彈丸高速擠進彈帶模擬試驗裝置的設(shè)計

□ 劉宇鵬

中國人民解放軍第6410工廠 河北井陘 050307

1 設(shè)計背景

彈丸高速擠進彈帶模擬試驗裝置是一種由液壓驅(qū)動、彈簧蓄能的機電試驗裝置［1］，可以有效模擬彈丸擠進彈帶的動態(tài)過程。筆者設(shè)計這一試驗裝置，進而對彈丸高速擠進彈帶的擠進動力、阻力和擠進變形進行試驗研究［2］，為彈帶高速擠進彈帶過程的理論模型和數(shù)值仿真驗證及完善提供參考依據(jù)，具有一定的學(xué)術(shù)價值和工程現(xiàn)實意義［3］。

2 設(shè)計要求

根據(jù)試驗?zāi)康膶υ囼炑b置的要求，確定彈丸高速擠進彈帶模擬試驗裝置的設(shè)計要求如下：①滿足100 mm線膛炮彈丸動態(tài)擠進彈帶試驗；②滿足彈丸擠進彈帶過程的要求；③應(yīng)能監(jiān)測彈丸底部所受的壓力、身管變形與應(yīng)力，以及彈丸獲得的速度［4］；④ 彈丸應(yīng)能夠回收；⑤保證整個試驗過程安全可靠；⑥ 試驗裝置具備可維修性。

3 裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計要求，確定試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗時主液壓缸的活塞桿先與撞擊塊連接，由副液壓缸的活塞桿拉動彈簧調(diào)節(jié)板調(diào)整到撞擊初始位置，然后主液壓缸的活塞桿拉動撞擊塊壓縮蓄能彈簧。彈簧壓縮到位后，通過脫鉤器釋放撞擊塊，撞擊塊以一定速度撞擊滑塊，滑塊帶動撞桿推動彈丸完成試驗。

▲圖1 彈丸高速擠進彈帶模擬試驗裝置結(jié)構(gòu)

在彈丸高速擠進彈帶模擬試驗時，位于撞桿及身管的應(yīng)變片可以測量彈丸擠進彈帶過程中所受的撞擊力［5］。試驗裝置能夠測定擠進力、彈丸速度與時間的對應(yīng)關(guān)系，由此可以計算出擠進阻力、彈丸速度與時間的對應(yīng)關(guān)系［6-7］。

4 參數(shù)計算

4.1 等效質(zhì)量

在不考慮蓄能彈簧振動的情況下，可以認為彈簧運動速度vx在彈簧長度方向變形量x是按線性規(guī)律變化的，如圖2所示，有：

▲圖2 蓄能彈簧速度變化示意圖

式中：L1為蓄能彈簧裝配長度；v1為撞擊塊運動速度。

假設(shè)蓄能彈簧的質(zhì)量是均勻分布的，則單位長度的質(zhì)量為：

式中：mt為彈簧質(zhì)量。

于是，單位長度彈簧的動能為：

式中：T為彈簧動能。

設(shè)彈簧具有集中質(zhì)量的點位于撞擊塊上，其速度與撞擊塊速度相同，則單位等效質(zhì)量的動能為：

式中：T′為彈簧在撞擊塊上的等效動能；mtz為彈簧在撞擊塊上的等效質(zhì)量。

根據(jù)能量等效原則，有：

于是有：

整理后積分得：

因此，在建立模型時，考慮蓄能彈簧各圈的質(zhì)量，只需將1/3彈簧質(zhì)量加到撞擊塊上［8］，即有：

式中：mz為撞擊塊質(zhì)量。

4.2 碰撞前動力

蓄能彈簧被壓縮后釋放，在撞擊塊與滑塊撞擊前對撞擊塊進行受力分析，如圖3所示。

▲圖3 撞擊前撞擊塊受力分析

取彈簧原長時的位置為坐標原點，撞擊塊的運動微分方程式為：

式中：f1為摩擦力；k1為彈簧的彈性系數(shù)；μ為摩擦因數(shù)；g為重力加速度。

在t0時刻，撞擊塊處于壓縮量的最大位置x10，速度為0，根據(jù)初值條件求解微分方程，可得撞擊塊在撞擊前位移隨時間變化的函數(shù)為：

對式（11）求導(dǎo)，可得撞擊塊速度隨時間變化的函數(shù)為：

同時，根據(jù)能量守恒定律可得：

以上各式確定了撞擊塊碰撞之前的運動狀態(tài)。設(shè)碰撞發(fā)生位置為x20，可求得碰撞開始時撞擊塊瞬時速度v1為：

4.3 碰撞時動力

撞擊塊與滑塊碰撞時的類型為剛體彈性正碰撞,且為瞬時碰撞，在很短的碰撞時間內(nèi)，加速度和碰撞力都很大，其位形的改變可忽略不計。撞擊時撞擊塊受力分析如圖4所示。

▲圖4 撞擊時撞擊塊受力分析

v1′為碰撞后撞擊塊速度，v2′為滑塊速度，m2為滑塊質(zhì)量，m3為撞桿質(zhì)量，已知鋼對鋼的恢復(fù)因數(shù)e為0.56,根據(jù)動量守恒定律，可得：

由恢復(fù)因數(shù)定義,可得：

聯(lián)立式（15）、式（16）,可得：

4.4 碰撞后動力

因為碰撞時間短,且碰撞后撞擊塊mz和滑塊m2分離,所以可簡化模型為受到碰撞力激勵的兩自由度受迫振動系統(tǒng)，如圖 5所示?；趫D5再通過軟件建模分析，可以得出振動參數(shù)， 其中 f2、f3為摩擦力，k2為彈簧彈性系數(shù)，x20、x30為彈簧變形量。

▲圖5 碰撞后動力分析

4.5 主要部件參數(shù)

通過上述公式，選取最佳方案，確定試驗裝置中蓄能彈簧、撞擊塊、滑塊等主要部件的參數(shù)［9］。蓄能彈簧參數(shù)見表1。

表1 蓄能彈簧參數(shù)

撞擊塊質(zhì)量為200 kg，滑塊質(zhì)量為27.8 kg，撞桿質(zhì)量為43.66 kg，蓄能彈簧采用兩根串聯(lián)為一組、六組并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。取彈簧原長為坐標原點,經(jīng)計算得到撞擊后撞擊塊和滑塊的速度,見表2。

表2 撞擊后撞擊塊和滑塊速度

5 裝置設(shè)計

5.1 機械結(jié)構(gòu)

彈丸高速擠進彈帶模擬試驗裝置機械結(jié)構(gòu)由主液壓缸、導(dǎo)柱、彈簧調(diào)節(jié)板、電動絞盤、副液壓缸、蓄能彈簧、脫鉤器、撞擊塊、滑塊、環(huán)形彈簧［10］、撞桿、截短的身管總成、彈丸、支架等組成，如圖6所示。

試驗裝置采用液壓作為動力，試驗時通過主液壓缸拉動撞擊塊蓄能彈簧，兩個副液壓缸調(diào)整撞擊位置，脫鉤器通過電動絞盤拉動釋放撞擊塊，之后，撞擊塊以高速撞擊滑塊。

5.2 液壓系統(tǒng)

▲圖6 彈丸高速擠進彈帶模擬試驗裝置機械結(jié)構(gòu)

在試驗裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計中，通過選取多種合適的液壓回路，確保液壓系統(tǒng)的性能可靠，如圖7所示。這一液壓系統(tǒng)的特點如下：①采用橋式同步回路實現(xiàn)兩個副液壓缸的同步動作；②采用閉鎖回路鎖定液壓缸，保證試驗中蓄能彈簧壓縮尺寸穩(wěn)定，提高試驗參數(shù)的準確性；③通過換向閥，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)無載荷啟動，提高系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)性能；④選用合適的液壓元器件，保證液壓系統(tǒng)的性能。

▲圖7 試驗裝置液壓系統(tǒng)

5.3 測控部分

試驗時，各項數(shù)據(jù)可通過安裝在撞桿及身管上的應(yīng)變片檢測計算得到，并通過高速攝像和計算得到撞擊時各運動體的速度。

6 結(jié)束語

彈丸高速擠進彈帶模擬試驗裝置通過高速碰撞，模擬火炮射擊時彈丸的受力狀況，通過拍照攝像和壓力檢測數(shù)據(jù)來分析彈丸的變形和運動狀態(tài)，可以較好地作為火炮教學(xué)和研究試驗裝置使用。