火炮修后水彈試驗后坐復進運動分析計算

傅建平，張澤峰，余家武,李　雷

(1.軍械工程學院 火炮工程系，石家莊　050003; 2.駐國營157廠軍代室，成都　610000)

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火炮修后水彈試驗后坐復進運動分析計算

傅建平1，張澤峰1，余家武2,李雷2

(1.軍械工程學院 火炮工程系，石家莊050003; 2.駐國營157廠軍代室，成都610000)

摘要：目前火炮大修后雖廣泛采用水彈試驗來檢驗火炮修理品質，但對火炮水彈試驗理論研究很少；針對這一現狀，對考核修后火炮品質的火炮后坐復進運動規律進行了分析研究；基于水彈試驗原理與工程實踐，建立了火炮水彈試驗后坐復進運動計算模型，并以某炮為例進行了仿真計算，計算結果與測試結果基本相符，表明所建立模型的正確性和計算結果的可行性。

關鍵詞：火炮；水彈試驗；后坐；復進

火炮大修后，需進行水彈試驗，以確定火炮的技術狀態和綜合考核火炮修理質量[1]?；鹋谒畯椩囼炓蠡鹋谠谝幎ǖ暮笞嚯x范圍內停止，并平穩復進到位。后坐距離是表征火炮后坐過長與后坐過短兩個后坐故障的特征參量；火炮復進到位速度是表征火炮復進過猛和復進不足兩個復進故障的特征參量。因此，火炮水彈試驗后坐與復進運動規律是考核水彈試驗成功與否的最重要指標，也是火炮水彈試驗評估與故障診斷的重要依據之一。但以往主要通過裝水質量的配重，通過反復試驗，直到后坐距離滿足要求[2]。該試驗方法應該具有安全性、通用性，水彈試驗過程中曾發生過火炮身管脹膛現象[3]。水彈試驗理論和實踐相輔相成，互相促進。因此，迫切需要進行火炮水彈試驗后坐復進運動規律研究，從理論上闡明火炮水彈試驗原理。本文應用火炮射擊動力學理論，建立新型火炮水彈試驗火炮后坐復進運動通用計算模型，并計算水彈與實彈射擊的后坐位移和后坐速度，闡述火炮水彈試驗的后坐復進運動規律；同時也為火炮水彈試驗評估與故障診斷提供理論依據。

1后坐復進運動計算模型

1.1后坐運動計算模型

如圖1所示，取火炮后坐部分為研究對象?；鹋谒畯棸l射時，主動力有炮膛合力fpt和后坐部分重力MHG，約束力為后坐阻力，包括制退機液壓阻力fφh、復進機力ff、反后坐裝置的摩擦力f，以及搖架法向力fN和摩擦力fT[4]。

圖1　后坐時后坐部分受力分析

為建模方便，對火炮受力和運動狀態作如下假設：火炮和地面為絕對剛體；火炮置于堅硬水平地面，方向為0°，忽略彈丸回轉力矩的影響，并認為所有的力作用在射面內；射擊時全炮處于平衡狀態。

將后坐部分看成是一個質心，根據質點的達郎貝爾原理，沿炮膛軸線方向的平衡方程為

(1)

式(1)中x為后坐行程；α為火炮射角。令火炮后坐阻力為

(2)

由此可得到火炮后坐運動數學模型：

(3)

式(3)中V為后坐速度，解方程組便可得火炮后坐位移、速度與后坐時間等參量。

炮膛合力按以下公式計算[5]：

(4)

(5)

式(4)、式(5)中ω為裝藥量，M為彈丸質量，A為炮膛截面積，P為膛內壓力，φ、φ1為火藥次要功系數，B為反映炮膛合力衰減快慢的時間常數,其中TG為彈丸膛內運動時間，τ為火藥氣體后效期作用時間。

制退機內液壓阻力fφh主要包括主流與支流流動過程中產生的液壓阻力fφh1和fφh2兩部分。

(6)

(7)

(8)

式(7)、式(8)中，k1、k2為主流、支流液壓阻力系數，ρ為制退液密度，A0、AP分別為制退桿活塞工作面積與節制環面積，Ax為主流漏口折合面積，Afj、ω0為制退桿內腔工作面積與支流最小漏液口面積。復進機力為

(9)

式(9)中Af為復進桿活塞面積，Pf0為復進機內氣體初壓，W0為復進機內氣體初始容積，k為氣體絕熱系數。

1.2復進運動計算模型

火炮后坐結束后，后坐部分在復進機力ff的作用下，平穩、無沖擊地將火炮后坐部分復進到位。同樣取復進時的后坐部分為受力體，進行受力和運動分析，如圖2所示。

圖2　復進時后坐部分受力分析

由受力分析可得火炮復進運動模型為

(10)

式(10)中U為復進速度，ξ為復進行程，fφfy為復進液壓阻力。

復時時，復進機力為主動力，設λ為復進總行程，復進機力大小為

(11)

復進液壓阻力fφfy包括制退機后坐制動器液壓阻力fφf、復進節制器液壓阻力fφfj、復進節制活瓣液壓阻力fφkf三部分。

(12)

(13)

(14)

(15)

式(13)、式(14)、式(15)中 k1f、k2f與k3f分別為后坐制動器、復進節制器和復進節制活瓣的液體阻力系數；Aof為復進時制退桿活塞工作面積，Ax為節制環與節制桿的環形間隙，AC為制退桿縱向溝槽間隙，Afj為復進節制器活塞面積，Af為復進節制器漏口面積，Ak為復進機活瓣的小孔面積。

2計算結果分析

火炮后坐、復進運動計算模型是一階常微分方程組。計算機編程計算時，通常采用龍格-庫塔(Runge-Kutta)方法求解。

以某榴彈炮水彈試驗為例，根據該炮反后坐裝置的結構尺寸，以及裝水質量方案，應用Matlab計算軟件編程計算[6]，火炮實彈與水彈試驗時后坐與復進位移曲線、后坐與復進速度曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3　火炮實彈與水彈射擊后坐與復進位移

由圖3可知，發射后在炮膛合力作用下，火炮部分迅速后坐，很快達到最大后坐速度；在后坐阻力的作用下，火炮作減速后坐，直到在一定距離上停止下來；隨后火炮作復進運動，直到恢復原位。

水彈射擊與實彈射擊后坐位移曲線相似，基本吻合，水彈最大后坐位移略小于實彈后坐位移，水彈后坐復進總時間略大于實彈射擊的后坐復進總時間。

由圖4可知，水彈射擊與實彈射擊后坐速度曲線形狀相似，基本吻合。由于水彈射擊時的最大膛壓略低于實彈射擊時的最大膛壓，因而其最大后坐速度略小于實彈射擊時的最大后坐速度；由于兩者的后坐距離相當，復進速度也相當，故后坐復進時間略長于實彈射擊。

3火炮水彈試驗后坐復進運動參數測試

火炮水彈試驗，采用與實彈發射相同的全裝藥，產生與實彈射擊相近的火炮后坐、復進、開閂與抽筒等動作?；鹋谒畯椩囼灣硕ㄐ杂^察機構動作的正確性外，還要定量檢測以下后坐與復進參數：

1)火炮后坐距離。一般人工判讀火炮后坐標尺讀數，記錄火炮后坐距離。

2)火炮后坐復進總時間。一般通過秒表記錄，當火炮后坐與復進運動異常時，如火炮復進不足或復進不到位時，則該時間超差。

筆者參加了修理工廠對某炮大修后的水彈試驗活動，水彈試驗測試結果見表1。將計算結果與該炮修后水彈試驗結果比較，火炮修后水彈試驗后坐距離基本吻合；由于采用秒表記錄火炮后坐與復進運動的總時間，測試誤差較大。

表1　火炮水彈試驗計算與測試結果

4結束語

本文結合多年火炮修后水彈試驗原理與工程實踐，建立了火炮水彈試驗后坐復進運動計算模型，并以某新型火炮為例，得到該炮水彈試驗后坐與復進位移與速度曲線，闡述了火炮水彈試驗后坐與復進運動規律?；鹋谒畯椩囼灪笞鴱瓦M運動計算結果與測試結果基本一致，與實彈射擊計算結果也相吻合，表明：本文所建立的計算模型是正確的，結果是可信的；采用火炮修后水彈試驗方式來確定火炮技術狀態及綜合考核修理品質這一方法與手段是可行的；火炮水彈試驗后坐復進運動規律與裝水質量密切相關，可在規定后坐距離內，通過裝水質量的優化探索到最佳裝水質量方案，這是今后研究方向。

本文研究成果已成功應用于某新型火炮修后水彈試驗的仿真計算，為新型火炮水彈試驗提供理論指導，也可為火炮水彈試驗評估與故障診斷提供理論依據。

參考文獻：

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[3]鄒名高.試論水彈脹膛的機理[J].四川兵工學報，1982(2)：34-36.

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[5]傅建平，呂世樂，鄭立評，張麗花.火炮水彈試射內彈道學分析計算[J].軍械工程學院學報，2014，26(2)：21-24.

[6]張德豐.MATLAB實用數值分析[M].北京：清華大學出版社,2012：168-198

(責任編輯周江川)

本文引用格式：傅建平，張澤峰，余家武，等.火炮修后水彈試驗后坐復進運動分析計算[J].兵器裝備工程學報，2016(5):18-20.

Citation format:FU Jian-ping,ZHANG Ze-feng,YU Jia-wu,et al.Gun Recoil and Counter Recoil Calculation of Liquid-Projectile Test After Repaired[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):18-20.

Gun Recoil and Counter Recoil Calculation of Liquid-Projectile Test After Repaired

FU Jian-ping1,ZHANG Ze-feng1,YU Jia-wu2,LI Lei2

(1.Department of Artillery Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China; 2.No.157 State-Owned Factory Presentation Room,Chengdu 610000,China)

Abstract:Although the liquid-projectile test is widely used to test the quality of the gun after repaired,the research on the theory of the liquid-projectile test is less.In view of the present situation,gun recoil and counter recoil movement were analyzed in order to check up the gun quality after repaired.The gun recoil and counter recoil movement model of water-projectile test was established based on the principle of liquid-projectile test and its engineering practice.The simulation calculation was carried out as a gun example.And the calculation results are almost consistent with test results.It shows the model is correct and the results are convincing.

Key words:gun; liquid projectile test; recoil; counter recoil

doi:【裝備理論與裝備技術】10.11809/scbgxb2016.05.005

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-25

基金項目：軍隊重點科研研究

作者簡介：傅建平(1966—)，男，副教授，主要從事火炮技術保障研究。

中圖分類號：TJ307

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0018-04