趙 凡，李宜丁，房世義

(山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030009)

0 引言

車(chē)載榴彈炮為了避免后坐時(shí)后坐部分與地面或車(chē)體碰撞，將后坐部分相對(duì)耳軸向前布置，起落部分重心位于耳軸前，于是產(chǎn)生了一個(gè)使炮口向下的重力矩。平衡機(jī)的作用是提供一個(gè)相對(duì)于耳軸的平衡力矩來(lái)克服火炮起落部分的重力矩，保證高低機(jī)操作時(shí)打高輕便、打低平穩(wěn)[1-3]。高平機(jī)兼具高低機(jī)和平衡機(jī)的雙重作用，本文建立全炮動(dòng)力學(xué)模型，得到高平機(jī)在不同射角下的受力特性，通過(guò)計(jì)算和測(cè)試結(jié)果分析高平機(jī)的性能。

1 高平機(jī)結(jié)構(gòu)原理

采用液體氣壓式高平機(jī)，在MATLAB中建立了以整個(gè)射角范圍內(nèi)的最大不平衡力矩為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB優(yōu)化工具箱對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，降低了起落部分不平衡力矩，根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后參數(shù)完成液體氣壓式高平機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4-7]。

高平機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其中內(nèi)筒、中筒和下鉸支構(gòu)成了上行腔，中筒和外筒構(gòu)成下行腔，上螺母、內(nèi)筒和外筒構(gòu)成平衡腔并與蓄能器聯(lián)通。

內(nèi)筒采用中空的形式，一方面減輕了高平機(jī)的重量，有利于高平機(jī)減重，而又不影響高平機(jī)穩(wěn)定性；另一方面液壓油可以通過(guò)內(nèi)筒進(jìn)入高低機(jī)的上行腔，在結(jié)構(gòu)上不必在下端開(kāi)設(shè)液壓油口，可以有效減小高平機(jī)總體結(jié)構(gòu)尺寸。

中筒通過(guò)下鉸支與上架鉸接，相對(duì)于上架只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。中筒左端的活塞與內(nèi)、外筒接觸，中筒內(nèi)壁與內(nèi)筒外壁留有相對(duì)運(yùn)動(dòng)間隙，內(nèi)側(cè)有起支撐作用的導(dǎo)向件，以提高高平機(jī)穩(wěn)定性。

外筒左端通過(guò)連接螺母與內(nèi)筒固定連接在一起，即相對(duì)內(nèi)筒沒(méi)有運(yùn)動(dòng)。上鉸支的位置設(shè)定在外筒的中間位置，以焊接方式連接，以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)上的要求。

1-上端蓋；2-上螺母；3-內(nèi)筒；4-活塞；5-上鉸支；6-外筒；7-密封端蓋；8-下螺母；9-下鉸支；10-中筒

2 動(dòng)力學(xué)模型建立

以全炮為對(duì)象，對(duì)全炮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行模擬計(jì)算分析[8-12]，以獲得火炮發(fā)射時(shí)高平機(jī)的受力特性。計(jì)算工況包括：①火炮方向射角為0°，高低射角為70°；②火炮方向射角為45°，高低射角為0°。全炮三維模型如圖2所示。

圖2 全炮三維模型

2.1 基本假設(shè)

實(shí)際情況下，火炮系統(tǒng)的發(fā)射是一個(gè)運(yùn)動(dòng)和受力非常復(fù)雜的過(guò)程[13]，火炮系統(tǒng)所有的零部件都是彈性體或彈塑性體，且火炮各零部件之間都存在著配合間隙。為了研究高平機(jī)對(duì)火炮發(fā)射過(guò)程的影響，本模型中不考慮彈丸運(yùn)動(dòng)的影響，在火炮系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型的建立和仿真分析時(shí)，進(jìn)行以下假設(shè)：

(1) 全炮除輪胎外皆視為剛體，對(duì)高平機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，用彈簧代替。

(2) 后坐部分相對(duì)搖架沿炮膛軸線(xiàn)方向做后坐和復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

(3) 搖架相對(duì)上架繞耳軸做轉(zhuǎn)動(dòng)。

(4) 上架相對(duì)車(chē)架做轉(zhuǎn)動(dòng)。

(5) 車(chē)輪相對(duì)車(chē)架做上下運(yùn)動(dòng)。

2.2 全炮拓?fù)潢P(guān)系

基于以上基本假設(shè)建立車(chē)載炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型，模型拓?fù)潢P(guān)系如圖3所示。

圖3 全炮拓?fù)潢P(guān)系

圖3中，h表示部件與部件之間的連接關(guān)系和力作用關(guān)系，h1、h2、h3、h4分別為前輪、千斤頂、后輪、大架與地面間的作用力(包括垂直和水平分量)；h5、h7代表懸掛，即車(chē)架與輪胎間聯(lián)接，包括滑移鉸和等效線(xiàn)性彈簧阻尼器；h6為車(chē)架與千斤頂?shù)穆?lián)接及作用力；h8為車(chē)架與大架間的聯(lián)接及作用力；h9為上架與車(chē)架間的聯(lián)接及作用力；h10為搖架與上架間的聯(lián)接及作用力；火炮發(fā)射時(shí)，后坐部分相對(duì)搖架沿炮膛軸線(xiàn)方向做后坐和復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)，即具有一個(gè)平動(dòng)自由度，h11表示滑移副以及后坐部分與搖架間的反后坐裝置力、摩擦力。

2.3 受力分析

本模型中不考慮彈丸運(yùn)動(dòng)的影響。

(1) 炮身部分：炮身后坐時(shí)與反后坐裝置相互作用，作用在后坐部分的力有炮膛合力、駐退機(jī)液壓阻力、復(fù)進(jìn)機(jī)力、導(dǎo)軌摩擦力和后坐部分重力。

(2) 搖架部分：作用在搖架部分的力和力矩除搖架自重外，還有導(dǎo)軌摩擦力、駐退機(jī)力、復(fù)進(jìn)機(jī)力、高平機(jī)力、上架對(duì)耳軸的反作用力及對(duì)應(yīng)的力矩。

(3) 上架部分：搖架耳軸對(duì)耳軸支架的作用力、高平機(jī)反作用力、座圈支反力和上架自重。

(4) 車(chē)身部分：上架座圈對(duì)車(chē)體的作用力、輪胎對(duì)車(chē)架的作用力、大架對(duì)車(chē)體的作用力和車(chē)身自重。

(5) 輪胎部分：車(chē)架對(duì)輪胎的作用力、輪胎與地面的作用力。輪胎與地面間的作用力包括了輪胎與地面的摩擦及輪胎的滑移、側(cè)偏、變形所產(chǎn)生的力和力矩。

(6) 大架、千斤頂部分：車(chē)架對(duì)大架的作用力、大架與地面的作用力。

3 鎖定液壓油柱剛度的確定

一般在液壓系統(tǒng)中認(rèn)為液壓油是不可壓縮的，但是，實(shí)際工作過(guò)程中當(dāng)有很大的沖擊載荷時(shí)液壓油會(huì)像彈簧一樣被壓縮，因此需要用等效的剛度來(lái)描述液壓油的彈性。

火炮射擊時(shí)，高平機(jī)的上行腔和下行腔均處于閉鎖狀態(tài)，上行腔和下行腔工作面積相等，均為1 590.4 mm2。

液壓油柱剛度計(jì)算公式為:

(1)

其中：K為油液的體積彈性模量，取K=-1.7×103MPa；A為高平機(jī)上行腔或下行腔工作面積，mm2；L為液壓油柱高度，mm；dL為液壓油柱高度變化量。當(dāng)dL=1 mm時(shí)，由式(1)計(jì)算得到的即為被鎖定的液壓油柱的剛度，見(jiàn)表1。

表1 液壓油柱高度和等效剛度

4 基本數(shù)據(jù)

采用某122 mm榴彈炮制式底凹彈全裝藥內(nèi)彈道參數(shù)進(jìn)行分析，炮膛合力-時(shí)間曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 全裝藥炮膛合力-時(shí)間曲線(xiàn) 圖5 方向射角0°、高低射角靶場(chǎng)進(jìn)行樣機(jī)摸底射擊試驗(yàn)圖6 方向射角45°、高低射角 70°高平機(jī)油缸力 0°高平機(jī)油缸力

5 仿真結(jié)果

(1) 方向射角0°，高低射角70°，高平機(jī)油缸力如圖5所示。

(2) 方向射角45°，高低射角0°，高平機(jī)油缸力如圖6所示。

6 測(cè)試結(jié)果

在247廠(chǎng)靶場(chǎng)進(jìn)行樣機(jī)摸底射擊試驗(yàn)，結(jié)合千米立靶密集度射擊試驗(yàn)和強(qiáng)度考核射擊試驗(yàn)進(jìn)行了高平機(jī)內(nèi)腔液壓測(cè)試。

液壓測(cè)試時(shí)，在測(cè)點(diǎn)位置安裝液壓傳感器，將測(cè)點(diǎn)處的液壓變化轉(zhuǎn)化為電阻量的變化，通過(guò)測(cè)量電路的輸出電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)處液壓值的測(cè)量。液壓測(cè)試系統(tǒng)組成框圖如圖7所示。

圖7液壓測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

液壓測(cè)試測(cè)點(diǎn)位置：右高平機(jī)上腔和下腔。

射向45°，高低射角0°，射彈數(shù)6發(fā)，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。射向0°，高低射角70°，射彈數(shù)2發(fā)，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 0°高低射角高平機(jī)腔內(nèi)液壓測(cè)試數(shù)據(jù)(全裝藥)

表3 70°高低射角高平機(jī)腔內(nèi)液壓測(cè)試數(shù)據(jù)(強(qiáng)裝藥)

由表2可知：射向45°、高低射角0°射擊試驗(yàn)中，右高平機(jī)上腔的初壓力穩(wěn)定在1.5 MPa左右，壓力峰值的平均值在14 MPa左右；右高平機(jī)下腔的初壓力穩(wěn)定在3.5 MPa左右，壓力峰值的平均值在12 MPa左右。

由表3可知：射向0°、高低射角70°射擊試驗(yàn)中，右高平機(jī)上腔的初壓力穩(wěn)定在1 MPa左右，壓力峰值的平均值在16 MPa左右；右高平機(jī)下腔的初壓力穩(wěn)定在1.5 MPa左右，壓力峰值的平均值在22 MPa左右。

7 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

(1) 圖8為第5發(fā)射彈右高平機(jī)下腔測(cè)點(diǎn)的液壓曲線(xiàn)。對(duì)比分析仿真結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)，高低射角0°時(shí)二者曲線(xiàn)變化一致，測(cè)試壓力峰值接近12 MPa，受力為19 084 N，與仿真結(jié)果受力25 058 N偏差約為23%，在誤差允許范圍內(nèi)，仿真結(jié)果可信，能夠反映高平機(jī)工作特性。

圖8 第5發(fā)射彈右高平機(jī)下腔液體壓力曲線(xiàn)

(2) 射向0°、高低射角70°時(shí)測(cè)試壓力峰值的平均值在22 MPa左右，與仿真結(jié)果偏差較大，分析原因主要有兩點(diǎn)：一是高低射角70°射擊時(shí)為強(qiáng)裝藥，而仿真初始膛壓數(shù)據(jù)采用全裝藥內(nèi)彈道參數(shù)；二是高低射角70°高平機(jī)下腔液柱短，此時(shí)用等效的剛度來(lái)描述液壓油的彈性存在較大偏差。