新型復合結構滑動式彈帶設計與仿真研究

馮可華,楊 瑩,章若晨,宋付軍,徐 丹

(江蘇永豐機械有限責任公司,江蘇 南京 210014)

彈丸彈帶擠進膛線過程作為線膛火炮發射的起始過程,其受力過程十分復雜,因此在整個內彈道過程中占有重要地位。對于線膛火炮的發射過程,彈帶沿膛線運動并形成刻痕,為彈丸的旋轉提供導向作用,并且沿膛線運動時密閉火藥氣體。常用的金屬彈帶對炮膛磨損較大,為減少磨損,降低制造成本,研制用塑料彈帶代替金屬彈帶。對于某型無后坐力線膛炮武器系統研制配用的尾翼穩定破甲彈,如果該彈丸采用固定式彈帶在膛線導向下會產生很高的轉速,盡管這有利于保證彈丸的飛行穩定性,但是從破甲戰斗部威力發揮方面考慮,轉速過高,會導致金屬射流離散,降低戰斗部的破甲威力,因此,需要對彈丸進行減旋,使其轉速能夠穩定且不大于2 000 r/min。目前常采用滑動式彈帶結構來對線膛炮發射的彈丸進行減旋,其減旋原理為:當彈丸沿膛線導轉時,彈帶外側嵌入膛線旋轉,同時彈帶內側與彈丸在摩擦力的作用下旋轉,從而使彈丸轉速大大降低。

程斌等將尼龍材料作為氣體炮使用的彈帶,并通過有限元分析不同寬度以及不同條數的彈帶擠進過程,相關研究表明,雙排彈帶的結構設計優于單排。許耀峰等運用數值模擬方法分析了大口徑火炮膛線結構對滑動彈帶彈丸膛內運動的影響,確定了大口徑火炮膛線結構對滑動彈帶彈丸膛內運動的影響關系。唐春紅等對武器發射彈體內塑料彈帶強度進行分析,建立了有限元模型,并對其進行優化設計。馬明迪等建立了彈丸身管耦合系統動力學模型,結果表明,仿真與實彈射擊的彈帶變形一致性較好。綜上所述,目前較少涉及雙層或多層彈帶作用過程的研究。

1 彈帶結構設計

某型無后坐力線膛炮屬編配于步兵班的輕型武器系統,要求質量輕、壽命長,火炮采用了新型輕質材料,根據現有膛線結構參數以及彈丸初速等條件,經理論計算,彈丸轉速高達4 000 r/min。因此,需采用滑動式彈帶以降低彈丸轉速,保證戰斗部威力,同時也有利于保證火炮設計要求。

目前,滑動式彈帶結構以單層金屬或塑料彈帶為主。而金屬彈帶嵌入膛線后對火炮身管磨損嚴重,會降低火炮壽命,且火藥氣密性差。因此,在滑動彈帶設計的初期,設計人員采用了單層塑料滑動式結構,先后選用了尼龍1010、增強尼龍610材料,并調整了彈帶和彈帶槽的寬度等結構尺寸。試驗過程中出現了彈帶強度不足、變形嚴重,彈丸減旋效果差、跳動大、飛行不穩定,低溫時出現漏氣等現象。單層塑料彈帶減旋后的彈丸平均轉速為2 000～2 500 r/min,極差大且不滿足轉速小于2 000 r/min的設計要求。

經分析,單層塑料彈帶產生的嚴重變形導致彈丸減旋效果不理想。針對這種情況,設計人員擬采用雙層塑料滑動式彈帶的改進方案(見圖1)。雙層塑料滑動式彈帶由內層和外層組成,內層彈帶套裝在彈體上,外層彈帶與內層彈帶間隙配合,可周向旋轉。

圖1 雙層滑動式彈帶結構(半剖圖)

2 雙層塑料滑動式彈帶的試驗及仿真

塑料滑動式彈帶對彈丸減旋的影響因素主要有彈帶材料與身管材料的摩擦系數、摩擦作用時間、彈帶承受壓力與滑動速度之積等。

根據摩擦機理分析,外層彈帶帶動內層彈帶并由內層彈帶帶動彈丸轉動。外層彈帶與內層彈帶轉動初始時發生的是干摩擦,隨著彈帶的繼續擠進,摩擦作用時間不斷增加,滑動速度不斷加大,滑動速度與承受壓力的乘積不斷變大,外層彈帶表面與內層彈帶表面之間出現較薄的熔化層,此時,外層彈帶與內層彈帶之間由干摩擦轉變為滑動摩擦,摩擦系數變小,雙層彈帶的受力減小,變形改善,從而使彈丸的減旋顯著。

2.1 試驗驗證

對圖1雙層塑料滑動式彈帶進行試制與試驗。試驗彈為填砂彈,采用彈道炮發射,藥溫(20±2)℃。雙層塑料滑動式彈帶的內彈帶選用聚丙烯材料,外彈帶選用含油尼龍材料。距炮口一定距離布置天幕靶測速和馬糞紙靶測轉速。試驗后回收的滑動彈帶見圖2。試驗結果見表1。

圖2 試驗回收的滑動彈帶

表1 雙層含尼龍彈帶環方案的試驗數據表

試驗彈共3發,平均轉速為1 949 r/min,轉速極差為110 r/min。試驗結果基本滿足了該無后坐力線膛炮發射尾翼穩定破甲彈的要求。觀察回收的彈帶,發現外層彈帶的外表面有較大的磨損和不均勻的黑色部位。經分析,彈帶擠入膛線后,盡管外層彈帶與內層彈帶之間出現了較薄的熔化層,但外層彈帶的受力依然偏大,使得外層彈帶發生了變形,并產生了燒蝕。針對這種情況,設計人員對雙層塑料彈帶擠進膛線時進行了受力仿真分析,為后續的改進方案提供參考依據。

2.2 仿真模擬方案

1)身管有限元模型建立和網格劃分。

以某型無后坐力線膛炮(無坡膛)為研究對象,選用SIMULATION軟件,綜合考慮網格尺寸的敏感度,網格大小為1.4 mm,采用四節點四面體單元,單元數為67 534個,根據受力情況對身管施加相應載荷,并進行計算。身管膛線圖如圖3所示。彈丸在擠進過程中受力復雜,有彈帶的塑性變形阻力、彈帶與身管之間的摩擦力、彈底所受的火藥燃氣壓力等。仿真過程中將身管作鋼體處理,并取膛線一小段建立身管模型。其中炮管材料為PCrNi3MoVA,彈體材料為35CrNiMoVA,彈帶選擇塑料中的一種尼龍材料,材料模型及參數采用文獻[5-6,9-12]。彈帶初始狀態與坡膛緊貼,彈帶與身管同軸,達到擠進壓力后彈丸彈帶開始擠進。

圖3 身管膛線圖

2)彈帶網格劃分和模型建立。

彈帶采用了雙層塑料滑動式設計(見圖4),外層彈帶材料為含油尼龍,內層彈帶分別采用聚丙烯材料。彈丸減旋和其在整個身管內的運動有關,一方面在膛內由起始發射逐步到炮口加速到最大初速,另一方面隨著彈帶擠入膛線,彈丸在膛內旋轉并受彈帶作用產生減旋。本文主要研究彈帶的減旋過程,彈帶擠進膛線后即產生減旋作用,在彈丸向炮口的運動過程中,外層彈帶與內層彈帶之間由干摩擦轉變為滑動摩擦,總體受力情況處于相對穩定狀態。比較后認為,彈帶在擠進膛線時產生的變形是影響彈丸減旋效果的最主要因素。因此,對整個身管段作簡化處理,僅選取彈帶在擠進身管時的一小段作應力應變分析。在SIMULATION分析中,主要考慮彈帶擠進時受到的火藥氣體推力、膛線與彈帶之間的摩擦力、作用過程中環境溫度。設置火藥氣體壓力為50 MPa,摩擦系數為0.15,環境溫度15 ℃,身管與彈帶之間的接觸定義為允許貫通。對彈帶進行網格劃分,采用四節點四面體單元,單元數量為19 456個,根據彈帶受力情況添加相應的載荷并進行計算。滑動彈帶網格劃分圖見圖5。

圖4 雙層塑料滑動式彈帶圖

圖5 雙層塑料滑動式彈帶網格劃分圖

2.3 仿真結果分析

含油尼龍外環的雙層塑料滑動式彈帶在火炮膛內應變、應力云圖如圖6、圖7所示。

由圖6可以看出,彈丸運動過程中,彈帶與身管膛線接觸,隨著彈丸的運動,彈帶被壓入膛線,膛內發生擠壓變形。外層彈帶為主要受力件,所受應力較大,在彈丸內彈道過程中應變不穩定。

圖6 含油尼龍外環滑動式彈帶膛內應變情況

為進一步驗證其結果,現將內層彈帶與外層彈帶分別進行應變情況仿真分析。由圖7可知,與上述分析情況相吻合,外層彈帶所受應力較內層彈帶要大。

圖7 雙層塑料內層彈帶與外層彈帶所受應力情況

因此,該設計對彈丸出膛后轉速及其穩定性仍存在一定影響。外層彈帶采用含油尼龍材料,雖然能夠改善與火炮身管之間的潤滑效果及降低摩擦系數,但由于外層彈帶為主要受力件,受到的應力較大,導致其變形量仍然較大,與回收的滑動彈帶膛線印痕明顯相符。因此,需進一步改善外層彈帶結構。

3 方案改進設計與分析

3.1 改進設計

由前述仿真和試驗結果可知,外層彈帶為主要受力件,變形較大。考慮進行結構優化,增加彈帶層數,以降低受力,進而減小彈帶變形。在借鑒雙層彈帶結構方案及試驗驗證的基礎上進行調研、分析,設計了一種3層復合結構滑動式彈帶(見圖8),由塑料外層彈帶、塑料內層彈帶和金屬內襯彈帶組成。金屬內襯彈帶選用30CrMnSi材料,鑲嵌到內層彈帶里與其組合成一體,內層塑料彈帶選用聚丙烯材料。內層彈帶和外層彈帶間隙配合,并涂抹硅油潤滑,外層塑料彈帶選用含二硫化鉬固體潤滑劑的尼龍材料,內、外層彈帶徑向間隙在0.15～0.3 mm。改進設計的主要目的是利用塑料材料良好的延展性和較小的動摩擦系數,能夠進一步降低彈帶對火炮膛線的磨損和減小彈丸的炮口轉速;同時,利用金屬材料的高強度、耐磨性和高、低溫機械穩定性,也可以進一步改善高、低溫條件下的彈炮間隙,減小彈丸初速跳動。

圖8 3層復合結構滑動式彈帶

3.2 改進方案的仿真分析

3層復合結構滑動式彈帶,膛內應變如圖9所示。

圖9 3層復合結構滑動式彈帶膛內應變情況

由圖9可知,3層復合結構滑動式彈帶在彈丸運動過程中所受膛線的應變明顯小于雙層滑動式彈帶。其原因是由于3層復合結構滑動式彈帶中鑲嵌的金屬內襯在彈丸運動過程中成為了主要的受力件,有效降低了外層彈帶所受的應力。為進一步驗證其分析結果,將3層復合結構滑動式彈帶方案的各彈帶層進行仿真對比。由圖10可知,與上述分析情況相吻合。

圖10 3層復合結構滑動式彈帶各層彈帶的應力情況

4 結束語

經對不同材料及結構的滑動式彈帶進行仿真分析與試驗驗證,雙層塑料滑動式彈帶使彈丸轉速由原4 000 r/min下降到1 949 r/min,降低了51.3%。轉速極差為110 r/min,轉速穩定性得到明顯改善,基本滿足了某型無后坐力線膛炮發射尾翼穩定破甲彈的要求。

在雙層塑料滑動式彈帶的基礎上設計了3層復合結構滑動式彈帶方案,仿真結果表明,在彈丸運動過程中彈帶所受應變明顯小于雙層結構滑動式彈帶方案,達到了優化的目的。