劉演龍, 王 雷

(1.海軍駐重慶地區(qū)軍事代表室,重慶 401120;2.海軍駐西安地區(qū)軍事代表室，陜西 西安 710043)

1 工作原理

根據(jù)自動(dòng)炮的進(jìn)彈方式不同，彈鏈節(jié)可分為開式彈鏈和閉式彈鏈兩種。閉式彈鏈節(jié)的抱彈部的橫截面為包角接近360°的圓環(huán)，炮彈只能從后方取出；開式彈鏈節(jié)的抱彈部不封閉，炮彈能夠從前方、下方或后方3個(gè)方向取出。在當(dāng)今高射速自動(dòng)炮中，通常采用開式彈鏈，縱向脫彈方式，以減小自動(dòng)機(jī)后坐距離，縮短自動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)間，達(dá)到提高射速的目的，一般炮彈是從彈鏈下方(縱向)脫出[1-2]。彈鏈節(jié)的脫彈力的大小將會(huì)影響到炮彈在脫彈時(shí)的難易程度。對(duì)于內(nèi)能源自動(dòng)炮來(lái)講，脫彈力大小的選定尤為重要，脫彈力過(guò)大，在脫彈過(guò)程中將過(guò)多的消耗自動(dòng)機(jī)的能量，降低自動(dòng)機(jī)的后坐與復(fù)進(jìn)速度，影響火炮的射速，甚至影響火炮射擊的連發(fā)性能；在供彈線路復(fù)雜、供彈線路長(zhǎng)的供彈系統(tǒng)中，彈鏈必須具有足夠大的脫彈力，以保證在供彈過(guò)程中不因鏈帶的抖動(dòng)而使炮彈發(fā)生脫落或移位。在某型艦炮的研制過(guò)程中，為保證艦炮射速的實(shí)現(xiàn)，減小自動(dòng)機(jī)的阻力，彈鏈脫彈力就選定較小，但該艦炮供彈系統(tǒng)線路長(zhǎng)而復(fù)雜，射擊試驗(yàn)時(shí)就多次出現(xiàn)炮彈從彈鏈內(nèi)脫落的故障，嚴(yán)重影響艦炮功能的實(shí)現(xiàn)。由此可見在彈鏈的研制過(guò)程中，對(duì)彈鏈節(jié)脫彈力的研究是十分必要的。

2 開式彈鏈的脫彈過(guò)程分析

2.1 彈鏈力學(xué)模型

為了便于從理論上分析開式彈鏈的脫彈過(guò)程，可把彈鏈節(jié)簡(jiǎn)化為開口圓弧形曲桿。曲桿的截面為矩形，其高度t等于彈鏈節(jié)厚度，寬度b沿曲桿長(zhǎng)度方向遞變。彈鏈節(jié)在自由狀態(tài)時(shí)半徑為R，脫彈過(guò)程中彈鏈節(jié)開口逐漸張大(如圖1所示)。

當(dāng)彈鏈從靜止抱彈狀態(tài)開始到脫彈結(jié)束，炮彈對(duì)彈鏈抱彈部施加一定的載荷，彈鏈抱彈部將產(chǎn)生彎矩[3]。為了便于研究，現(xiàn)可將脫彈過(guò)程中作用在彈鏈節(jié)單邊上的力轉(zhuǎn)化為其自由端的一個(gè)集中力P和切向力f，且P始終通過(guò)自由端曲率圓中心。由于彈鏈節(jié)截面為對(duì)稱y軸的一段圓弧，所以取一邊圓弧來(lái)分析不影響研究結(jié)果。

2.2 力學(xué)特性分析

如圖2所示，取曲桿上任一段AB，當(dāng)在B端施加力P和FQ時(shí)，曲桿各段都發(fā)生了彎曲變形，最終累計(jì)到B點(diǎn)，使得B點(diǎn)產(chǎn)生位移，因此可認(rèn)為在B段施加力P和f時(shí)，OA段進(jìn)行彎曲變形后AB段再以A′點(diǎn)為定點(diǎn)進(jìn)行了彎曲變形，最終整個(gè)曲桿達(dá)到了彎曲變形后的平衡。

2.3 建立曲桿的微分方程

曲桿彎曲變形平衡后，取曲桿上任意微段AB(如圖3所示)，N、Q和M分別為曲桿的法向力、切向力和彎矩。

將作用在微段上的力分別向微段變形后的切向和法向投影，建立平衡方程，并以A點(diǎn)為矩心建立力矩平衡方程：

(N+dN)cosφ-N-(Q+dQ)sinφ=0

(1)

(Q+dQ)cosφ-Q+(N+dN)sinφ=0

(2)

(3)

式中：k為dθ段曲桿的曲率;φ為該微段變形后的曲率圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角，由于曲桿發(fā)生了純彎曲變形，即在彎曲變形過(guò)程中沒(méi)有拉伸變長(zhǎng)，所以就有:

(4)

根據(jù)以上分析，略去二階以上微量，得到曲桿平衡方程組如下：

dN=QRkdθ

(5)

dQ=-NRkdθ

(6)

dM=QRdθ

(7)

2.4 建立物理方程

對(duì)于薄曲桿，橫截面上彎矩與曲率k之間的關(guān)系可用直梁平面彎曲理論來(lái)建立，由于彎矩使得曲桿曲率變小，于是該曲桿彎曲變形的物理方程為：

M=-EIk

(8)

式中：I為曲桿截面的軸慣性矩；b0為彈鏈節(jié)端點(diǎn)處的寬度；kx為彈鏈節(jié)寬度的變化率；E為彈鏈節(jié)材料彈性模量；t為彈鏈節(jié)材料厚度。

(9)

因?yàn)棣i是造成第i段彈性變形的力矩，那將式(7)代入整理得：

(10)

2.5 脫彈過(guò)程分析

2.5.1 脫彈過(guò)程力學(xué)分析

由于彈鏈節(jié)變形的對(duì)稱性，可將半個(gè)彈鏈節(jié)簡(jiǎn)化為一端固定，另外一端支承在固定點(diǎn)的階梯形圓弧曲桿，如圖2所示。脫彈時(shí)炮彈對(duì)彈鏈節(jié)作用了力P和f，將彈鏈節(jié)橫截面分為若干微段，每一微段變形前所對(duì)應(yīng)的圓心角為Δθ，根據(jù)(5)、(6)、(7)式可知彈鏈節(jié)上第i段AB都有：

ΔNi=Qi-1RkiΔθ

(11)

ΔQi=-Ni-1RkiΔθ

(12)

ΔMi=QiRΔθ

(13)

又有：

Ni=Ni-1+ΔNi

(14)

Qi=Qi-1+ΔQi

(15)

式中：i=1，2，…，n。N0=f=Pu,Q0=P

又由式(10)可知：

(16)

2.5.2 脫彈過(guò)程幾何分析

根據(jù)彈鏈節(jié)在坐標(biāo)系中的位置及三角關(guān)系可求的B點(diǎn)坐標(biāo)(xB，yB)：

當(dāng)xA=xoi+1時(shí)，AOi+1為鉛直線：

采用這種計(jì)算方法，可從固定點(diǎn)開始，逐漸推算到端點(diǎn)的坐標(biāo)(xD，yD)，其中yD就是脫彈過(guò)程中彈鏈開口尺寸的二分之一。

當(dāng)yD≥R時(shí)，可認(rèn)為脫彈過(guò)程結(jié)束。

2.6 脫彈力

如圖5所示，將P和f投影到水平方向上，則有：

即：F=2Psinαi+2fcosα1=2P(sinα1+ucosα1)

其中F為與脫彈力方向相反、大小相等的力，α1為彈鏈節(jié)末端的傾斜角。根據(jù)前面的分析可知：給定一個(gè)P值就能唯一確定一組k值，這組k值唯一確定了彈鏈節(jié)在P的作用下平衡后的幾何狀態(tài)，即確定了α1(具體值可根據(jù)彈鏈節(jié)計(jì)算過(guò)程中的最后兩點(diǎn)的坐標(biāo)求得)和一個(gè)脫彈過(guò)程開口尺寸2yD；而P與α1最終確定了脫彈力F，顯然脫彈力F與彈鏈節(jié)脫彈過(guò)程開口尺寸2yD是一一對(duì)應(yīng)的，因此可改變P來(lái)求得整個(gè)彈鏈脫彈過(guò)程中F和yD的關(guān)系。

3 算 例

以某型艦炮彈鏈為例，將彈鏈結(jié)構(gòu)參數(shù)和最大彈帶阻力P代入上節(jié)計(jì)算程序中進(jìn)行脫彈力F計(jì)算，并改變?cè)搹楁湹拈_口尺寸和彈鏈材料厚度，計(jì)算結(jié)果繪成曲線示于圖6和圖7中。

由圖6和圖7可以看出，彈鏈材料壁厚越大，脫鏈力越大，彈鏈開口尺寸越小，脫鏈力越大。

為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性和解決射擊時(shí)彈鏈掉彈的故障，采用調(diào)整彈鏈的開口尺寸，彈鏈的其他有關(guān)參數(shù)保持不變的方法，將彈鏈前爪脫彈力從600～900 N提高到1 000 N以上，整體脫彈力從1 800 N提高到2 100 N以上。理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 某型彈鏈開口尺寸調(diào)整前后前爪脫彈力對(duì)照表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)開式彈鏈的脫彈過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，得出了影響彈鏈脫彈力的兩個(gè)重要因素(厚度和開口尺寸)，并結(jié)合某型艦炮研制中為解決彈鏈掉彈故障，通過(guò)改變彈鏈材料的厚度和彈鏈的開口尺寸來(lái)調(diào)整彈鏈的脫彈力，進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為該型彈鏈的研制提供了重要的理論支持，在實(shí)踐中采用改變彈鏈開口尺寸的方法，其實(shí)踐結(jié)果與理論計(jì)算相吻合，圓滿的解決了某型艦炮研制中出現(xiàn)的掉彈故障，同時(shí)這種研究方法為同類型開式彈鏈的研究提供了理論依據(jù)。

[1] 戴成勛. 自動(dòng)武器設(shè)計(jì)新編[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1990:35-38.

DAI Cheng-xun.The newly organized of automatic weapon design[M]. Beijing:National Defense Industry Press,1990:35-38. (in Chinese)

[2] 馬福球，陳運(yùn)生，朵英賢.火炮與自動(dòng)武器[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2003:76-83.

MA Fu-qiu，CHENG Yun-sheng，DUO Ying-xian.Gun and automatic weapone[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press,2003:76-83.(in Chinese)

[3] 劉鴻文.材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社,2004:187-193.

LIU Hong-wen. Mechanics of materials[M].Beijing:Higher Education Press,2004: 187-193.(in Chinese)