彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)分析以及與火炮的結(jié)合

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 王偉 蘇鐵熊 仝志輝 芮亮

彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)分析以及與火炮的結(jié)合

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 王偉 蘇鐵熊 仝志輝 芮亮

本文以彈性膠泥的特性分析為基礎(chǔ)，把彈性膠泥緩沖器與火炮后坐相結(jié)合，代替火炮傳統(tǒng)的制退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了單設(shè)備的緩沖減震，并對其進(jìn)行有限元分析，了解重要部件的應(yīng)力分布情況。

火炮反后坐；彈性膠泥；緩沖器；ansys

前言

火炮反后坐裝置的定義：在炮身與架體之間安裝的、用來耗散和儲存火炮射擊時(shí)后坐能量并使炮身復(fù)位的結(jié)構(gòu)部件[1]。傳統(tǒng)的火炮反后坐裝置由兩部分組成——制退機(jī)和復(fù)進(jìn)機(jī)，都在很大程度上使火炮的重量、結(jié)構(gòu)和制造成本增加。此外，由于活塞桿復(fù)進(jìn)時(shí)，液體的流速很低，制退機(jī)的節(jié)流孔產(chǎn)生的液壓阻力很小，對復(fù)進(jìn)運(yùn)動的作用有限，為了避免后坐部分在復(fù)進(jìn)到位時(shí)的沖擊，在多數(shù)火炮上還需設(shè)置專門的復(fù)進(jìn)節(jié)制器[1]。基于此，新型膠泥緩沖器的出現(xiàn)彌補(bǔ)了以上的不足，不僅自身設(shè)備能實(shí)現(xiàn)緩沖減震的目的，而且還由于其設(shè)備小，能更大程度地提高火炮的機(jī)動性，增加火炮的威力。彈性膠泥緩沖器的市場競爭力具有明顯優(yōu)勢，我國正處于研發(fā)階段，因此有必要對其進(jìn)行深入了解。

1 膠泥介質(zhì)

彈性膠泥的介質(zhì)材料是一種有機(jī)硅化合物，主要由未交聯(lián)混合物組成，其中一些包括聚硅氧烷、阻燃劑、抗壓劑等等。聚硅氧烷便是其中最主要的原料，它是一種高分子化合物，以硅氧鍵(或稱硅醚鍵)為特征，這些鍵是由彼此間隙的硅原子和氧原子相聯(lián)系而成的鏈或環(huán)[1]，由硅氧鍵組成的鍵可以達(dá)到相當(dāng)大的程度，而且穩(wěn)定性特別高，難以破壞。這樣分子鏈或環(huán)在運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生高阻尼效應(yīng)，消耗外部動能，以達(dá)到緩沖的目的[2]。聚硅氧烷的分子在某種程度上和天然硅酸鹽的分子相似。因?yàn)樗喈?dāng)于用烴基取代了硅酸鹽分子的氫原子和金屬原子，堅(jiān)固的si-o鍵決定了聚硅氧烷具有絕大部分硅有機(jī)和硅無機(jī)的化合物所具備的特性，在高溫或者低溫下就特別穩(wěn)定，又因?yàn)閟i-o鍵的化學(xué)鍵的鍵能大，所以對各種化學(xué)試劑也十分穩(wěn)定[3]。

2 彈性膠泥緩沖器的組成結(jié)構(gòu)以及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成分析

據(jù)大多數(shù)國內(nèi)外數(shù)據(jù)資料分析，彈性膠泥緩沖器包括如圖1所示的組成結(jié)構(gòu)：活塞、活塞桿、缸蓋、密封圈、活塞缸等。

圖1 彈性膠泥緩沖器示意圖

2.2 彈性膠泥緩沖器在火炮運(yùn)用中的工作原理

活塞桿和火炮后坐部分固連在一起，兩缸中都充滿了硅膠泥，并且膠泥都有一定的預(yù)壓力。預(yù)壓力不能過小，若太小的話，就不能使火炮回復(fù)到最初位置。相反，如果初壓力選取過大，會使得緩沖器的最大吸收率減小。火炮發(fā)射后，產(chǎn)生向后的沖擊波，當(dāng)大于預(yù)壓力后，活塞缸里的膠泥被壓縮，膠泥通過活塞上的小孔以及缸壁和活塞的環(huán)形間隙向另一側(cè)流動。這一過程中發(fā)生的摩擦力以及膠泥本身的內(nèi)在運(yùn)動都要消耗一部分動能，阻礙活塞向后運(yùn)動，另一部分動能儲存在彈性膠泥里（此時(shí)相當(dāng)于傳統(tǒng)火炮反后坐裝置中的制退機(jī)）。當(dāng)沖擊波減小或消失以后，膠泥里的彈性勢能釋放，兩缸中的膠泥都要恢復(fù)到初始狀態(tài)，推動活塞桿以及活塞一起向前運(yùn)動，使火炮復(fù)位，再次達(dá)到平衡位置（此時(shí)相當(dāng)于傳統(tǒng)火炮反后坐裝置中的復(fù)進(jìn)機(jī)）。

3 彈性膠泥緩沖器重要部件的有限元分析

從前面對彈性膠泥緩沖器工作原理以及結(jié)構(gòu)分析可以知道，彈性膠泥緩沖器的所有零件中，活塞桿與活塞的受力為最關(guān)鍵的部件，以下是對這個(gè)零部件的有限元分析。

考慮到活塞桿的強(qiáng)度和剛度，活塞桿的材料一般用45、40Cr[4]。這里我們選擇45鋼作為分析對象，長度為 150mm，直徑為 20mm。其中 45鋼 ρ=7.89× 103kg/m3，泊松比λ=0.3，楊氏模量E=2.09×1011pa[5]。

3.1活塞桿的有限元分析的前處理

在ansys的前處理分析中，活塞上的細(xì)孔處應(yīng)力集中較為明顯，為了不影響整體分析的效果，對活塞以及活塞桿的倒角，細(xì)長小孔做了簡化處理。在ansys中直接建立模型，并對其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 活塞以及活塞桿有限元分析模型

3.2 活塞桿及活塞的初步分析

圖3 節(jié)點(diǎn)位移云圖以及模型受壓變形圖

本文中活塞桿與火炮反后坐固連在一起，活塞與彈性膠泥直接接觸，因此我們把活塞與膠泥接觸的斷面全約束，把活塞桿與火炮接觸的斷面給予壓強(qiáng)為1800pa的壓力，然后進(jìn)行求解仿真，得出如下結(jié)果。圖3為節(jié)點(diǎn)位移圖以及活塞受力變形圖。通過對圖形（c）的分析可知，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，z向的最大變形量為0.113×10-5mm，微量的位移變形則不會影響活塞桿的正常工作。由圖（a）和圖（b）可知，在受壓時(shí)，活塞的變形較為顯著，因此，設(shè)計(jì)活塞時(shí)要選用合適的材料和結(jié)構(gòu)尺寸。

我們將有限元分析的模型結(jié)果導(dǎo)入到這里，如圖4所示，并對應(yīng)力圖的結(jié)果進(jìn)行必要的討論。

圖4 模型的應(yīng)力云圖

由于x方向和y方向一致，因此我們只觀測x方向的應(yīng)力云圖，從圖（e）和圖（f）中我們可以看出，與膠泥接觸的地方應(yīng)力相對較小，這正是我們希望看到的結(jié)果，當(dāng)預(yù)壓力過大時(shí)，也不會發(fā)生剛性接觸，但是在活塞與桿的連接處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此我們在設(shè)計(jì)活塞與桿的聯(lián)系時(shí)，盡量采用圓滑的過度，減少應(yīng)力集中的影響，避免降低活塞桿和活塞的強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

由于國外技術(shù)的保密，我國有關(guān)膠泥緩沖器的研發(fā)進(jìn)展十分緩慢[6]，本文創(chuàng)新性地把彈性膠泥緩沖器應(yīng)用于火炮的反后坐裝置中，并對關(guān)鍵零件進(jìn)行了有限元的仿真分析。對仿真圖形的了解，對我們今后設(shè)計(jì)彈性膠泥緩沖器有著重要的指導(dǎo)意義。

[1]高躍飛,火炮反后坐裝置設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2010.06：2-3.

[2]周光強(qiáng),楊麗娜,楊愛軍,孫中戰(zhàn).彈性膠泥特性及其緩沖器的研究進(jìn)展[J].有機(jī)硅材料,2011(01)：40-43.

[3]（蘇）克列什科夫,А.П.著;孫載堅(jiān)譯.硅有機(jī)化合物及其應(yīng)用[M].北京：中國工業(yè)出版社,1962：13-22.

[4]孫省己.活塞桿材料及其熱處理（一）[J].沈陽市：壓縮機(jī)技術(shù),1994(02)：18-19.

[5]潘家禎.壓力容器材料實(shí)用手冊碳鋼及合金剛[M].北京市：化學(xué)工業(yè)出版社,2000：176-181.

[6]李克興.彈性膠泥減震器在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用(下)[J].青島市：鐵道車輛,1995(06)，32-35.

王偉，1986出生，陜西省榆林市人，研究生，研究方向：機(jī)動武器技術(shù)。