董 震，邢俊文，郝丙飛，趙 耀（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072）

炮塔懸掛對(duì)火炮穩(wěn)定精度的影響分析

董 震，邢俊文，郝丙飛，趙 耀
（裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072）

為提高坦克在行進(jìn)間火炮的穩(wěn)定精度，以某型坦克為研究對(duì)象，筆者提出在炮塔與車(chē)體之間添加橡膠減振器的方案進(jìn)行隔振優(yōu)化，用狀態(tài)方程建立垂向振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，基于GB7031構(gòu)建隨機(jī)路面激勵(lì)，通過(guò)MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真，分析坦克在行進(jìn)過(guò)程中炮塔的垂向振動(dòng)特性，結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)的炮塔與車(chē)體之間的剛性連接，該方案能夠有效減緩炮塔的振動(dòng)，進(jìn)而提高火炮在坦克射擊時(shí)的穩(wěn)定精度。

炮塔懸掛；穩(wěn)定精度；橡膠墊圈；仿真分析

0　引言

當(dāng)前，隨著火控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，坦克在靜止時(shí)的射擊精度已經(jīng)較高，但是在進(jìn)行間的射擊精度還有待提高。如何提高行進(jìn)間的射擊精度，已成為熱門(mén)的研究方向。本文通過(guò)對(duì)炮塔進(jìn)行隔振，在盡可能小的程度上進(jìn)行改裝，以達(dá)到減緩炮塔振動(dòng)、提高射擊時(shí)穩(wěn)定精度的目的。本文將坦克簡(jiǎn)化為車(chē)體與炮塔兩個(gè)部分，同時(shí)把橡膠墊圈簡(jiǎn)化為一個(gè)彈簧—阻尼系統(tǒng)，對(duì)此進(jìn)行建模與仿真分析，通過(guò)改變橡膠墊圈的剛度與阻尼，以達(dá)到一個(gè)較為理想的減振狀態(tài)，進(jìn)而提高行進(jìn)間火炮的穩(wěn)定精度。

1　評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文以某型主戰(zhàn)坦克為研究對(duì)象。根據(jù)125mm坦克炮立靶密集度試驗(yàn)要求，考慮外彈道影響，推算得出炮口垂向線速度的近似值；同時(shí)由于內(nèi)彈道和耳軸對(duì)炮口的影響，估算得到炮塔垂向線速度范圍。通過(guò)建模與仿真分析，對(duì)比有、無(wú)橡膠墊圈時(shí)炮塔振動(dòng)的兩種情況，并與估算得出的炮塔垂向線速度范圍進(jìn)行比較，以此對(duì)橡膠減振器的作用作出合理的評(píng)價(jià)分析。

2　建模

2.1建立隨機(jī)路面模型

當(dāng)把汽車(chē)近似作為線性系統(tǒng)處理時(shí)，掌握了輸入的路面不平度功率譜以及車(chē)輛系統(tǒng)的頻響函數(shù)，就可以求出各響應(yīng)物理量的功率譜，用來(lái)分析振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)各響應(yīng)物理量的影響和評(píng)價(jià)平順性。

在1984年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在文件ISO/TC 108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方法草案”和國(guó)內(nèi)由長(zhǎng)春汽車(chē)研究院所起草制定的GB7031《車(chē)輛振動(dòng)輸入—路面平度表示》標(biāo)準(zhǔn)之中，兩個(gè)文件均提出了按路面功率譜密度把路面的不平程度分為8級(jí)。表1規(guī)定了各級(jí)路面不平度系數(shù)Gq（ n0）的幾何平均值，分級(jí)路面譜的頻率指數(shù)W=2。表上還同時(shí)列出了范圍路面不平度相應(yīng)的均方根值qrms（σq）的幾何平均值。

表1　路面不平度8級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)

由于125mm坦克炮立靶密集度試驗(yàn)是在硬土路上進(jìn)行的，根據(jù)路面不平度8級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，硬土路應(yīng)屬C級(jí)或D級(jí)路面，本文利用Matlab建立隨機(jī)路面模型。

2.2建立振動(dòng)模型

2.2.1無(wú)橡膠墊圈時(shí)的單質(zhì)量振動(dòng)模型

無(wú)橡膠墊圈時(shí)，坦克的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1　坦克的簡(jiǎn)化模型（無(wú)墊圈）

應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，即可導(dǎo)出由圖1所示坦克模型的運(yùn)動(dòng)方程，其表達(dá)式如下：

式中，m為車(chē)體與炮塔的質(zhì)量和；k’為懸架彈簧剛度；c’為懸架阻尼系數(shù)。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程，利用Matlab建立數(shù)學(xué)模型。

2.2.2有橡膠墊圈時(shí)的雙質(zhì)量振動(dòng)模型

有橡膠墊圈時(shí)，坦克的簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2　坦克的簡(jiǎn)化模型（有墊圈）

應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，即可導(dǎo)出由圖5所示坦克模型的運(yùn)動(dòng)方程，其表達(dá)式如下：

式中，m1為車(chē)體的質(zhì)量；m2為炮塔的質(zhì)量；k’為懸架彈簧剛度；c’為懸架阻尼系數(shù)；k為橡膠墊片剛度；c為橡膠墊片阻尼。

將式2與式3化為矩陣形式：

根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程，利用Matlab建立數(shù)學(xué)模型。

3　仿真分析

3.1單質(zhì)量系統(tǒng)的建模與仿真

利用Simulink對(duì)無(wú)橡膠墊圈時(shí)的單質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖3所示。

圖3　單質(zhì)量系統(tǒng)的仿真模型

在10s內(nèi)的仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4　炮塔垂向位移曲線

圖5　炮塔垂向速度曲線

3.2雙質(zhì)量系統(tǒng)的建模與仿真

利用Simulink對(duì)有橡膠墊圈時(shí)的雙質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖6所示。

圖6　雙質(zhì)量系統(tǒng)的仿真模型

在10s內(nèi)的仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖7　炮塔垂向位移曲線

圖8　炮塔垂向速度曲線

3.3仿真結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)圖7與圖4、圖8與圖5對(duì)比，可以看出：在C級(jí)隨機(jī)路面下進(jìn)行仿真分析，添加橡膠墊圈后，炮塔的垂向最大位移由0.03m減小到0.018m，炮塔的垂向最大速度由0.12m/s減小到0.02m/s，并且振動(dòng)頻率大大減小。

4　結(jié)論

通過(guò)在炮塔和車(chē)體之間添加橡膠減振器，能夠有效地減小炮塔在行進(jìn)過(guò)程中的垂向位移和垂向速度，尤其是垂向速度，其減小的幅度十分明顯，同時(shí)炮塔的振動(dòng)頻率也大幅下降。這種在炮塔和車(chē)體之間添加橡膠減振器的方案，能夠減緩炮塔振動(dòng)，進(jìn)而可以提高火炮行進(jìn)間的穩(wěn)定精度，并對(duì)坦克在行進(jìn)間射擊精度的提高也有十分積極的影響。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.224