劉 猛,潘明然,高志斌,郭明珠,楊 瑩,倪慶杰
(1 沈陽工學院,沈陽 110000;2 遼沈工業(yè)集團有限公司,沈陽 110045)
隨著精確打擊彈藥在戰(zhàn)爭中的地位不斷提高,美俄等軍事強國以中大口徑身管火炮為平臺,大力發(fā)展可兼容射擊的制導彈藥[1],由于較高的離心過載對制導炮彈采用的敏感測量器件、電控器件影響較大,對制導控制影響也較大,因此目前的制導炮彈均采用滑動導帶減旋技術,減小彈丸的出炮口轉(zhuǎn)速,采用尾翼穩(wěn)定裝置來保證彈丸飛行穩(wěn)定。制導炮彈滑動導帶減旋技術是常規(guī)彈藥制導化的關鍵技術之一,其穩(wěn)定工作是武器系統(tǒng)制導、控制部件正常作用的前提?;瑒訉Лh(huán)由滑動導帶體和鑲嵌在導帶體上的導帶組成。發(fā)射時,嵌入膛線的滑動導帶環(huán)做高速旋轉(zhuǎn),彈體在與滑動導帶環(huán)接觸面的摩擦力矩作用下微旋,滑動導帶環(huán)同時閉住高壓火藥氣體,避免對火炮身管內(nèi)膛和彈丸導帶前部的沖刷。
滑動導帶環(huán)工作環(huán)境及工作過程相對制式彈藥的導帶復雜很多,且目前國內(nèi)尚無成熟、完善的工作過程理論分析及計算方法。文中對線膛火炮發(fā)射彈藥的三圓孔式滑動導帶環(huán)結(jié)構(gòu)形式、作用原理進行分析研究和試驗驗證,提出了滑動導帶環(huán)設計需要關注的幾個問題。
三圓孔式導帶環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。三圓孔式導帶環(huán)由滑動導帶體和銅質(zhì)導帶組成,滑動導帶體內(nèi)徑由3個直徑不同的圓柱體組成[2]。滑動導帶體選用高強度合金鋼,環(huán)上鑲嵌銅質(zhì)導帶。根據(jù)減旋需要,滑動導帶環(huán)前端面可涂不同的潤滑涂層,以減小滑動導帶環(huán)與彈體之間的摩擦力,達到降低彈丸轉(zhuǎn)速的目的。
三圓孔式導帶環(huán)主要有兩個作用:其一為閉氣,同時在滑動導帶環(huán)內(nèi)徑與彈體間形成氣室,減小滑動導帶環(huán)與彈體的相互碰撞;其二為減旋,需要圓環(huán)內(nèi)徑與彈體留有一定的間隙,以達到減旋效果;同時要控制好圖1中的B,C面以及G,D面的尺寸間隙,保證可靠閉氣。
圖1 三圓孔式彈帶環(huán)結(jié)構(gòu)圖
內(nèi)圓柱設計成三段式是保證滑動導帶環(huán)與彈體間進入火藥氣體。彈丸入膛時,滑動導帶環(huán)的H面嵌入膛線,此時火藥還沒作用,滑動導帶環(huán)向后移動,C面接觸。發(fā)射藥開始作用,隨著壓力逐漸增大,推動彈丸向前運動,此時導帶已經(jīng)進入膛線,導帶的軸向剪切力逐漸減小,作用在滑動導帶環(huán)上的力主要有火藥氣體的推力、滑動導帶環(huán)的直線后座力以及導帶與火炮膛線的摩擦力,從設計上要保證火藥氣體的推力大于滑動導帶環(huán)的直線后座力以及導帶與膛線的摩擦力,滑動導帶向前運動,A面接觸,通過摩擦力矩帶動彈體旋轉(zhuǎn)。這樣就避免滑動導帶環(huán)在膛內(nèi)擠進及運動過程中與彈體接觸,從而對彈體產(chǎn)生撞擊,減小彈丸的飛行抖動。
導帶擠進膛線時,滑動導帶體受力最大,此時要保證滑動導帶體的強度滿足要求,銅質(zhì)導帶的強度要滿足導轉(zhuǎn)的要求。
2.1.1 計算導帶擠入膛線的壓力
銅質(zhì)導帶的擠進壓力是校核導帶環(huán)強度的基礎。導帶擠進壓力有試驗測定和工程計算兩種方法[3]?;瑒訉Лh(huán)的導帶擠進壓力計算沒有成熟方法,文中以某產(chǎn)品為例,利用文獻[2]給出的常規(guī)炮彈導帶壓力計算公式,計算滑動導帶環(huán)的導帶擠入膛線[4]的壓力。
滑動導帶所受局部載荷Pb1與滑動導帶變形ω0的關系式為:
Pb1=A0+B0ω0
(1)
式中:A0,B0是與滑動導帶材料有關的系數(shù),分別為:
(2)
(3)
其中系數(shù)0.94是對目前各種榴彈適用的系數(shù);K值為由殼體理論推導出來的變形與載荷關系的系數(shù),在導帶不是彈底位置情況下:
(4)
式中β由彈性理論得出:
(5)
其次求出導帶壓力的傳遞關系。由導帶的大變形規(guī)律可以導出:
Pb-Pb1=A1+B1ω0
(6)
式中A1,B1是與導帶材料有關的系數(shù)。
(7)
(8)
最后再求滑動導帶壓力與導帶變形的關系。假設導帶充滿火炮膛線,可得:
Pb=A2-B2ω0
(9)
其中A2,B2也是與導帶尺寸、材料有關的系數(shù)。
(10)
(11)
綜合上述公式,求得:
(12)
式(1)~式(12)中的符號分別表示:r0為導帶區(qū)滑動導帶環(huán)中間半徑;h0為滑動導帶環(huán)導帶區(qū)壁厚;E0為滑動導帶環(huán)彈性模量;λ0為滑動導帶環(huán)的強化參數(shù);δs0為滑動導帶環(huán)的屈服強度;ω0為滑動導帶環(huán)壓縮變形,半徑上的位移量;ra1為導帶內(nèi)半徑;rb1為導帶外半徑;h1為導帶厚度;b為導帶寬度;E1為導帶彈性模量;λ1為導帶的強化參數(shù);σs1為導帶的屈服強度。
根據(jù)以上計算公式,代入相關數(shù)據(jù),計算某彈滑動導帶環(huán)的擠進壓力為Pb=289 MPa。
2.1.2 滑動導帶體強度仿真分析
已知導帶的擠進壓力,利用ANSYS軟件對滑動導帶體進行結(jié)構(gòu)強度仿真分析。計算模型如圖2所示。
圖2 滑動導帶體仿真模型
假設條件:滑動導帶體前端面壓在彈體上;某產(chǎn)品的導帶擠進壓力為289 MPa,火藥氣體壓力取起動時的壓力40 MPa。
經(jīng)過仿真分析,滑動導帶體最大變形量為0.18 mm,最大等效應力為980 MPa,因此要求滑動導帶體的屈服強度大于980 MPa,結(jié)果如圖3、圖4所示。
圖3 滑動導帶體形變圖
圖4 滑動導帶體前端面應力圖(前端面與彈體接觸)
2.1.3 銅質(zhì)導帶的強度校核
作用在導帶上的壓力為:
(13)
式中:N為導轉(zhuǎn)側(cè)力;Bts為導帶受力面積。
對于等齊膛線
(14)
經(jīng)換算得:
(15)
導帶的抗壓強度條件為:
σ≤[σ]
(16)
式中:[σ]為導帶的抗壓強度許可值。
導帶凸起部受到的剪切應力為:
(17)
對于等齊膛線
(18)
導帶的剪切強度條件為:
τ≤[τ]
(19)
式中[τ]為導帶的抗壓強度許可值。
代入某彈的數(shù)據(jù),銅質(zhì)導帶的膛內(nèi)強度校核計算結(jié)果如表1所示。由計算結(jié)果可知,導帶滿足擠進及剪切強度要求。
表1 導帶膛內(nèi)強度校核計算結(jié)果 單位:MPa
為了實現(xiàn)滑動導帶的減旋效果,要保證滑動導帶環(huán)在膛內(nèi)運動時,前端與彈體接觸。這樣在結(jié)構(gòu)尺寸設計時,需保證火藥氣體對滑動導帶環(huán)的推力大于滑動導帶環(huán)的直線后座力和摩擦力之和。
滑動導帶環(huán)與彈體之間的相互作用力Q的計算公式為[1]:
(20)
F=f·N
(21)
式中:rcp為考慮火炮膛線時,炮膛斷面的換算半徑;P為膛壓;ra為滑動導帶環(huán)內(nèi)表面半徑;m為彈丸質(zhì)量;mb為滑動導帶質(zhì)量;F為導帶對火炮膛壁的摩擦力(即由導帶側(cè)壓和導帶壓力所產(chǎn)生的總摩擦力);f為摩擦系數(shù),本產(chǎn)品為鋼與銅的摩擦系數(shù),取0.21;N為導轉(zhuǎn)側(cè)力,公式為:
(22)
式中:Jx為彈丸的極轉(zhuǎn)動慣量;n為膛線條數(shù);α為火炮纏角。
以某產(chǎn)品的滑動導帶環(huán)為例,代入相關數(shù)據(jù),計算出相互作用力為Q=924 658 N。
采用彈丸轉(zhuǎn)速計算公式,計算由摩擦力矩產(chǎn)生的彈丸轉(zhuǎn)速。
根據(jù)滑動導帶環(huán)與彈體之間的作用力Q引起的摩擦力矩M為:
(23)
式中:rh為彈底壓螺外半徑;f1為滑動導帶環(huán)與彈體間的摩擦力。鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)為0.15,根據(jù)需要,可以增加潤滑涂層,摩擦系數(shù)可以達到0.05以下。
(24)
為了便于積分,近似取平均膛壓Pcp及平均摩擦力Fcp代替公式中的P和F,從而有:
(25)
式中,tg為彈丸沿炮膛運動的時間。
(26)
式中,lg為彈丸沿炮膛運動的全行程。
(27)
以某彈的滑動導帶環(huán)為例,計算彈丸的最小炮口轉(zhuǎn)速[5]為:
ωmin=7.1 r/s
由計算結(jié)果可知,如果滑動導帶環(huán)設計理想,理論上該彈的炮口最小轉(zhuǎn)速可以達到7 r/s左右。但由于有其它因素的影響,尤其代入計算的Fcp與真實的數(shù)據(jù)有出入,滑動導帶環(huán)與彈體接觸面的光潔程度也有差別,目前測得實際的轉(zhuǎn)速要比計算的略高。
某產(chǎn)品的滑動導帶環(huán)設計成三圓孔式結(jié)構(gòu)。在初速為500 m/s時,理論計算的最小炮口轉(zhuǎn)速為7 r/s,實測轉(zhuǎn)速為15.4 r/s,滿足制導控制要求。檢查回收的滑動導帶環(huán),前端面有與彈體的摩擦痕跡,滑動導帶環(huán)內(nèi)及前端面無火藥氣體沖刷痕跡,說明閉氣效果良好,如圖5所示。
圖5 試驗用滑動導帶環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖
給出了該產(chǎn)品滑動導帶體強度與銅制導帶強度的計算方法,并且介紹了轉(zhuǎn)速的理論計算方法,通過計算與仿真,得出該滑動導帶環(huán)的結(jié)構(gòu)強度滿足設計要求,減旋與閉氣效果滿足設計要求,同時進行了試驗,試驗發(fā)現(xiàn):1)滑動導帶環(huán)滿足擠進膛線時的強度要求以及膛內(nèi)運動的正確性要求。2)保證三圓孔結(jié)構(gòu)的配合間隙尺寸,使滑動導帶環(huán)與彈體之間有氣室存在,避免滑動導帶與彈體磕碰,減小彈丸的飛行抖動。3)通過調(diào)整起始接觸面和表面涂覆種類進行交叉組合對比驗證得出,滑動導帶前端面起主要轉(zhuǎn)速影響作用。4)滑動導帶閉氣效果與各部分的尺寸間隙設計有關,驗證了前期理論計算與仿真的正確性。