楊礪志，陳永才，李 鵬，狄長(zhǎng)春

(軍械工程學(xué)院,河北 石家莊 050003 )

以火藥為能源的炮口式火炮動(dòng)態(tài)后坐技術(shù)研究

楊礪志，陳永才，李 鵬，狄長(zhǎng)春

(軍械工程學(xué)院,河北 石家莊 050003 )

在分析國(guó)內(nèi)外以火藥為能源的火炮動(dòng)態(tài)后坐技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了置于火炮炮口處的火炮動(dòng)態(tài)后坐發(fā)生裝置。以某型地面火炮為例，建立了該方法的內(nèi)彈道計(jì)算模型，并進(jìn)行了內(nèi)彈道方程組的諸元解算，并以某型地面火炮炮身為研究對(duì)象，基于有限元仿真軟件ABAQUS對(duì)火炮動(dòng)態(tài)后坐過(guò)程中的火炮身管進(jìn)行了有限元仿真，同時(shí)也進(jìn)行了多次以火藥為能源的火炮動(dòng)態(tài)后坐試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均證明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可靠，滿(mǎn)足火炮動(dòng)態(tài)后坐性能檢測(cè)要求。

火炮；動(dòng)態(tài)后坐；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元仿真

目前火炮動(dòng)態(tài)后坐檢測(cè)中常用的技術(shù)及方法有以火藥為能源的火炮動(dòng)態(tài)后坐技術(shù)、水彈試射技術(shù)和模擬彈丸代替實(shí)彈射擊方法等。其中以火藥為能源的火炮動(dòng)態(tài)后坐技術(shù)是目前較為先進(jìn)的取代實(shí)彈射擊檢查火炮大架強(qiáng)度、反后坐裝置性能及后坐部分運(yùn)動(dòng)狀況的理想方法，有著使用裝藥少、試驗(yàn)場(chǎng)地小、試驗(yàn)費(fèi)用低、使用安全方便等優(yōu)點(diǎn)，特別便于在營(yíng)區(qū)、廠區(qū)或教學(xué)區(qū)使用。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，國(guó)外美國(guó)巖島兵工廠研制出一種固定式火藥型仿真試驗(yàn)臺(tái)，用于對(duì)炮架及后坐機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)。德國(guó)萊茵金屬公司集團(tuán)阿維亞斯特公司也研制出一種火炮動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)，供德國(guó)聯(lián)邦部隊(duì)使用。國(guó)內(nèi)某些科研單位對(duì)這一技術(shù)已經(jīng)作了深入研究，取得了相應(yīng)成果，證明了這一方法的科學(xué)性和技術(shù)的實(shí)用性[1-5]。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，火炮動(dòng)態(tài)后坐裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為此，筆者設(shè)計(jì)了將火炮動(dòng)態(tài)后坐發(fā)生裝置的動(dòng)力部分直接結(jié)合在一門(mén)火炮炮口上的方案，從而簡(jiǎn)化了整體結(jié)構(gòu)，提高了該裝置的使用性和勤務(wù)性。筆者將對(duì)炮口式火炮動(dòng)態(tài)后坐發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)、內(nèi)彈道設(shè)計(jì)、火炮運(yùn)動(dòng)規(guī)律仿真及試驗(yàn)結(jié)果作一論述。

1 總體結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)后坐發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，將炮口式火炮動(dòng)態(tài)后坐發(fā)生器旋在承載火炮的炮口上，將被試驗(yàn)火炮(安裝有炮口護(hù)帽)與后坐發(fā)生器中的活塞桿對(duì)正并頂住。在后坐發(fā)生器的藥室內(nèi)裝入適量火藥，點(diǎn)火具點(diǎn)燃火藥，產(chǎn)生高壓火藥氣體，活塞桿推動(dòng)被試炮后坐部分產(chǎn)生后坐運(yùn)動(dòng)，當(dāng)被試炮的后坐運(yùn)動(dòng)部分達(dá)到所規(guī)定的最大后坐運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，活塞桿到達(dá)活塞缸壁上的排氣孔，氣體從此孔泄漏到大氣中，緩沖器阻止活塞桿向前運(yùn)動(dòng)，活塞桿不再對(duì)被試炮施載，火炮后坐部分自由后坐。與此同時(shí)，承載炮的后坐部分也產(chǎn)生后坐運(yùn)動(dòng)。兩門(mén)炮后坐運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，各自復(fù)進(jìn)到位。

2 內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型及計(jì)算結(jié)果

2.1 內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型

由于兩門(mén)炮運(yùn)動(dòng)較慢，且裝藥量較少，后坐發(fā)生器膛壓較小且膛內(nèi)火藥氣體流速較小，故可根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道理論進(jìn)行計(jì)算。

建立基本模型，其中下標(biāo)n為1、2，分別代表被試火炮和承載火炮，故有

(1)

計(jì)算模型的輔助方程組為

(2)

當(dāng)l1+l2>l時(shí)，p=0。式中：v為火炮后坐速度；s為活塞面積；p為火藥氣體壓力；M為后坐部分質(zhì)量；R為后坐阻力；φ為液壓阻力；Pf為復(fù)進(jìn)機(jī)力；F1為反后坐裝置摩擦阻力。其他符號(hào)可參考文獻(xiàn)[1]、[2]，本文不再贅述。

2.2 數(shù)值模擬

由式(1)和(2)加上反后坐裝置阻力公式即可組成后坐運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型，用龍格-庫(kù)塔法給定裝藥量即可求出被試炮后坐情況(如膛壓、后坐阻力和后坐速度變化)。

數(shù)值模擬計(jì)算的要求是：

1)后坐發(fā)生器對(duì)于被試炮后坐體的最大推力，等于實(shí)彈射擊時(shí)被試炮后坐體受到最大膛內(nèi)合力。

2)在后坐發(fā)生器內(nèi)彈道結(jié)束時(shí)被試炮后坐體具有的速度、位移等于實(shí)彈射擊后效期終了時(shí)被試炮后坐體的速度和位移。計(jì)算時(shí)只需將誤差范圍控制在設(shè)計(jì)指標(biāo)的5%即可。

以某型火炮為例運(yùn)用Matlab進(jìn)行模擬計(jì)算。輸入初始量如下：后坐發(fā)生器作用長(zhǎng)度l=150 mm；藥室容積W0=1.3 dm3；活塞面積S=2.54 dm2。裝藥量為180 g時(shí)，后坐發(fā)生器內(nèi)膛壓力、后坐長(zhǎng)度均能滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如圖2、3所示。

3 試驗(yàn)裝置及火炮強(qiáng)度分析

3.1 裝置關(guān)鍵件強(qiáng)度分析

利用有限元分析方法對(duì)本裝置的關(guān)鍵部件活塞缸和活塞桿進(jìn)行了變形和應(yīng)力分析，活塞缸最大變形發(fā)生在藥室內(nèi)壁，為0.384 mm；在膛底應(yīng)力為最大，為858 MPa。活塞桿最大變形發(fā)生在桿靠近活塞套端，為0.16 mm；最大應(yīng)力點(diǎn)在活塞桿凸臺(tái)后部，最大應(yīng)力為578 MPa。結(jié)果顯示兩構(gòu)件安全。圖4為活塞缸后處理變形以及應(yīng)力結(jié)果，圖5為活塞桿后處理變形以及應(yīng)力結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)火炮身管受力分析

以某型加榴炮炮身為分析對(duì)象，材料為PCrNi1Mo，其特性值為：E=206.920 GPa；G=81.2 GPa；μ=0.271；σb=885 MPa；σs=785 MPa，通過(guò)有限元法劃分網(wǎng)格，并在炮口斷面和炮尾端面分別施加動(dòng)力載荷和阻力載荷，得到身管軸向受到推力時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變圖，如圖6、7所示。身管最大應(yīng)力為21.25 MPa，身管安全。

在經(jīng)過(guò)30余次的火炮動(dòng)態(tài)后坐試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)火炮身管進(jìn)行了彎曲度檢驗(yàn)，試驗(yàn)中身管直度徑規(guī)能順利通過(guò)炮膛，證明身管彎曲度合格，動(dòng)態(tài)后坐試驗(yàn)對(duì)身管無(wú)損傷。

4 3種試驗(yàn)對(duì)比分析

火炮的水彈射擊試驗(yàn)同樣是一種替代實(shí)彈射擊來(lái)檢查火炮各個(gè)部件性能及后坐部分運(yùn)動(dòng)狀況的試驗(yàn)方法。其試驗(yàn)技術(shù)原理為用水代替彈重，木塞堵?lián)跖谔艠?gòu)成模擬彈丸，配以適當(dāng)?shù)难b藥條件進(jìn)行射擊以達(dá)到考核火炮的目的。水彈試射技術(shù)原理可靠且檢測(cè)效果較為理想，因此水彈試射技術(shù)作為一種重要的火炮后坐動(dòng)態(tài)測(cè)試方法在我國(guó)火炮檢測(cè)中被廣泛認(rèn)可和使用。

為進(jìn)一步證明炮口式動(dòng)態(tài)后坐實(shí)驗(yàn)裝置的可行性和合理性，特以某型加榴炮為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其分別進(jìn)行了實(shí)彈射擊、水彈射擊和動(dòng)態(tài)后坐試驗(yàn)，分別獲取了各自的火炮后坐運(yùn)動(dòng)參數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表1～3所示，圖8為火炮試驗(yàn)后坐速度對(duì)比圖。表1～3數(shù)據(jù)表明，水彈射擊與實(shí)彈射擊相比，火炮后坐部分的后坐運(yùn)動(dòng)性能差別較大，尤其是后坐部分最大后坐速度時(shí)對(duì)應(yīng)的后坐行程差值百分比較大，為69.2%，這將嚴(yán)重影響火炮強(qiáng)度的檢驗(yàn)。而火炮動(dòng)態(tài)后坐試驗(yàn)與實(shí)彈射擊相比，最大后坐速度差值百分比為4.1%，最大后坐速度對(duì)應(yīng)的后坐行程的差值百分比僅為-1.18%，后坐長(zhǎng)度的差值百分比為3.3%。上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，水彈射擊可以滿(mǎn)足火炮后坐長(zhǎng)度的需要，但后坐部分運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)彈射擊誤差較大；而炮口式火炮動(dòng)態(tài)后坐技術(shù)，可以較好地實(shí)現(xiàn)火炮后坐運(yùn)動(dòng)的需求。

表1 3種情況下的最大后坐速度對(duì)比

試驗(yàn)方式 數(shù)值/(m·s-1)差值/(m·s-1)差值比/%實(shí)彈射擊11．20——水彈射擊10．17-1．03-9．1動(dòng)態(tài)后坐試驗(yàn)11．660．464．1

表2 3種情況下的最大后坐速度對(duì)應(yīng)的后坐行程對(duì)比

表3 3種情況下的后坐長(zhǎng)度對(duì)比

注：以實(shí)彈為基準(zhǔn)計(jì)算水彈射擊和動(dòng)態(tài)后坐試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的差值。

5 結(jié)束語(yǔ)

炮口式火炮動(dòng)態(tài)后坐技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表

明了筆者設(shè)計(jì)的火炮動(dòng)態(tài)后坐發(fā)生裝置的正確性和合理性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。在使用中，炮口式動(dòng)態(tài)后坐發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量小、使用方便、勤務(wù)性好，宜于推廣，可為火炮的研制、試驗(yàn)、教學(xué)研究及部隊(duì)火炮檢測(cè)提供一種科學(xué)、實(shí)用的技術(shù)手段。

References)

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Study on Muzzle Artillery Dynamic Recoil Technologywith Energy of Gunpowder

YANG Lizhi, CHENG Yongcai, LI Peng, DI Changchun

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,Hebei, China)

Based on the analysis of the current situation of gunpowder-energy artillery dynamic recoil technology, designed is the artillery dynamic recoil device arranged on the gun muzzle. With the interior ballistic calculation model of the method established, the interior ballistic calculation is carried out. With a certain type of ground artillery muzzle department taken as the research object, finite element simulation was made on dynamic recoil process of gun barrel based on the finite element simulation software ABAQUS. At the same time a number of gunpowder-energy artillery recoil dynamic tests have been conducted. Simulation and test results prove that the structural design is reasonable and reliable, which can meet the performance detection requirements for artillery dynamic recoil.

artillery; dynamic recoil; structural design; finite element simulation

2016-03-14

楊礪志(1993—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)理論技術(shù)與仿真技術(shù)研究。E-mail：15511498330@163.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.013

TJ303

A

1673-6524(2017)02-0059-04