火炮反后坐快速回縮系統研究

王蕾，張堯禹，張雪峰，馮進良

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

隨著科技的不斷進步與發展，現代設計技術也不斷與機械設計技術相結合。越來越多的現代檢測系統應用于現代國防，航天、航空科技領域以及海上設備。本文主要針對火炮反后坐裝置檢測的要求，設計了確保施力安全的快速回退裝置。系統通過彈性蓄能裝置以及回縮牽引裝置，保證在火炮復進時施力推桿速度大于火炮復進速度，保障設備安全以及后續檢測的進行。

1 快速回縮系統組成

快速回縮系統組成如圖1所示。此系統包括以下幾個分系統：鎖緊裝置，彈性蓄能裝置以及回縮牽引裝置等。

圖1 快速回縮系統組成圖

1.1 鎖緊與解脫裝置

鎖緊與解脫裝置由基軸套、鎖緊軸套、直線軸承、鎖緊鋼球、鎖緊銅柱、彈簧、鎖緊座法蘭盤、導向定位坐、鎖緊與解脫油缸等組成，如圖2所示。

圖2 鎖緊與解脫裝置結構圖

鎖緊鋼球嵌入鎖緊銅柱兩側的凹槽里，通過鎖緊與解脫油缸的前后運動帶動鎖緊套前后運動，鎖緊套的斜切面壓縮外側鎖緊鋼球，間接的壓縮鎖緊銅柱及內側鎖緊鋼球，使內側鎖緊鋼球嵌入鎖緊軸筒的環形槽內，完成通過鎖緊套的軸向運動帶動鎖緊鋼球及鎖緊銅柱的徑向運動，達到鎖緊的目的。解脫則相反。

1.2 回縮牽引裝置

本文中設計回縮牽引裝置與彈性蓄能裝置蓄能時的動力裝置為同一裝置，在鎖緊機構釋放時啟動，拖拽牽引施力推桿，使其保持大于火炮復進運動的速度縮回活塞桿空腔?；乜s牽引裝置包括異步電機、繞線輪、電磁離合器、慣性輪和逆止器幾部分。回縮牽引裝置拖拽鋼絲帶動施力推桿回縮。如圖3所示。

1.3 彈性蓄能裝置

慣性輪的應用起到消除電機啟動時的短暫爬行時間的作用，但是回縮牽引裝在鎖緊解脫到正式產生牽引力仍存在時間間隙，系統無法消除，需在回縮系統中添加蓄能裝置，使施力推桿在鎖緊釋放時獲得初始加速度，保證火炮反后坐裝置的檢測能夠順利進行。此裝置采用的是高剛度雙芯拉伸彈簧，其回縮速度快，穩定性高，造價經濟合理。

2 快速回縮系統的工作過程

施力推桿快速回縮裝置各部分工作過程為：

（1）人工將施力推桿從液壓活塞桿的空腔中拉出到達鎖緊預定位置，但此時并未完全鎖緊，并保證活塞桿、施力桿以及被測火炮身管的同軸度。

（2）液壓站啟動控制薄型油缸釋放，完成施力推桿與液壓活塞桿的鎖緊工作。液壓站控制液壓活塞桿伸出，帶動推桿對被測火炮實現人工后坐過程，達到預定位置時，活塞桿保持靜止狀態。此時可對火炮各參數進行測量和檢查。

（3）當需要被測火炮自由復進時，對蓄能裝置進行蓄能?；诎踩院涂刹僮餍钥紤]，采用人工蓄能方式。逆止器由棘輪和棘爪，鎖緊螺母，直線電機等組成。鎖緊螺母與繞線輪軸保證無相對運動，人工轉動螺母帶動繞線輪進行繞線。拉伸彈簧進行蓄能。直線電機啟動，控制棘爪卡死棘輪，保持彈簧蓄能狀態。

（4）電力控制機械工作進行，將EM235模塊輸出切換到變頻器，并設置初始零狀態；按下一鍵回縮鍵；準備工作完成。啟動變頻器同時延時8s，電機啟動并逐步達到2295r/min轉速。電機帶動慣性輪高速旋轉，當需要釋放施力推桿，使火炮自由復進時，吸合電磁離合器，打開逆止器，繞線輪在電機的帶動下高速收線，彈簧由拉伸狀態瞬時恢復初始狀態，彈性勢能使得施力推桿獲得較大回縮加速度。保證施力推桿回縮速度大于火炮自由復進速度。由此完成快速回縮過程?？焖倩乜s系統示意圖如圖4所示。

圖4 快速回縮系統示意圖

3 技術難點與問題解決

3.1 技術難點與創新

鎖緊與解脫裝置設計：鎖緊套上帶有12°的倒角，鎖緊軸筒上開有U型槽，鎖緊銅柱和鎖緊鋼球以及彈簧放入基軸套上開的孔內，且鎖緊銅柱的兩側各安放一個鎖緊鋼球，中間用彈簧相隔，鎖緊銅柱、鎖緊鋼球以及彈簧可在基軸套上的孔內運動且不卡簧。當內側鋼球進入鎖緊軸筒的U型槽，帶倒角的鎖緊套在鎖緊和解脫油缸的帶動下向右方運動，就會壓緊外側鋼球以及彈簧，使得內側鋼球卡在U型槽內進行鎖緊。而若想解脫，用鎖緊和解脫油缸帶動鎖緊套向左運動，鎖緊銅柱及鎖緊鋼球沒有力的作用，可輕松的從鎖緊軸筒的U型槽中退出，進行解脫。

設計中采用直徑為12cm的淬火鋼球對施力推桿進行鎖止。當后坐施力達到最大250kN時，對淬火鋼球進行受力校核，由結構分析得出受力示意圖如圖5所示。

圖5 鋼球推力大小計算

由圖5可知，鋼球所受的徑向推力為：

其中，F—火炮后坐力；F1—施力桿對鋼球的徑向推力。在此受力狀況下對鎖緊鋼球進行應力分析，分析結果如圖6所示。

圖6 鎖緊鋼球應力分析

由圖6可知，當施力達到設計最大值250kN時，鋼球所受的應力大小約為468.1MPa，鋼球的形變最大為0.0035mm，其材料受力未達到其彈性極限，屬于彈性變形，可以滿足系統最大施力要求。

3.2 問題分析與解決

在回縮牽引裝置進行安裝時，務必保證各部件的同軸度，例如電磁離合器兩部分的安裝等。否則電機驅動裝置時無法實現慣性輪、繞線輪的同步運轉，當電機高速運轉時會出現較大晃動，需要對于裝置的穩定可靠性進行考慮。

施力推桿在快速回縮裝置的帶動下，沿直線軸承高速回縮，應設有緩沖裝置。故當到達行程位置時，通過一級緩沖桿壓縮緩沖彈簧進行緩沖；一級緩沖桿縮進后，由材料為聚氨酯的二級緩沖塊繼續緩沖，使施力推桿平穩緩沖，減小高速回縮桿對人工后坐裝置本身的沖擊。

轉動速度分析：推桿后退速度指標是12m/s，繞線輪的直徑設計為100mm，電機轉速為：

因此，轉速達到2293r/min的電機即可滿足要求。

功率與能量分析：由于彈性勢能器及慣性輪的能量積蓄，快速回縮裝置中異步電機需提供維持施力推桿的回縮速度，其力矩與系統摩擦阻力有關。施力推桿回縮時沿直線軸承運動，為滾動摩擦，估算摩擦力為0.05kN，裝置采用回縮繞線輪直徑為100mm，則由此產生的力矩為：

施力推桿回縮速度的控制也是設計的重點之一。由于火炮身管與施力推桿間存在相互作用力，在滿足回縮加速度的基礎上，防止速度過大，對液壓設備造成沖擊傷害。

4 試驗結果分析

最后對裝置進行試驗，采用英國進口的STM系列激光測速測長儀完成測試。按照人工后坐裝置的工作流程進行操作，當施力推桿由鎖緊狀態釋放時，對施力推桿的回縮速度進行測量，測試結果如圖7所示。

由圖7可知，施力推桿在沒有火炮施加彈性勢能的情況下可達到9.2m/s的回縮速度。經計算，若火炮提供施力推桿0.4kN的推力，克服施力推桿初始慣量，由快速回退執行裝置提供后續能量，可滿足系統要求。

圖7 時間—速度曲線圖

5 結論

由上述試驗結果分析可知，施力推桿瞬時加速度很快，最高速度可達9.2m/s。在火炮發射時施加外力以及高剛度雙芯拉伸彈性提供彈性勢能的情況下，能夠滿足系統12m/s的速度指標。在對火炮反后坐裝置檢測時，足以保證設備的安全與檢測的正常進行。實驗結果證實了系統的可行性與可靠性。

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