某連續彈幕發射火炮中加速臂結構對后坐位移的影響

丁 偉，戴勁松，管紅根

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

某連續彈幕發射火炮中加速臂結構對后坐位移的影響

丁 偉，戴勁松，管紅根

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

運用虛擬樣機技術建立某連續彈幕發射火炮的虛擬樣機模型；利用多體動力學，對該火炮的開閂過程進行動態仿真。分析仿真結果表明不同的加速臂曲線和安裝位置對某火炮的后坐位移有著不同的影響。當加速臂曲線弧長為104.03 mm，兩個加速臂安裝間隔為203.39 mm時,火炮的后坐位移為447.53 mm，與試驗結果基本吻合，符合實際射擊要求。

機械工程；連續彈幕發射；后坐位移；加速臂

火炮的開閂過程比較復雜，既涉及后坐部分的大范圍運動又涉及炮閂系統開閂的小范圍運動。由于炮閂系統的復雜動力學特性無法確定，這方面的研究相對較少。火炮的后坐運動不僅對火炮的開閂過程有影響，還會影響火炮的膛口流場，影響彈丸出炮口后的運動。國內外研究人員對火炮開閂過程中動力學特性、火炮反后坐裝置、火炮抽殼機構與開閂運動的匹配性等相關問題進行了研究[1-9]。

小口徑火炮在低空末端防御中起著關鍵作用，隨著來襲目標速度的不斷提高，對小口徑火炮的射速的要求也不斷提高。對于某些特殊的來襲目標，現有的高速炮已經無法有效攔截，因此需要更高射速的火炮進行攔截。連續彈幕發射火炮可以極大提高射速，在未來的末端防御中有著關鍵作用。在進行連續彈幕發射時，內彈道膛內壓力作用時間長且有多種射擊模式，與現有的火炮結構有較大的區別。需要分析不同加速臂的結構對發射裝置開閂過程中后坐位移的影響。本文運用虛擬樣機技術建立該裝置的虛擬樣機模型，分析不同的加速臂結構對其后坐位移的影響，為后續的深入研究奠定基礎。

1 火炮自動機模型的建立

1.1三維模型的建立[10-11]

運用三維建模軟件，建立火炮的三維模型，并進行裝配。圖1為火炮整體模型，圖2為加速臂安裝方式。

圖1 火炮整體模型

圖2 加速臂安裝方式

1.2 加速臂參數的設計

在該火炮開閂的時候，不同的加速臂結構對開閂過程中火炮后坐位移產生的影響也不同。加速臂與閂座碰撞部位的輪廓曲線直接影響開閂的效果。加速臂三維模型如圖3所示，關鍵參數如圖4所示。

表1 加速臂參數值

圖3 加速臂模型

圖4 加速臂示意圖

表1中的加速臂碰撞部位的輪廓曲線(即圖4上的碰撞曲線)弧長I和安裝距離間隔D，是影響加速臂開閂效果的兩個關鍵參數。

1.3 自動機主要結構的特點

1.3.1 集束身管結構

為了實現連續彈幕發射的功能，該火炮身管組件由多根炮管集束組裝而成。炮管的數目取決于整體結構和作戰效能，需要綜合考慮。為增加身管組的剛度，在中部加裝了約束裝置。圖1中最前端的質量塊即為等效集束身管組件。

1.3.2 整體炮閂結構

火炮的自動機閂體結構有很多種，不同的自動機有著自已獨有的閂體結構。該火炮采用整體化閂體，避免了結構繁瑣，提高了整體結構的可靠性。可以循環依次完成對多枚炮彈的輸彈、閉鎖、擊發、開鎖等動作。

自動機尾部為整體閂體，參見圖1。

1.3.3 整體緩沖裝置

該火炮的緩沖原理主要以內源式FORC技術為基礎，將一次彈幕的射擊歸并為一次整體緩沖，將整體閂座、閂體的開閂過程和輸彈過程所需的緩沖和復進機構緩沖合并。

FORC緩沖器原理是一種閥控原理，當該火炮自動機擊發后，其后坐部分(包括閂座組和身管組)連同活塞桿一起后坐，同時液壓桿帶動液壓活塞后坐；液壓腔液體受壓向前腔運動，通過差控閥與復進孔流入外壁的液壓腔，使外壁液壓腔壓力升高。同時外壁液壓腔內液體推動氣液活塞，壓縮腔內氣體，使后坐產生的能量儲存在氣腔內。在整個后坐過程中，氣腔壓力使后坐初壓力低，后坐結束時壓力高，而液體形成的阻尼則是相反。因此，只要合理設計差控閥和復進孔的大小就能控制后坐時后坐力近似為恒定值，即可實現差動補償。

2 火炮開閂過程動態仿真

由于火炮特殊的結構與工作條件，在理論分析的基礎上，建立虛擬樣機仿真實際工作情況。

2.1 虛擬樣機模型的建立與計算條件

2.1.1 虛擬樣機模型的建立

動態仿真的虛擬樣機模型如圖5所示。

圖5 虛擬樣機模型

在該虛擬樣機模型中，搖架與地面固結。炮管組、閂座組與搖架構成移動副，實現在搖架上的水平運動，加速臂與炮管組上的加速臂軸連接，構成旋轉副。后坐過程中，加速臂碰撞到后限位器后旋轉，進而與閂座組碰撞，推動閂座組完成解鎖、開閂。

2.1.2 仿真計算條件

在確定炮膛合力時，根據已有的25 mm彈丸內彈道數據進行曲線擬合，得到單身管的內彈道曲線，通過疊加可以得到炮膛合力的曲線。根據炮膛合力曲線可知在擊發的瞬間炮膛合力在950 kN上下浮動，在不影響仿真結果的基礎上為了簡化仿真模型，在擊發的幾毫秒內取炮膛合力F1=950 kN。由于該火炮緩整體緩沖裝置的設計特點，后坐過程中的后坐力可簡化為恒力。根據后坐阻力計算公式計算得到炮管組整體緩沖器后坐阻力F2=57 kN，閂座組整體緩沖器后坐阻力F3=15 kN。

2.2 仿真結果分析

加速臂曲線與加速臂的安裝方式都會影響該火炮開閂過程中的后坐位移。

當加速臂安裝間隔距離為203.39 mm時，不同加速臂曲線作用下后坐位移的仿真結果如圖6所示。

圖6中上面的一條粗虛線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為103.47 mm時的仿真結果，后坐位移為491.42 mm；實線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為104.03 mm時的仿真結果，后坐位移為447.54 mm；下面的一條細虛線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為107.96 mm時的仿真結果，后坐位移為402.29 mm。

圖6 仿真結果

當加速臂安裝間隔距離為193.39 mm，不同加速臂碰撞部位輪廓曲線作用下后坐位移的仿真結果如圖7所示。

圖7 仿真結果

圖7中上面的一條細虛線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為103.47 mm的仿真結果，后坐位移為471.14 mm；實線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為104.03 mm的仿真結果，后坐位移為428.97 mm；下面的一條粗虛線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為107.96 mm的仿真結果，后坐位移為417.64 mm。

當加速臂安裝間隔距離為209.39 mm時，不同加速臂碰撞部位輪廓曲線作用下后坐位移的仿真結果如圖8所示。

圖8 仿真結果

圖8中實線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為103.47 mm時的仿真結果，后坐位移為465.99 mm；中間的一條粗虛線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為104.03 mm時的仿真結果，后坐位移為436.89 mm；下面的一條細虛線為加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為107.96 mm時的仿真結果，后坐位移為421.89 mm。

為了確認加速臂碰撞部位輪廓曲線與安裝方式的選擇，需要與實際射擊試驗的結果相對比。試驗在某國防工廠試驗基地利用試驗樣機進行試驗，試驗中采用加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為104.03 mm、安裝距離為203.39 mm的加速臂。在試驗時分別對不同的彈幕射擊進行測試。圖9(a)為射速為20萬發/分，兩個彈幕連續射擊時測得的后坐位移情況；圖9(b)為射速20萬發/分，三個彈幕連續射擊時測得的后坐位移情況。使用激光位移器測量位移。激光位移器的電信號與位移的比例關系為：1 V=50 mm。圖中縱坐標為電壓值，可換算為該火炮射擊時最大的后坐距離。

圖9 試驗測量結果

由圖9可以看出，當該連續彈幕發射裝置進行雙彈幕和三彈幕連續射擊時,火炮首先完成推彈入膛動作，即圖中曲線開始上升過程；供彈到位后，進入射擊后坐過程，即圖中曲線下降過程。圖中曲線的最大值為該火炮后坐的初始位置，最小值為后坐過程的極限位置。最大值與最小值差大致為8.8 V，根據比例關系可以知道后坐最大距離大致為440 mm。

仿真結果與試驗測試結果對比如表2所示。

從表2可以看出，當加速臂安裝距離為203.39 mm，加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為104.03 mm以及加速臂安裝距離為209.39 mm，碰撞部位輪廓曲線弧長為104.03 mm時，誤差較小。后者的后坐位移為436.89 mm，小于實際射擊實驗中的后坐位移，可能導致后坐不到位，可見前者方案更為合理。

表2 仿真與試驗結果之誤差 %

3 結論

1) 加速臂結構與安裝方式影響火炮閂座的后坐位移；

2) 加速臂碰撞部位輪廓曲線弧長為104.03 mm、安裝距離為203.39 mm時，開閂效果最好。

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(責任編輯周江川)

InfluenceoftheStructureofAcceleratingArmontheRecoilDisplacementinaContinuousBarrageArtillery

DING Wei, DAI Jinsong, GUAN Honggen

(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Pointing at a continuous barrage artillery, this article studied key Institution-accelerating arm’s structures and installation methods that have important influence on this launcher’s breechblock opening process and recoil displacement.Virtual prototype model of the artillery is established by virtual prototyping technology. The dynamic simulation of the artillery breechblock opening process is carried out based on the muti-body dynamics. Simulation results show that different accelerating arm curves and installation locations have different effects on the recoil displacement.When the arc length of the accelerating curve is 104.03 mm and the installation distance is 203.39 mm, the recoil displacement is 447.53 mm.This result coincides with the experimental results in the main and meets the actual shooting requirements.

mechanical engineering; continuous barrage launcher; recoil displacement; accelerating arm

2017-07-15；

2017-08-10

丁偉(1994—)，男，碩士研究生，主要從事火炮自動機研究。

裝備理論與裝備技術

10.11809/scbgxb2017.11.012

本文引用格式：丁偉,戴勁松，管紅根.某連續彈幕發射火炮中加速臂結構對后坐位移的影響[J].兵器裝備工程學報，2017(11):55-58.

formatDING Wei, DAI Jinsong, GUAN Honggen.Influence of the Structure of Accelerating Arm on the Recoil Displacement in a Continuous Barrage Artillery[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):55-58.

TJ399

A

2096-2304(2017)11-0055-04