張 濤，廖振強(qiáng)，唐 建

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

榴彈發(fā)射器最主要的作用是摧毀裝甲車(chē)，對(duì)具有一定掩護(hù)和偽裝措施的實(shí)體進(jìn)行打擊，以此對(duì)敵方力量進(jìn)行消滅。由于其在戰(zhàn)場(chǎng)上表現(xiàn)出色，以至關(guān)于榴彈發(fā)射器的研究越來(lái)越多，這就決定了其必將在今后較長(zhǎng)時(shí)間的戰(zhàn)場(chǎng)上仍舊會(huì)有較大的影響，甚至發(fā)揮更為出色的作用。為了保證發(fā)射器的射擊精度，研究人員設(shè)計(jì)了多種低后坐發(fā)射技術(shù)。裝有槍身緩沖器的武器系統(tǒng)，槍彈發(fā)射后，在后坐力作用下，槍身沿槍彈飛行反方向運(yùn)動(dòng)，在槍身緩沖裝置的影響下，可以減小后坐力對(duì)射擊槍手的影響，同時(shí)槍身也會(huì)依靠槍身緩沖裝置復(fù)位。本文采用對(duì)發(fā)射器添加緩沖器的方法，包括駐鋤緩沖器、槍身液壓和彈簧緩沖器，以此分析緩沖器對(duì)發(fā)射后坐特性及射擊精度的影響。

1 緩沖器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 駐鋤緩沖器

駐鋤在結(jié)構(gòu)形式上分類(lèi)較多，一般可分為馬蹄形、V型和雪橇型等［1］。文中的30mm榴彈發(fā)射器駐鋤采用的是V型駐鋤，分別由V型駐鋤板、緩沖簧、緩沖簧桿和滑板組成。

將駐鋤固定在土壤中，腳架與駐鋤采用彈簧在水平方向上(即膛線(xiàn)方向上)進(jìn)行鉸接，其理論分析模型如圖1所示，滑板沿水平緩沖簧桿滑動(dòng)，由于是雙向彈簧緩沖，水平滑動(dòng)受彈簧力制約。

圖1 駐鋤緩沖器理論分析模型圖

1.2 槍身液壓緩沖器

隨著液壓技術(shù)越來(lái)越成熟，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在減小機(jī)械系統(tǒng)中負(fù)面沖擊的各種手段中，運(yùn)用液壓緩沖器是一個(gè)較好的選擇，相較于傳統(tǒng)的緩沖器，其緩沖效率和衰減系數(shù)都大為提高［2］。

根據(jù)槍身和架座的相互連接特點(diǎn)，在槍身與架座之間通過(guò)緩沖器連接的架座稱(chēng)為緩沖架座，它是靠緩沖裝置來(lái)吸收槍身的后坐能量，以減小后坐力。液壓緩沖器的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中液壓緩沖器由以下幾部分構(gòu)成：液壓缸、液壓缸蓋、緩沖簧、活塞、活塞桿和密封元件［3］。

從圖2可知，液壓缸與架座相連，在A(yíng)DAMS動(dòng)力學(xué)模型中，可以將兩者設(shè)為固連約束;活塞桿兩端和槍身相連，在仿真中也可以選擇固連方式。液壓缸中充滿(mǎn)液壓油，即分別在A(yíng)、B兩室中充滿(mǎn)液壓油。

圖2 液壓緩沖器示意圖

榴彈擊發(fā)后，在槍膛合力的作用下，槍身后坐帶動(dòng)活塞桿也向右后坐，由于力的作用的相互性，與液壓缸固連的架座也受到與槍身后坐方向相同的液壓油擠壓力和彈簧壓縮力作用。活塞相較于液壓缸向右沿后坐方向運(yùn)動(dòng)，則B室體積明顯減小，導(dǎo)致B室內(nèi)液體壓力增大，同時(shí)緩沖簧也被壓縮。在活塞和液壓缸之間存在環(huán)形狀的空隙，液壓油被壓迫從環(huán)形空隙中流到A室內(nèi)，環(huán)形空隙面積很小，液壓油通過(guò)時(shí)會(huì)高速地通過(guò)進(jìn)入A室，因此會(huì)對(duì)活塞的繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的阻力，從而對(duì)整個(gè)榴彈發(fā)射器的后坐起到緩沖作用。緩沖簧本身也能對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，被壓縮之后，存儲(chǔ)活塞和活塞桿復(fù)進(jìn)的能量。當(dāng)后坐到位后，活塞桿連同槍身復(fù)進(jìn)，緩沖簧提供一定的復(fù)進(jìn)能量，同時(shí)液壓油也從A室流到B室中。

1.3 槍身彈簧緩沖器

榴彈發(fā)射器的槍身和架座除了使用液壓緩沖器外，還可以使用彈簧緩沖器。在發(fā)射器上安裝適合的彈簧緩沖器不僅能改善槍架的受力情況，還可以減小槍架振動(dòng)，同時(shí)擊發(fā)的穩(wěn)定性也可以得到保證。常見(jiàn)的槍身彈簧緩沖器有2種［4］：有預(yù)壓雙向彈簧緩沖器和無(wú)預(yù)壓?jiǎn)蜗驈椈删彌_器。

a．有預(yù)壓雙向彈簧緩沖器，如圖3所示。

圖3 有預(yù)壓雙向彈簧緩沖器

在圖3中，緩沖簧裝在緩沖器筒中，緩沖器筒和架座固連，連桿上的耳環(huán)與槍身連接，在槍身后坐過(guò)程中，耳環(huán)與連桿也一起后坐，由于后墊圈的阻擋，緩沖簧后端不能移動(dòng)，緩沖簧受到擠壓;后坐到位后，緩沖簧開(kāi)始伸張推動(dòng)與連桿相連的槍身復(fù)進(jìn);復(fù)進(jìn)到位后，槍身的速度達(dá)到峰值，繼續(xù)前沖，由于前墊圈的作用，緩沖簧再次受到擠壓;前沖到位后緩沖簧又開(kāi)始伸張，槍身又作返回運(yùn)動(dòng)。這樣槍身的運(yùn)動(dòng)完成了一次循環(huán)，包括后坐、復(fù)進(jìn)、前沖和返回4個(gè)階段。

b．無(wú)預(yù)壓?jiǎn)蜗驈椈删彌_器，如圖4所示。

圖4 無(wú)預(yù)壓?jiǎn)蜗驈椈删彌_器

從圖4可以看出，對(duì)于槍身和架座采用單向彈簧緩沖器，槍身復(fù)進(jìn)到位后前沖會(huì)受到阻擋。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，因復(fù)進(jìn)到位后再前沖時(shí)，將直接撞擊到槍架，導(dǎo)致槍架產(chǎn)生一定的彈性變形。

2 榴彈發(fā)射器虛擬樣機(jī)建立

2.1 模型建立

由于30mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器的三維實(shí)體模型本身零部件比較多，也相對(duì)比較復(fù)雜，本文采用SolidWorks軟件建立榴彈發(fā)射器的實(shí)體模型。將在SolidWorks中的30mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器的三維模型保存為．x_t格式，以此為中間格式，將文件導(dǎo)入到ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件中，即可實(shí)現(xiàn)在A(yíng)DAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件中初步建立模型。

將榴彈發(fā)射器實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中，在建立各個(gè)零件間的約束時(shí)，由于存在很多的小零件，導(dǎo)致約束副過(guò)多，動(dòng)力學(xué)微分方程的數(shù)量過(guò)于龐大，從而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，因此需要將一些小的零部件進(jìn)行合并或者刪除，最終30mm榴彈發(fā)射器在動(dòng)力學(xué)軟件中的模型如圖5所示。

圖5 榴彈發(fā)射器動(dòng)力學(xué)模型

2.2 添加約束

約束是對(duì)系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)做出限制。30mm榴彈發(fā)射器組成零件較多，進(jìn)行簡(jiǎn)化后還有19個(gè)零件，仍然需要根據(jù)各個(gè)零件的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況來(lái)定義不同的約束，盡最大可能地為模擬榴彈發(fā)射器的榴彈發(fā)射做好準(zhǔn)備工作。

榴彈發(fā)射時(shí)應(yīng)用不同的緩沖器，在仿真模型中添加的約束也有差異?，F(xiàn)對(duì)各種緩沖器條件下的約束添加作簡(jiǎn)要說(shuō)明：

a．駐鋤緩沖器下的約束添加。根據(jù)各零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加相應(yīng)約束，注意駐鋤與地面固連，駐鋤與腳架之間添加平移副和彈簧。

b．液壓緩沖器下的約束添加。30mm榴彈發(fā)射器在腳架和槍身間添加液壓緩沖器，由于假設(shè)架座、兩腳架和駐鋤均為剛體，所以發(fā)射器的動(dòng)力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，而液壓緩沖器可以簡(jiǎn)化為彈簧-阻尼系統(tǒng)［5］，即在槍身和腳架間添加彈簧-阻尼裝置，其中彈簧和阻尼參數(shù)的設(shè)定要把液壓阻力考慮進(jìn)去。

c．彈簧緩沖器下的約束添加。與液壓緩沖相似，在槍身和腳架間添加不同形式的彈簧阻尼裝置。

2.3 施加載荷

榴彈發(fā)射器在發(fā)射彈丸的一個(gè)周期過(guò)程中，受力復(fù)雜，其主要的載荷激勵(lì)包括：下機(jī)框與機(jī)頭、機(jī)頭與機(jī)匣、機(jī)頭與彈丸、彈丸與拋殼挺、拉殼鉤與彈丸等相互碰撞時(shí)形成的碰撞力以及自動(dòng)機(jī)后坐的碰撞力;緩沖桿和緩沖杠桿、彈丸和彈匣底板、上機(jī)框與機(jī)匣、機(jī)匣與槍管等相互作用的彈簧力;膛內(nèi)火藥氣體對(duì)機(jī)頭的作用力以及導(dǎo)氣室內(nèi)氣體對(duì)活塞的作用力。對(duì)于碰撞力，在A(yíng)DAMS中設(shè)置碰撞零件間剛度、阻尼和侵徹深度等;對(duì)于彈簧力，則在添加彈簧力時(shí)設(shè)置相應(yīng)的彈簧剛度和阻尼。文中涉及到的以外力形式添加的載荷主要是火藥氣體對(duì)膛底(即對(duì)機(jī)頭)作用力和導(dǎo)氣室中氣體對(duì)活塞的作用力。

運(yùn)用MATLAB軟件編程獲得以文本格式保存的膛內(nèi)火藥氣體和導(dǎo)氣室火藥氣體壓力曲線(xiàn)，將TXT文本數(shù)據(jù)以樣條曲線(xiàn)的格式導(dǎo)入到ADAMS軟件中，在函數(shù)定義中采用AKISPL函數(shù)調(diào)用樣條曲線(xiàn)，得到膛壓曲線(xiàn)和導(dǎo)氣室氣體壓力曲線(xiàn)。圖6和圖7分別為膛內(nèi)和導(dǎo)氣室內(nèi)氣體壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

a．內(nèi)彈道和后效期氣體壓力時(shí)間曲線(xiàn)。

由圖6可知，當(dāng)火藥被點(diǎn)燃后，膛內(nèi)壓力瞬間上升，當(dāng)壓力突破彈丸的氣動(dòng)壓力后，彈丸開(kāi)始脫離彈殼向前運(yùn)動(dòng)，膛內(nèi)的體積變大，隨著火藥燃燒結(jié)束，火藥氣體壓力值以較快的速度下降，當(dāng)彈丸出槍口后，膛內(nèi)的氣體壓力將降到與大氣壓相當(dāng)。

圖6 膛內(nèi)火藥氣體壓力曲線(xiàn)

b．導(dǎo)氣室氣體壓力時(shí)間曲線(xiàn)。

由圖7可知，當(dāng)彈丸經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔后，膛內(nèi)氣體迅速進(jìn)入導(dǎo)氣室并使得其氣室壓力很快增高，隨著活塞推動(dòng)機(jī)框使得氣室容積變大，同時(shí)伴隨著膛內(nèi)壓力的降低，導(dǎo)氣室壓力也開(kāi)始降低。

圖7 導(dǎo)氣室內(nèi)氣體壓力曲線(xiàn)

3 基于A(yíng)DAMS的仿真與分析

3.1 有無(wú)駐鋤緩沖器仿真結(jié)果分析

對(duì)30mm榴彈發(fā)射器(有無(wú)駐鋤兩種情況下)運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行仿真，得到機(jī)框的絕對(duì)速度和位移、后坐力、槍口跳動(dòng)速度、槍口跳動(dòng)位移以及槍口跳動(dòng)距離等參數(shù)并作分析，表1是對(duì)以上參數(shù)的分析結(jié)果。

從表1中對(duì)比結(jié)果可知，駐鋤緩沖器本身對(duì)機(jī)框復(fù)進(jìn)和后坐行程中的最大速度影響很小，對(duì)機(jī)框的絕對(duì)位移的影響也較小。由于駐鋤緩沖器本身阻礙了槍身的后坐和復(fù)進(jìn)，因而駐鋤雙向緩沖情況下發(fā)射引起的機(jī)框絕對(duì)位移要略小于無(wú)駐鋤緩沖下的發(fā)射。

對(duì)比榴彈發(fā)射器最大后坐力，由于有駐鋤彈簧的緩沖作用，后坐力明顯降低;再對(duì)比榴彈出膛口時(shí)刻，槍口的跳動(dòng)角度、跳動(dòng)速度和跳動(dòng)距離，有駐鋤緩沖的仿真結(jié)果也都優(yōu)于無(wú)駐鋤緩沖下的榴彈發(fā)射仿真結(jié)果。

表1 有無(wú)駐鋤緩沖器仿真結(jié)果對(duì)比

綜上考慮，雙向駐鋤緩沖下榴彈發(fā)射器的穩(wěn)定性要優(yōu)于無(wú)駐鋤緩沖。

3.2 液壓和彈簧緩沖器仿真結(jié)果分析

分別在液壓緩沖器和彈簧緩沖器條件下仿真，得到榴彈發(fā)射器后坐特性參數(shù)。為了更好地展現(xiàn)仿真結(jié)果的優(yōu)劣，將各個(gè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)到表2中，通過(guò)對(duì)仿真得到的主要參數(shù)進(jìn)行研究，可以對(duì)不同方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 不同方案的仿真結(jié)果對(duì)比分析

表2中最顯著的差異在于最大后坐力和緩沖器阻力最大值，而復(fù)進(jìn)和后坐最大速度以及機(jī)框復(fù)進(jìn)最大位移差異均不大。

對(duì)比分析后坐力，可以發(fā)現(xiàn)：相較于無(wú)預(yù)壓?jiǎn)蜗蚓彌_器而言，添加液壓緩沖器的最大后坐力是其最大后坐力的62．03%，添加有預(yù)壓雙向緩沖器的最大后坐力是其最大后坐力的82．4%，可見(jiàn)使用液壓緩沖器對(duì)減后坐的效果是最明顯的;由于液壓緩沖器減后坐效果最明顯，其阻力的峰值也最大;對(duì)于兩種彈簧緩沖器，因?yàn)榇嬖诔跏級(jí)毫Φ牟顒e，無(wú)預(yù)壓?jiǎn)蜗蚓彌_器的最大阻力值大于有預(yù)壓雙向緩沖器的最大阻力值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以30mm榴彈發(fā)射器為研究對(duì)象，考察其在幾種不同的緩沖裝置下的發(fā)射后坐特性，仿真結(jié)果表明，使用液壓緩沖器時(shí)減后坐的效果最明顯，在有效減小對(duì)射手的沖擊的同時(shí)還提高了射擊精度。研究結(jié)果為低后坐力發(fā)射技術(shù)提供了一條可行途徑，能為以后進(jìn)一步研究低后坐發(fā)射技術(shù)提供一定的指導(dǎo)。

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