炮射彈藥滑動導帶環結構設計

劉 猛，潘明然，高志斌，郭明珠，楊 瑩，倪慶杰

(1 沈陽工學院，沈陽 110000；2 遼沈工業集團有限公司，沈陽 110045)

0 引言

隨著精確打擊彈藥在戰爭中的地位不斷提高，美俄等軍事強國以中大口徑身管火炮為平臺，大力發展可兼容射擊的制導彈藥[1]，由于較高的離心過載對制導炮彈采用的敏感測量器件、電控器件影響較大，對制導控制影響也較大，因此目前的制導炮彈均采用滑動導帶減旋技術，減小彈丸的出炮口轉速，采用尾翼穩定裝置來保證彈丸飛行穩定。制導炮彈滑動導帶減旋技術是常規彈藥制導化的關鍵技術之一，其穩定工作是武器系統制導、控制部件正常作用的前提。滑動導帶環由滑動導帶體和鑲嵌在導帶體上的導帶組成。發射時，嵌入膛線的滑動導帶環做高速旋轉，彈體在與滑動導帶環接觸面的摩擦力矩作用下微旋，滑動導帶環同時閉住高壓火藥氣體，避免對火炮身管內膛和彈丸導帶前部的沖刷。

滑動導帶環工作環境及工作過程相對制式彈藥的導帶復雜很多，且目前國內尚無成熟、完善的工作過程理論分析及計算方法。文中對線膛火炮發射彈藥的三圓孔式滑動導帶環結構形式、作用原理進行分析研究和試驗驗證，提出了滑動導帶環設計需要關注的幾個問題。

1 三圓孔式導帶環的結構形式及作用原理

1.1 結構形式

三圓孔式導帶環結構如圖1所示。三圓孔式導帶環由滑動導帶體和銅質導帶組成，滑動導帶體內徑由3個直徑不同的圓柱體組成[2]。滑動導帶體選用高強度合金鋼，環上鑲嵌銅質導帶。根據減旋需要，滑動導帶環前端面可涂不同的潤滑涂層，以減小滑動導帶環與彈體之間的摩擦力，達到降低彈丸轉速的目的。

三圓孔式導帶環主要有兩個作用：其一為閉氣，同時在滑動導帶環內徑與彈體間形成氣室，減小滑動導帶環與彈體的相互碰撞；其二為減旋，需要圓環內徑與彈體留有一定的間隙，以達到減旋效果；同時要控制好圖1中的B，C面以及G，D面的尺寸間隙，保證可靠閉氣。

圖1 三圓孔式彈帶環結構圖

1.2 工作原理

內圓柱設計成三段式是保證滑動導帶環與彈體間進入火藥氣體。彈丸入膛時，滑動導帶環的H面嵌入膛線，此時火藥還沒作用，滑動導帶環向后移動，C面接觸。發射藥開始作用，隨著壓力逐漸增大，推動彈丸向前運動，此時導帶已經進入膛線，導帶的軸向剪切力逐漸減小，作用在滑動導帶環上的力主要有火藥氣體的推力、滑動導帶環的直線后座力以及導帶與火炮膛線的摩擦力，從設計上要保證火藥氣體的推力大于滑動導帶環的直線后座力以及導帶與膛線的摩擦力，滑動導帶向前運動，A面接觸，通過摩擦力矩帶動彈體旋轉。這樣就避免滑動導帶環在膛內擠進及運動過程中與彈體接觸，從而對彈體產生撞擊，減小彈丸的飛行抖動。

2 仿真分析

2.1 滑動導帶環強度分析

導帶擠進膛線時，滑動導帶體受力最大，此時要保證滑動導帶體的強度滿足要求，銅質導帶的強度要滿足導轉的要求。

2.1.1 計算導帶擠入膛線的壓力

銅質導帶的擠進壓力是校核導帶環強度的基礎。導帶擠進壓力有試驗測定和工程計算兩種方法[3]。滑動導帶環的導帶擠進壓力計算沒有成熟方法，文中以某產品為例，利用文獻[2]給出的常規炮彈導帶壓力計算公式，計算滑動導帶環的導帶擠入膛線[4]的壓力。

滑動導帶所受局部載荷Pb1與滑動導帶變形ω0的關系式為：

Pb1=A0+B0ω0

(1)

式中：A0，B0是與滑動導帶材料有關的系數，分別為：

(2)

(3)

其中系數0.94是對目前各種榴彈適用的系數；K值為由殼體理論推導出來的變形與載荷關系的系數，在導帶不是彈底位置情況下:

(4)

式中β由彈性理論得出：

(5)

其次求出導帶壓力的傳遞關系。由導帶的大變形規律可以導出：

Pb-Pb1=A1+B1ω0

(6)

式中A1，B1是與導帶材料有關的系數。

(7)

(8)

最后再求滑動導帶壓力與導帶變形的關系。假設導帶充滿火炮膛線，可得：

Pb=A2-B2ω0

(9)

其中A2，B2也是與導帶尺寸、材料有關的系數。

(10)

(11)

綜合上述公式，求得：

(12)

式(1)～式(12)中的符號分別表示：r0為導帶區滑動導帶環中間半徑;h0為滑動導帶環導帶區壁厚;E0為滑動導帶環彈性模量;λ0為滑動導帶環的強化參數;δs0為滑動導帶環的屈服強度;ω0為滑動導帶環壓縮變形，半徑上的位移量;ra1為導帶內半徑;rb1為導帶外半徑;h1為導帶厚度;b為導帶寬度;E1為導帶彈性模量;λ1為導帶的強化參數;σs1為導帶的屈服強度。

根據以上計算公式，代入相關數據，計算某彈滑動導帶環的擠進壓力為Pb=289 MPa。

2.1.2 滑動導帶體強度仿真分析

已知導帶的擠進壓力，利用ANSYS軟件對滑動導帶體進行結構強度仿真分析。計算模型如圖2所示。

圖2 滑動導帶體仿真模型

假設條件：滑動導帶體前端面壓在彈體上；某產品的導帶擠進壓力為289 MPa，火藥氣體壓力取起動時的壓力40 MPa。

經過仿真分析，滑動導帶體最大變形量為0.18 mm，最大等效應力為980 MPa，因此要求滑動導帶體的屈服強度大于980 MPa，結果如圖3、圖4所示。

圖3 滑動導帶體形變圖

圖4 滑動導帶體前端面應力圖(前端面與彈體接觸)

2.1.3 銅質導帶的強度校核

作用在導帶上的壓力為：

(13)

式中：N為導轉側力；Bts為導帶受力面積。

對于等齊膛線

(14)

經換算得：

(15)

導帶的抗壓強度條件為：

σ≤[σ]

(16)

式中：[σ]為導帶的抗壓強度許可值。

導帶凸起部受到的剪切應力為：

(17)

對于等齊膛線

(18)

導帶的剪切強度條件為：

τ≤[τ]

(19)

式中[τ]為導帶的抗壓強度許可值。

代入某彈的數據，銅質導帶的膛內強度校核計算結果如表1所示。由計算結果可知，導帶滿足擠進及剪切強度要求。

表1 導帶膛內強度校核計算結果 單位：MPa

2.2 滑動導帶環與彈體的接觸力分析

為了實現滑動導帶的減旋效果，要保證滑動導帶環在膛內運動時，前端與彈體接觸。這樣在結構尺寸設計時，需保證火藥氣體對滑動導帶環的推力大于滑動導帶環的直線后座力和摩擦力之和。

滑動導帶環與彈體之間的相互作用力Q的計算公式為[1]:

(20)

F=f·N

(21)

式中：rcp為考慮火炮膛線時，炮膛斷面的換算半徑;P為膛壓;ra為滑動導帶環內表面半徑;m為彈丸質量;mb為滑動導帶質量;F為導帶對火炮膛壁的摩擦力(即由導帶側壓和導帶壓力所產生的總摩擦力);f為摩擦系數，本產品為鋼與銅的摩擦系數，取0.21；N為導轉側力，公式為：

(22)

式中：Jx為彈丸的極轉動慣量;n為膛線條數；α為火炮纏角。

以某產品的滑動導帶環為例，代入相關數據，計算出相互作用力為Q=924 658 N。

2.3 彈丸轉速估算

采用彈丸轉速計算公式，計算由摩擦力矩產生的彈丸轉速。

根據滑動導帶環與彈體之間的作用力Q引起的摩擦力矩M為：

(23)

式中：rh為彈底壓螺外半徑；f1為滑動導帶環與彈體間的摩擦力。鋼與鋼之間的摩擦系數為0.15,根據需要，可以增加潤滑涂層，摩擦系數可以達到0.05以下。

(24)

為了便于積分，近似取平均膛壓Pcp及平均摩擦力Fcp代替公式中的P和F,從而有：

(25)

式中，tg為彈丸沿炮膛運動的時間。

(26)

式中，lg為彈丸沿炮膛運動的全行程。

(27)

以某彈的滑動導帶環為例，計算彈丸的最小炮口轉速[5]為：

ωmin=7.1 r/s

由計算結果可知，如果滑動導帶環設計理想，理論上該彈的炮口最小轉速可以達到7 r/s左右。但由于有其它因素的影響，尤其代入計算的Fcp與真實的數據有出入，滑動導帶環與彈體接觸面的光潔程度也有差別，目前測得實際的轉速要比計算的略高。

3 試驗驗證

某產品的滑動導帶環設計成三圓孔式結構。在初速為500 m/s時，理論計算的最小炮口轉速為7 r/s，實測轉速為15.4 r/s，滿足制導控制要求。檢查回收的滑動導帶環，前端面有與彈體的摩擦痕跡，滑動導帶環內及前端面無火藥氣體沖刷痕跡，說明閉氣效果良好，如圖5所示。

圖5 試驗用滑動導帶環結構示意圖

4 結論

給出了該產品滑動導帶體強度與銅制導帶強度的計算方法，并且介紹了轉速的理論計算方法，通過計算與仿真，得出該滑動導帶環的結構強度滿足設計要求，減旋與閉氣效果滿足設計要求，同時進行了試驗，試驗發現：1)滑動導帶環滿足擠進膛線時的強度要求以及膛內運動的正確性要求。2)保證三圓孔結構的配合間隙尺寸，使滑動導帶環與彈體之間有氣室存在，避免滑動導帶與彈體磕碰，減小彈丸的飛行抖動。3)通過調整起始接觸面和表面涂覆種類進行交叉組合對比驗證得出，滑動導帶前端面起主要轉速影響作用。4)滑動導帶閉氣效果與各部分的尺寸間隙設計有關，驗證了前期理論計算與仿真的正確性。