輕量型艦炮平衡機技術研究

劉 昕

（駐齊齊哈爾地區軍事代表室，黑龍江 齊齊哈爾 116000）

引言

某輕量型艦炮基于現代海軍艦船的多樣性發展趨勢，進行了無封艙件改進設計。設計減重過程中考慮了艦炮發射系統對耳軸的力矩及其影響，提出了平衡機設計方案，優化不平衡力矩對艦炮射擊和艦船穩定航行都有重要的意義。

1 艦炮射擊時的受力分析

艦炮在射擊時會在火藥燃氣的作用下產生炮膛合力Fpt，與艦炮后坐運動的慣性力構成后坐阻力Fr[1]，Fr與火線高H會使艦炮產生向后翻轉的顛覆力矩，艦炮后坐的穩定條件是使艦炮穩定力矩大于射擊過程中的顛覆力矩[2]。

降低火線高是減小顛覆力矩的有效辦法，火線高由H降低后，為保證艦炮高角時搖架不與轉臺干涉，需將耳軸后移。耳軸的移動導致發射系統對耳軸的重力矩增大，該力矩使艦炮高角運動時高低手輪力增加，低角射擊時，重力矩在高低機齒弧齒輪之間產生沖擊和振動。為解決上述情況，需增加平衡機來降低艦炮對耳軸的力矩。

2 平衡裝置理論計算

根據艦炮總體結構布置，可選用拉式平衡機，與俯仰部分的連接點在搖架末端，平衡機置于轉臺平面下方，與轉臺固定把合，力學模型見圖1。

通過力學模型圖可知：

O點為搖架上耳軸中心；P點為平衡機平面蝸卷彈簧的轉動中心；

W點為俯仰部分質心；D點為彈箱的質心；θ為艦炮射角；

圖1 平衡機力學模型圖（mm）

A、A'點為搖架上平衡機力的作用點，其中A'為射角為θ時的作用點；

B、B'點為平衡機上平衡機力作用點，其中B'為射角為θ時的作用點；

H"、H'點為耳軸中心O對AB的垂足。

分析可知：AB即為平衡機力的作用線，OH"為平衡機力到耳軸的距離，設平衡機在AB上的作用力為F，OH"的長度為h，則平衡機對耳軸的提供的力矩為：

由俯仰部分的運動軌跡可知，B點、H"點的位置隨射角射角θ而變化，平衡機通過控制各個射角對耳軸的平衡機力矩來平衡重力矩。

2.1 平衡機力學模型的解算

以射角θ=0°時為設計起點，以θ=-15°～85°為設計范圍進行計算。解算△AOP、△AOB可得AB隨射角變化的值；解算△BOP、△BHO可得平衡機力作用線到耳軸的距離OH"。計算結果如下頁表1。

2.2 求解平衡機力

平衡機對耳軸的力矩W應與重力矩相等，算得重力矩后，各射角下，平衡機作用線到耳軸的距離為OH"（θ）=h，則可知，平衡機所需的平衡機力為：

表1 平衡機設計輸入參數

設平衡機所用的滑輪半徑為BP=r，則平衡機需要提供的扭矩為：

根據公式2、3可算得平衡機設計力矩。

2.3 儲能裝置設計

因俯仰角度在-15°～85°之間，選用普通彈簧不利于整體結構布置，平面蝸卷彈簧能有效解決該問題：其一端固定，另一端在平面內產生扭轉，輸出扭矩。根據整體空間，選擇設置16根相同的彈簧進行設計。

1）彈簧厚度據平面蝸卷彈簧公式可算得：

2）平面蝸卷彈簧在全射角范圍內的工作圈數：

3）平面蝸卷彈簧的長度：

4）平面蝸卷彈簧總長：

5）彈簧節距：

綜上，平面蝸卷彈簧的設計參數（見表2）。

表2 平面蝸卷彈簧設計參數表

3 平衡裝置的設計驗證

當艦炮射擊時，后坐部分運動引起質心的變化，重力矩與平衡機的共同作用下，對對耳軸的力矩曲線見圖2，空載極值為-3 342 Nm，滿載極值為-4 603 Nm。在戰斗工況下，反向不平衡力矩過大，需對彈簧的設計參數進行調整。

圖2 后坐到位時艦炮各射角對耳軸的力矩

4 優化結果

力矩變化的極值出現在彈箱滿載，且后坐距離最長時，因此降低彈簧剛度能改善該種狀況。經調整計算，彈簧參數如下（見表3）。

表3 平面蝸卷彈簧設計參數表

經參數修正后，艦炮對耳軸的力矩極值變小。滿載工況下力矩變化曲線見圖3，艦炮在勤務狀態下，高低手輪力最大值58 N。

圖3 彈箱空載時不平衡力矩隨后坐位移和射角的變化圖

5 結論

本文對某輕量化艦炮基于渦卷彈簧設計的平衡機進行了計算、驗證和優化，通過平衡裝置的參數控制實現了耳軸不平衡力矩的合理分配。結論如下：

1）平衡裝置采用的平面蝸卷彈簧剛度大、占用空間小，適合輕量型產品安裝使用。

2）該平衡機技術在火線高降低后，能有效降低艦炮的顛覆力矩，有利于艦炮的射擊穩定。

3）平衡機技術通過參數控制后，合理分配不平衡力矩，保障射擊時的艦炮穩定和勤務狀態時的輕便使用，參數設計能為平衡裝置設計提供一定的參考[3]。