劉 昕

（駐齊齊哈爾地區(qū)軍事代表室，黑龍江 齊齊哈爾 116000）

引言

某輕量型艦炮基于現(xiàn)代海軍艦船的多樣性發(fā)展趨勢，進(jìn)行了無封艙件改進(jìn)設(shè)計。設(shè)計減重過程中考慮了艦炮發(fā)射系統(tǒng)對耳軸的力矩及其影響，提出了平衡機(jī)設(shè)計方案，優(yōu)化不平衡力矩對艦炮射擊和艦船穩(wěn)定航行都有重要的意義。

1 艦炮射擊時的受力分析

艦炮在射擊時會在火藥燃?xì)獾淖饔孟庐a(chǎn)生炮膛合力Fpt，與艦炮后坐運(yùn)動的慣性力構(gòu)成后坐阻力Fr[1]，F(xiàn)r與火線高H會使艦炮產(chǎn)生向后翻轉(zhuǎn)的顛覆力矩，艦炮后坐的穩(wěn)定條件是使艦炮穩(wěn)定力矩大于射擊過程中的顛覆力矩[2]。

降低火線高是減小顛覆力矩的有效辦法，火線高由H降低后，為保證艦炮高角時搖架不與轉(zhuǎn)臺干涉，需將耳軸后移。耳軸的移動導(dǎo)致發(fā)射系統(tǒng)對耳軸的重力矩增大，該力矩使艦炮高角運(yùn)動時高低手輪力增加，低角射擊時，重力矩在高低機(jī)齒弧齒輪之間產(chǎn)生沖擊和振動。為解決上述情況，需增加平衡機(jī)來降低艦炮對耳軸的力矩。

2 平衡裝置理論計算

根據(jù)艦炮總體結(jié)構(gòu)布置，可選用拉式平衡機(jī)，與俯仰部分的連接點在搖架末端，平衡機(jī)置于轉(zhuǎn)臺平面下方，與轉(zhuǎn)臺固定把合，力學(xué)模型見圖1。

通過力學(xué)模型圖可知：

O點為搖架上耳軸中心；P點為平衡機(jī)平面蝸卷彈簧的轉(zhuǎn)動中心；

W點為俯仰部分質(zhì)心；D點為彈箱的質(zhì)心；θ為艦炮射角；

圖1 平衡機(jī)力學(xué)模型圖（mm）

A、A'點為搖架上平衡機(jī)力的作用點，其中A'為射角為θ時的作用點；

B、B'點為平衡機(jī)上平衡機(jī)力作用點，其中B'為射角為θ時的作用點；

H"、H'點為耳軸中心O對AB的垂足。

分析可知：AB即為平衡機(jī)力的作用線，OH"為平衡機(jī)力到耳軸的距離，設(shè)平衡機(jī)在AB上的作用力為F，OH"的長度為h，則平衡機(jī)對耳軸的提供的力矩為：

由俯仰部分的運(yùn)動軌跡可知，B點、H"點的位置隨射角射角θ而變化，平衡機(jī)通過控制各個射角對耳軸的平衡機(jī)力矩來平衡重力矩。

2.1 平衡機(jī)力學(xué)模型的解算

以射角θ=0°時為設(shè)計起點，以θ=-15°～85°為設(shè)計范圍進(jìn)行計算。解算△AOP、△AOB可得AB隨射角變化的值；解算△BOP、△BHO可得平衡機(jī)力作用線到耳軸的距離OH"。計算結(jié)果如下頁表1。

2.2 求解平衡機(jī)力

平衡機(jī)對耳軸的力矩W應(yīng)與重力矩相等，算得重力矩后，各射角下，平衡機(jī)作用線到耳軸的距離為OH"（θ）=h，則可知，平衡機(jī)所需的平衡機(jī)力為：

表1 平衡機(jī)設(shè)計輸入?yún)?shù)

設(shè)平衡機(jī)所用的滑輪半徑為BP=r，則平衡機(jī)需要提供的扭矩為：

根據(jù)公式2、3可算得平衡機(jī)設(shè)計力矩。

2.3 儲能裝置設(shè)計

因俯仰角度在-15°～85°之間，選用普通彈簧不利于整體結(jié)構(gòu)布置，平面蝸卷彈簧能有效解決該問題：其一端固定，另一端在平面內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，輸出扭矩。根據(jù)整體空間，選擇設(shè)置16根相同的彈簧進(jìn)行設(shè)計。

1）彈簧厚度據(jù)平面蝸卷彈簧公式可算得：

2）平面蝸卷彈簧在全射角范圍內(nèi)的工作圈數(shù)：

3）平面蝸卷彈簧的長度：

4）平面蝸卷彈簧總長：

5）彈簧節(jié)距：

綜上，平面蝸卷彈簧的設(shè)計參數(shù)（見表2）。

表2 平面蝸卷彈簧設(shè)計參數(shù)表

3 平衡裝置的設(shè)計驗證

當(dāng)艦炮射擊時，后坐部分運(yùn)動引起質(zhì)心的變化，重力矩與平衡機(jī)的共同作用下，對對耳軸的力矩曲線見圖2，空載極值為-3 342 Nm，滿載極值為-4 603 Nm。在戰(zhàn)斗工況下，反向不平衡力矩過大，需對彈簧的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 后坐到位時艦炮各射角對耳軸的力矩

4 優(yōu)化結(jié)果

力矩變化的極值出現(xiàn)在彈箱滿載，且后坐距離最長時，因此降低彈簧剛度能改善該種狀況。經(jīng)調(diào)整計算，彈簧參數(shù)如下（見表3）。

表3 平面蝸卷彈簧設(shè)計參數(shù)表

經(jīng)參數(shù)修正后，艦炮對耳軸的力矩極值變小。滿載工況下力矩變化曲線見圖3，艦炮在勤務(wù)狀態(tài)下，高低手輪力最大值58 N。

圖3 彈箱空載時不平衡力矩隨后坐位移和射角的變化圖

5 結(jié)論

本文對某輕量化艦炮基于渦卷彈簧設(shè)計的平衡機(jī)進(jìn)行了計算、驗證和優(yōu)化，通過平衡裝置的參數(shù)控制實現(xiàn)了耳軸不平衡力矩的合理分配。結(jié)論如下：

1）平衡裝置采用的平面蝸卷彈簧剛度大、占用空間小，適合輕量型產(chǎn)品安裝使用。

2）該平衡機(jī)技術(shù)在火線高降低后，能有效降低艦炮的顛覆力矩，有利于艦炮的射擊穩(wěn)定。

3）平衡機(jī)技術(shù)通過參數(shù)控制后，合理分配不平衡力矩，保障射擊時的艦炮穩(wěn)定和勤務(wù)狀態(tài)時的輕便使用，參數(shù)設(shè)計能為平衡裝置設(shè)計提供一定的參考[3]。