑向變形Δr分別為:

(7)

Δr=rεt

(8)

式中,σe1、εe1分別為炮膛的彈性極限和相應(yīng)的彈性應(yīng)變．

藥筒和炮膛之間的最大徑向壓力為:

(9)

此時,炮膛內(nèi)表面最大徑向變形為：

Δr1m=r1Bp1m

(10)

考慮到藥筒與炮膛協(xié)同變形,則藥筒最大徑向變形為:

Δrm=Δ0+Δr1m

(11)

取最大膛壓pm=400 MPa,計算得出p1m=367.98 MPa,εt1m=3.03×10-3;Δr1m=0.429 mm;Δrm=0.719 mm,σtm=303 MPa．

3.3 膛壓下降階段

(12)

計算得出p1=7.444 MPa,帶入式(5)得εt1=6.13×10-5,帶入式(8)得Δr1=0.004 34 mm．

計算結(jié)果根據(jù)4個時間點分別列出(表3).藥筒發(fā)射過程中,藥筒和炮膛單獨承受的壓力與徑向變形的關(guān)系曲線如圖5．圖中,曲線oabcf為藥筒的變形曲線,曲線def為炮膛的變形曲線．

表3 壓力和位移計算結(jié)果

圖5 藥筒與炮膛的壓力與徑向變形關(guān)系

3.4 抽殼力的計算與影響因素分析

設(shè)膛底火藥燃?xì)馔屏镕t,藥筒與炮膛之間的軸向摩擦力為Fmz,抽殼力Fch的計算公式[7]為:

Fch=Fmz-Ft

(13)

當(dāng)膛壓消失時,藥筒與炮膛之間最終出現(xiàn)過盈,藥筒被炮膛壓縮,處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)．

Fch=πflEεt1(d1-d)=2πflδEεt1

(14)

式中：藥筒的工作長度l=200 mm；藥筒與炮膛之間的摩擦系數(shù)f=0.75.則Fch=20.354 kN.

根據(jù)抽殼力的計算公式可直接看出,在其他參數(shù)不變的條件下,抽殼力與摩擦系數(shù)f、藥筒工作長度l分別成正比,即摩擦力越大,工作長度越大,抽殼力就會越大．下面討論初始間隙Δ0、最大膛壓Pm、藥筒壁厚δ對抽殼力的影響．

取初始間隙為0.29 mm,藥筒壁厚為1.71 mm,分析最大膛壓分別為460、400、340、280、220、160 MPa的抽殼力,抽殼力與最大膛壓的關(guān)系如圖6．圖中，隨著最大膛壓的增大,抽殼力會逐漸增加,這是由于膛壓增大導(dǎo)致藥筒的塑性變形增大,使膛壓消失后藥筒和炮膛之間的徑向壓力增大．圖7為初始間隙分別為0.39、0.34、0.29、0.24、0.19、0.14 mm的抽殼力,此時選用的最大膛壓為400 MPa,壁厚為1.71 mm．?dāng)?shù)據(jù)顯示隨著初始間隙增大,抽殼力會有所降低,這是由于初始間隙增大后,引起藥筒自由塑性變形增加,藥筒與炮膛協(xié)同變形后的最大徑向壓力減小,膛壓消失后的徑向壓力也隨之減?。?/p>

圖6 最大膛壓與抽殼力的關(guān)系

圖7 初始間隙與抽殼力的關(guān)系

圖8為藥筒壁厚分別為3.71、3.21、2.71、2.21、1.71、1.21 mm的抽殼力,此時選用的最大膛壓為400 MPa,初始間隙為0.29 mm,圖中，隨著藥筒壁厚的增加,抽殼力也隨之增大．這是由于藥筒壁厚增大,使藥筒與炮膛的相對緊縮量增大,抽殼時需要克服的阻力也隨之增大．

圖8 藥筒壁厚與抽殼力的關(guān)系

4 抽殼力有限元分析

利用ADAMS軟件建立炮閂抽殼機構(gòu)的剛?cè)峄旌咸摂M樣機,如圖9．抽筒子、抽殼模板、搖臂為柔性體,其他元件為剛性體,炮身復(fù)進(jìn)速度為3 m/s．設(shè)置抽殼模板與底座間之間為固定副,抽筒子軸、搖臂軸分別與地面為固定副,搖臂與搖臂軸間為轉(zhuǎn)動副,抽筒子與抽筒子軸間為轉(zhuǎn)動副,藥筒與炮膛間為移動副,炮膛與地面間為固定副,底座與地面間為移動副．在抽殼模板與搖臂、搖臂與搖臂軸、搖臂與抽筒子、抽筒子與抽筒子軸、抽筒子與藥筒、藥筒與炮膛之間設(shè)置接觸[8]．

圖9 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

由于ADAMS無法模擬出彈藥爆炸的效果,文中通過計算4個抽殼阻力點,運用spline樣條擬合函數(shù),近似擬合出抽殼阻力曲線,再利用AKISPL函數(shù)添加一個單向力加載到模型中,將此數(shù)據(jù)單元作為函數(shù)的引用曲線,得出抽殼阻力的近似曲線,如圖10．

圖10 抽殼力曲線

由抽殼力曲線可以看出,在14 ms之后,抽殼力迅速增加,最大值達(dá)到22.346 kN,在16 ms之后迅速下降到2.75 kN左右,再緩慢下降至抽殼動作結(jié)束．

5 試驗驗證

為模擬炮閂實際工況,在試驗樣機發(fā)射試驗的基礎(chǔ)上,試驗設(shè)備去掉抽筒子,裝上一個帶壓力表的抽出裝置,試驗原理如圖11．抽出裝置一端與藥筒固定,另一端發(fā)力絲杠的螺母和底座連接并固定．通過給抽出裝置一個固定速度,來模擬抽出藥筒的動作,在抽出過程中,可以通過壓力表準(zhǔn)確測量抽殼力大?。?/p>

圖11 試驗原理圖

經(jīng)過測試試驗,得到抽殼力曲線,如圖 12．測試的抽殼力最大值為 20.83 kN,與理論計算結(jié)果偏差誤差僅為2.34%,則試驗測試原理是合理的,將仿真所得數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)比較，可以看出仿真值比試驗結(jié)果高7.28%．

圖12 抽殼力曲線

6 結(jié)論

(1) 通過材料力學(xué)和工程彈塑性力學(xué)等相關(guān)知識對抽殼過程分階段進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)炮彈發(fā)射后,藥筒在膛壓作用下,發(fā)生彈性變形和塑性變形,貼膛后與炮膛發(fā)生協(xié)同變形,在膛壓消失后,炮膛的彈性恢復(fù)使藥筒反向受壓；

(2) 將藥筒抽出需要克服藥筒和炮膛之間的徑向力產(chǎn)生的摩擦阻力,該抽殼阻力與摩擦系數(shù)和工作長度成正比,分析結(jié)果表明,抽殼阻力與最大膛壓近似成線性正相關(guān),與初始間隙在一定范圍內(nèi)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,與藥筒壁厚之間成正相關(guān)；

(3) 通過在ADAMS中建立抽殼機構(gòu)剛?cè)狁詈咸摂M樣機,對炮閂機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真,擬合出抽殼力曲線,并規(guī)劃藥筒抽出裝置試驗,驗證其分析方法可行．

文中存在一些不足之處,在抽殼力計算部分,對藥筒和炮膛作出了一些假設(shè),對模型進(jìn)行了簡化,這些會影響到抽殼力的計算精度．

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