蘇高峰，薄玉成，王惠源，秦曉強

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

1 緩沖裝置的動力學(xué)模型

1.1 工作原理及特點

緩沖裝置主要指消耗和吸收自動機后坐能量，以減輕后坐撞擊的裝置[1]。不同的武器對緩沖裝置的性能要求不同，對于高射速武器，要求緩沖裝置將所吸收的能量盡量放出，以提高武器的復(fù)進速度和射速，高射速武器的緩沖裝置的設(shè)計不但要考慮首發(fā)后坐阻力，還要考慮連發(fā)時后坐阻力不能疊加的問題。而有些武器則要求緩沖裝置將所吸收的能量盡可能的消耗，以減小武器后坐時的撞擊，并降低射速。

1.2 基本假設(shè)條件

緩沖裝置的活動部件與后坐部分連接，相對不動部件和炮架固連，炮架上有導(dǎo)軌，自動機上、下及左、右是靠該導(dǎo)軌定位和支撐在炮架上。射擊時，自動機在膛底合力作用下后坐和復(fù)進運動，并通過緩沖裝置傳遞射擊時對炮架的作用力，即后坐阻力。影響后坐阻力的因素一般有：膛底壓力、后坐部分的質(zhì)量、火炮的結(jié)構(gòu)特性、炮架的剛度、緩沖減振器的性能和射速等。為了減小后坐阻力，需優(yōu)化緩沖裝置的性能。為了便于優(yōu)化設(shè)計，假設(shè)如下[1-3]：

1)后坐部分為絕對剛體，架座為剛性炮架。

2)忽略自動機內(nèi)部摩擦、撞擊等對能量的消耗。

3)假設(shè)彈丸作用于膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的力矩只在彈丸沿膛線運動時期起作用，對后坐方向上影響很小。

4)略去緩沖簧內(nèi)耗損失的能量，認為彈簧力隨位移呈線性變化，后坐時吸收的能量在復(fù)進時全部放出。

5) 火炮射擊時只沿Fpt方向后坐和復(fù)進，不左右擺動。

6) 膛底合力作用于炮管中心線上。

7) 緩沖簧力作用于緩沖裝置中心線上。

另外，需把上述由于搖架導(dǎo)軌與炮身、緩沖簧自身及其他后坐構(gòu)件之間的摩擦阻尼力FR簡化為一個與彈簧并聯(lián)的阻尼器，構(gòu)造一個拉壓彈簧阻尼器，這樣就把對某緩沖裝置的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為對拉壓彈簧阻尼器各參數(shù)的優(yōu)化，其動力學(xué)模型如圖1所示。

1.3 建立運動方程和實體模型

炮身后坐運動微分方程為:

ma=Fpt-FR

(1)

(2)

武器在緩沖裝置上的運動可分為后坐、復(fù)進、前沖和返回階段4個階段:

當x>0，v>0時為后坐階段可以表示為：

(3)

(4)

當x>0,v<0時為復(fù)進階段可以表示為：

(5)

(6)

當x<0,v<0時為前沖階段可以表示為：

(7)

(8)

當x<0,v>0為返回階段可以表示為：

(9)

(10)

對某轉(zhuǎn)管武器的簡化，用三維軟件Solidworks建立轉(zhuǎn)管武器實體模型，然后導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件ADAMS進行動力學(xué)分析。

2 確定需參數(shù)化的變量和優(yōu)化目標

2.1 確定設(shè)計變量

選擇參數(shù)化方式及變量,通過分析諸多因素，最終確定最主要的有3個：阻尼系數(shù)C、剛度k和預(yù)壓力F0。將射速換算成機匣的轉(zhuǎn)動速度，當射速為9 000發(fā)/分時,換算成機匣轉(zhuǎn)速為4 909.09(°)/s,為了便于分析，選擇將轉(zhuǎn)速作為驅(qū)動，連發(fā)射擊55發(fā)，射角θ=0°。根據(jù)轉(zhuǎn)管武器的設(shè)計經(jīng)驗，縮小其設(shè)計變量的區(qū)間范圍，所以設(shè)計變量參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 設(shè)計變量設(shè)置表

2.2 優(yōu)化目標的確定

對于高射速武器緩沖裝置的設(shè)計不但要考慮首發(fā)后坐阻力，還要考慮連發(fā)時后坐阻力不能疊加的問題，所以緩沖參數(shù)的選擇既要保證后坐阻力平穩(wěn)，又要保證自動機工作的穩(wěn)定性。參數(shù)優(yōu)化的目的是既要滿足連發(fā)時不疊加的較小的后坐阻力，同時速度又要滿足前沖時后坐，從而提高射擊精度。所以這里取后坐阻力為優(yōu)化目標，同時根據(jù)優(yōu)化仿真結(jié)果，適當調(diào)節(jié)參數(shù)滿足后坐位移和速度的匹配。

3 仿真分析結(jié)果與試驗

首先，分別考慮一個設(shè)計參數(shù)的變化對樣機性能的影響；其次，考慮多個設(shè)計參數(shù)同時變化對樣機性能的影響；再次，在給定變化范圍內(nèi)，獲得目標對象達到最優(yōu)值時的參數(shù)組合。具體過程如下：

3.1 敏感度分析[4]

以下是各設(shè)計變量在不同取值時，對后坐阻力的影響。

1)等效剛度對后坐阻力的影響。等效剛度k對后坐阻力的影響程度比較接近，尤其是在達到穩(wěn)定射頻時如圖2所示，后坐阻力對k的敏感度見表2。

2)等效阻尼系數(shù)對后坐阻力的影響。C對后坐阻力的影響見圖3，后坐阻力對C的敏感度見表3。

3)等效預(yù)壓力對后坐阻力的影響。F0對后坐阻力的影響程度比較，尤其是達到穩(wěn)定射頻時如圖4，后坐阻力對F0的敏感度見表4。

表2 后坐阻力對k的敏感度

表3 后坐阻力對C的敏感度

表4 后坐阻力對F0的敏感度

從以上分析可知，等效阻尼系數(shù)C的敏感度最高，因而其對后坐阻力的影響最大；彈簧剛度K和預(yù)壓力F0次之，雖然后坐阻力對兩者的敏感度很小且敏感度值差別不大，但也具有一定的影響。因此把C、K、F0作為狀態(tài)變量來進行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)ADAMS仿真評估分析、優(yōu)化緩沖簧的參數(shù)，最終確定緩沖簧剛度為5 500 N/mm、阻尼系數(shù)40 N·s/mm、預(yù)壓力5 000 N.仿真結(jié)果得到后坐位移13.1 mm，后坐阻力81.3 kN和較合適的后坐速度。仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，緩沖裝置將自動機后坐過程中所吸收的能量盡可能多地釋放出來，以提高自動機的復(fù)進速度，從而提高武器的射速，并且在后坐時前沖而抵消一定的后坐能量，使全炮在緩沖簧上的振動能很快衰減。在此基礎(chǔ)上發(fā)射下一發(fā)炮彈，后坐阻力將不會疊加，以保持連發(fā)后坐阻力的穩(wěn)定，提高射擊精度。

3.3 與連發(fā)試驗測試結(jié)果的對比

為了驗證動力學(xué)仿真分析的結(jié)果，用它與試驗測試結(jié)果對比，其各項指標對比結(jié)果見表5。

表5 試驗與仿真結(jié)果的對比

從結(jié)果對比和上述的仿真圖形中可以看出，通過參數(shù)優(yōu)化進行動力學(xué)分析的結(jié)果與試驗測得結(jié)果有所減小，且綜合性能指標較好，所以可以依據(jù)最優(yōu)參數(shù)值組合，進一步進行緩沖裝置的結(jié)構(gòu)尺寸改進和設(shè)計。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計與阻尼材料的選擇

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為等效阻尼系數(shù)對后坐阻力的敏感度很高，通過研究緩沖裝置阻尼系數(shù)與武器結(jié)構(gòu)、材料和沖擊等之間的關(guān)系，確定產(chǎn)生此阻尼系數(shù)的原因；總結(jié)現(xiàn)有的緩沖裝置的優(yōu)缺點，依據(jù)相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗,從而設(shè)計一個起阻尼作用的結(jié)構(gòu)與緩沖簧組合成一個彈簧阻尼式緩沖裝置，解決減小后坐阻力的實際問題。最終確定采用彈簧阻尼式緩沖裝置。具體結(jié)構(gòu)為：在緩沖裝置內(nèi)裝有若干個與運動方向垂直的彈簧，該簧始終向兩側(cè)頂住用特殊材料做成的摩擦塊，從而可消除由于磨損而造成摩擦力不穩(wěn)定的因素。當活動機件撞擊緩沖裝置體時，在壓縮緩沖簧的同時以及整個緩沖過程中，摩擦塊與緩沖筒壁均產(chǎn)生摩擦阻力，耗損的后坐能量比其他彈簧式緩沖裝置的多，這種緩沖裝置的作用原理可知它可吸收后坐總能量的60%～65%[5]，起到降低后坐阻力的目的。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.2 阻尼材料的選擇

總結(jié)各種阻尼特征值的表示方法，工程應(yīng)用中，這些表示及描述的不同公式之間，可以用下列公式建立起它們之間的聯(lián)系[6]：

(11)

式中：η為結(jié)構(gòu)損耗因子；ξ為阻尼比；C為粘性阻尼系數(shù)；Cc為臨界阻尼系數(shù)；δ為對數(shù)衰減率；Δt為衰減速度；fn為無阻尼固有頻率；T60為混響時間；Δf為半功率帶寬；|Q|max為共振點放大比。式中,C、Cc、δ、ξ等均適用于粘性阻尼的情況，本結(jié)構(gòu)中用到的是庫倫摩擦阻尼，需依據(jù)相關(guān)公式作進一步的折算。最終確定結(jié)構(gòu)損耗因子值在0.005～0.01之間的某一綜合特性比較好的耐磨材料作為阻尼材料。

5 結(jié) 論

1)通過ADAMS動力學(xué)仿真分析，能夠得到緩沖裝置較好的綜合性能指標，采用動力學(xué)仿真分析，可以減少試驗次數(shù)，大大加快產(chǎn)品的研制進程，并可節(jié)省大量的研制經(jīng)費。

2)通過與試驗結(jié)果的對比，驗證了動力學(xué)仿真的可行性和精確性，為進一步進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及阻尼材料的選擇提供了理論依據(jù)，進而通過設(shè)計解決進一步減小后坐阻力的實際問題。

3)通過上述簡化模型進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，得到與實際試驗相吻合的結(jié)果，從而得到后坐阻力的仿真數(shù)據(jù)，再把得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ADAMS中，可以對剛?cè)狁詈系娜谶M行系統(tǒng)振動特性分析，如進行射擊精度等方面的仿真分析。

參考文獻(References)

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