蘇忠亭，徐 達(dá)，張春林，胡俊彪，張學(xué)新

（1.裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072；2.中國人民解放軍駐5413廠軍代室，河北 石家莊 050031；3.總裝備部 裝甲兵軍事代表局，北京 100851）

射擊精度是火炮的重要性能指標(biāo)，炮口擾動是影響及表征射擊精度的主要因素之一.文獻(xiàn)［1－2］研究了車輛懸掛特性、后坐質(zhì)量偏心、炮塔座圈接觸剛度和高低機(jī)齒輪齒弧接觸剛度等對火炮射擊過程中炮口擾動的影響及規(guī)律.通過分析火炮射擊載荷的傳遞路徑可知，火炮搖架通過耳軸與炮塔連結(jié)，為使搖架俯仰靈活，耳軸采用某型滾柱軸承，內(nèi)滾道與搖架固定并緊密連結(jié)，外滾道與炮塔固定并緊密連結(jié)，在俯仰力矩作用下，滾子可在內(nèi)外滾道間滾動［3］，以實(shí)現(xiàn)自動炮高低俯仰.在自動炮射擊過程中，在射擊載荷的作用下，耳軸軸承滾子與內(nèi)外滾道之間存在射擊方向上的徑向碰撞，由于滾子與滾道之間的間隙，使接觸剛度存在非線性沖擊，根據(jù)大量的火炮射擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知耳軸軸承為射擊載荷重要的承載件，耳軸接觸非線性對射擊精度有重要的影響.本文深入挖掘含間隙耳軸軸承滾子與滾道之間的接觸特性，對軸承非線性進(jìn)行參數(shù)辨識，分析其在自動炮發(fā)射過程中的動態(tài)響應(yīng)特性，并對間隙特性對炮口擾動的影響進(jìn)行了分析.

1 自動炮發(fā)射動力學(xué)仿真模型

1.1 基本假設(shè)

根據(jù)自動炮機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律和停止間射擊過程中各機(jī)構(gòu)動力關(guān)系，作如下假設(shè)［4］：

（1）自動炮身管和主炮身管為柔性體，其余作剛性處理.

（2）不計(jì)彈炮耦合、動力系統(tǒng)、供輸彈系統(tǒng)振動影響，將供輸彈機(jī)構(gòu)、火控系統(tǒng)、觀瞄系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)等部件簡化為配重，將質(zhì)量差值進(jìn)行補(bǔ)償.

（3）邊界條件為主動輪制動，懸掛不閉鎖，高低、方向射角0°、常溫穿甲彈射擊.

1.2 炮身管有限元模型

在Pro／E三維實(shí)體建模軟件中建立自動炮和主炮的三維實(shí)體模型，作去除倒角、圓角、螺紋、輪廓線等簡化處理［5］后導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，為控制網(wǎng)格劃分效果和計(jì)算精度，應(yīng)用Hex Dominant方式劃分網(wǎng)格，得到如圖1所示的有限元模型，單元數(shù)為109 577，節(jié)點(diǎn)210 626個.

圖1 雙炮身管結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 Finite element model of tube struture

1.3 主要力學(xué)模型

根據(jù)內(nèi)彈道平均壓力［6］，計(jì)算膛底合力為

式中：φ為次要功計(jì)算系數(shù)；mp為裝藥質(zhì)量；m為彈丸質(zhì)量；S為炮膛斷面積；p為膛內(nèi)時期火藥氣體的平均壓力，由內(nèi)彈道設(shè)計(jì)得到；t為彈丸運(yùn)動時間；tg為彈丸膛內(nèi)運(yùn)動時間；Fpg為彈丸出炮口瞬間的炮膛合力；b為后效期時間常數(shù).

定義后坐阻力為

式中：Fh為緩沖簧作用力；Ff為復(fù)進(jìn)簧作用力.

1.4 自動炮整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h3>

根據(jù)步兵戰(zhàn)車的結(jié)構(gòu)組成和自動炮發(fā)射時的機(jī)構(gòu)動作，將整車分為底盤系統(tǒng)、炮塔系統(tǒng)和自動機(jī)系統(tǒng)，自動炮身管與緩沖器、連接套筒添加剛－柔接觸，其余接觸為引發(fā)自動機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系的剛體接觸，通過添加固定副、移動副、旋轉(zhuǎn)副、力等約束關(guān)系，建立某型步兵戰(zhàn)車剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D2所示.

圖2 步兵戰(zhàn)車自動炮發(fā)射動力學(xué)模型Fig.2 Firing dynamic model of infantry combat vehicle auto－gun

2 耳軸軸承間隙非線性參數(shù)辨識

對于軸承法向接觸力，ADAMS中應(yīng)用Lankarani－Nikravesh模型的Impact函數(shù)求解［7］，法向接觸力定義為

式中：K為碰撞體的等效剛度系數(shù)；n為冪指數(shù)；δ分別為兩物體接觸時的相對位移和相對速度；C為碰撞過程中的阻尼系數(shù).

阻尼系數(shù)為

式中：ce為恢復(fù)系數(shù)；為兩物體接觸前的相對速度.

由式（4）可知，阻尼系數(shù)與剛度系數(shù)有關(guān)，因此碰撞力大小FN主要由等效剛度系數(shù)K確定.本文使用有限元方法合理地確定等效剛度.

應(yīng)用Hex Dominant方法建立軸承有限元模型如圖3a所示，外滾道外圓定義固定約束，內(nèi)滾道內(nèi)圓定義y軸徑向初始速度為100mm·s－1，求得軸承接觸壓力和接觸滲透量如圖3b，c所示.

圖3中接觸壓力最大值為3.482 5MPa，接觸滲透量最大值為0.251 7nm.由圖3可以看出，軸承在某一固定方向徑向速度作用下，內(nèi)外滾道與滾子之間碰撞特性比較明顯，且由于軸承特有的結(jié)構(gòu)特性，使得周向均勻分布的滾子在特定方向下的受力也比較均勻，在火炮射擊載荷作用下，有效承載了后坐沖擊，提高了軸承可靠性.根據(jù)式（4），取n＝1.1，可計(jì)算得出軸承法向接觸剛度系數(shù)為63.235kN·mm－1.

圖3 耳軸軸承接觸特性Fig.3 Contact characteristic of trunnion

3 耳軸軸承非線性影響規(guī)律分析

步兵戰(zhàn)車在使用過程中，隨著軸承接觸面的沖擊與磨損，配合面間隙會增大，使非線性作用增強(qiáng)，為考察軸承間隙非線性對自動炮首發(fā)射擊炮口動態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律，在不影響實(shí)際應(yīng)用的前提下，對軸承間隙s定義取值范圍為0.30～0.35mm，分3個水平對自動炮整車非線性發(fā)射動力學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，可準(zhǔn)確表征及分析耳軸軸承非線性因素對炮口擾動的影響規(guī)律，見圖4.

圖4中，0～0.158s是自動炮身管的后坐復(fù)進(jìn)階段，由圖4可以看出：

（1）分別對圖4a與b、圖4c與d進(jìn)行比較可以看出，由于雙炮身管結(jié)構(gòu)中主炮并聯(lián)因素的影響，耳軸軸承對炮口垂向位移和炮口垂向速度的影響較炮口水平位移和水平速度影響大，從而影響了射彈散布.

（2）隨著間隙的增大，垂向和水平向的炮口振動位移和速度幅值逐漸增大，表明耳軸軸承非線性對射擊精度的影響程度比較大.

4 結(jié)語

本文對影響射擊精度的眾多因素中的耳軸軸承間隙非線性進(jìn)行了參數(shù)辨識和建模分析，通過對自動炮射擊過程中耳軸軸承的接觸特性進(jìn)行分析可以看出，應(yīng)用有限單元法辨識的含間隙耳軸軸承非線性接觸參數(shù)能有效表征耳軸軸承結(jié)構(gòu)動態(tài)特性；通過分析間隙大小對自動炮射擊過程中炮口擾動的影響規(guī)律可以看出，耳軸軸承作為火炮后坐載荷的主要承載件，隨著使用過程中間隙量的增大，炮口擾動逐漸劇烈，耳軸軸承非線性影響程度比較大，為火炮設(shè)計(jì)和日常維修保養(yǎng)提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù).

圖4 耳軸軸承間隙非線性對炮口擾動影響規(guī)律Fig.4 Effect rule of trunnion clearance nonlinear for gun barrel vibration

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