某車載榴彈炮射擊密集度超差因素分析

李 雷，張培林，楊國來，傅建平

（1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

射擊密集度是火炮武器的核心指標(biāo)，如何提高射擊密集度是火炮研究人員追求的永恒課題，但由于射擊密集度是一個(gè)屬于系統(tǒng)層次上的問題，與發(fā)射平臺(tái)、彈藥和氣象條件等密切相關(guān)，其影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，因此，在火炮武器的研發(fā)過程中經(jīng)常出現(xiàn)射擊密集度超差現(xiàn)象。本文以此為研究背景，針對(duì)某車載榴彈炮射擊密集度超差問題，結(jié)合火炮拆檢和摸排分析，梳理出影響該炮射擊密集度的因素主要包括炮口初速和上架聯(lián)接螺栓松動(dòng)，在理論建模分析和實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，有效地解決了射擊密集度超差問題。

1 射擊密集度超差因素分析

某車載榴彈炮在進(jìn)行射擊密集度試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了縱向射擊密集度超差現(xiàn)象，如表1所示，縱向設(shè)計(jì)密集度平均值為1／291，最差的1組僅為1／194，超出了1／300指標(biāo)要求。

為了分析影響火炮射擊密集度的主要因素，對(duì)火炮技術(shù)狀態(tài)與射擊條件進(jìn)行了認(rèn)真的摸排，梳理的主要結(jié)果包括：

1）實(shí)彈射擊后炮身圓柱端與搖架配合間隙為0.23mm，滿足設(shè)計(jì)區(qū)間0.2～0.5mm要求。

2）檢查與分解該火炮過程中，發(fā)現(xiàn)火炮回轉(zhuǎn)座圈與上架的連接螺栓有5或6個(gè)螺母有松動(dòng)現(xiàn)象。

3）射擊時(shí)對(duì)液壓支撐腿進(jìn)行限位，排除液壓支撐腿狀態(tài)不一致的影響。

4）根據(jù)后坐部分e值，射擊均采用由下往上排空回，操作狀態(tài)一致。

5）兩次射擊都在泥土地里進(jìn)行，且溫度、風(fēng)速?zèng)]有發(fā)生明顯變化，射擊環(huán)境基本一致。

6）射擊采用同一批次彈藥且藥溫保持一致，初速或然誤差控制在1m·s－1之內(nèi)，但該炮的其他射擊試驗(yàn)也有初速或然誤差大于1m·s－1的記錄。

表1 實(shí)彈射擊密集度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental result of actual firing density

根據(jù)上述結(jié)果，重點(diǎn)研究初速或然誤差和螺栓松動(dòng)對(duì)射擊密集度的影響程度。

2 上架聯(lián)接螺栓松動(dòng)對(duì)炮口擾動(dòng)的影響分析

建立上架本體、聯(lián)接座圈和活動(dòng)座圈的有限元模型，聯(lián)接座圈和活動(dòng)座圈根據(jù)實(shí)際的聯(lián)接關(guān)系，利用18個(gè)螺栓聯(lián)接單元模擬，當(dāng)螺栓松動(dòng)時(shí)釋放對(duì)應(yīng)的螺栓聯(lián)接單元。分別對(duì)聯(lián)接螺栓緊固（記為工況1）和左側(cè)6個(gè)螺栓松動(dòng)（記為工況2）的上架模態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，其中工況2與工況1相比，一階和二階彎曲頻率（高低方向）下降10%以上，3、4、5階則下降20%以上［1］。

上架彎曲頻率下降說明上架剛度下降，從而使炮架整體剛度下降，而研究表明［1］，如果炮架整體剛度下降，由于火炮機(jī)構(gòu)空回、彈藥參數(shù)等的隨機(jī)性，則火炮發(fā)射平臺(tái)振動(dòng)引起的牽連炮口擾動(dòng)一致性變差，從而使火炮射擊密集度性能下降。

將上架模態(tài)中性文件（MNF文件）導(dǎo)入到車載炮多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中，為了反映螺栓松動(dòng)時(shí)引起的沖擊碰撞，將連接座圈松動(dòng)螺栓處對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)定義成界面節(jié)點(diǎn)，在活動(dòng)座圈上平面定義一平面，該平面與活動(dòng)座圈固結(jié)，定義螺栓界面節(jié)點(diǎn)與該平面的接觸關(guān)系?？紤]裝藥和間隙的隨機(jī)性，模擬了50發(fā)彈丸（底凹彈，全裝藥，常溫，射角45°）發(fā)射時(shí)的炮口擾動(dòng)。結(jié)果表明上架左側(cè)螺栓松動(dòng)后，炮口高低方向角速度由緊固時(shí)的－2.441（°）∕s（平均值）增大到－6.138（°）∕s，炮口高低速度由－0.131m·s－1變?yōu)椋?.158 7m·s－1，因此螺栓松動(dòng)后將會(huì)引起炮口擾動(dòng)急劇增大，使火炮的射擊密集度難以滿足指標(biāo)要求。

3 炮口初速或然誤差對(duì)射擊密集度的影響分析

利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布模擬彈藥參數(shù)、火炮機(jī)構(gòu)空回等的隨機(jī)性，基于火炮多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)上模型獲得隨機(jī)的炮口擾動(dòng)，再模擬氣象條件和彈丸參數(shù)的隨機(jī)性，利用外彈道計(jì)算程序獲得隨機(jī)的彈著點(diǎn)。

利用中間偏差計(jì)算地面密集度的計(jì)算公式［2］為：

式中：xi，zi（i＝1，2，…，n）分別為第i發(fā)炮彈彈著點(diǎn)在距離和方向上的坐標(biāo)；n為某組發(fā)射彈丸的發(fā)數(shù)分別為彈著點(diǎn)xi和zi坐標(biāo)的平均值。

為了分析初速或然誤差對(duì)車載炮縱向射擊密集度的影響，利用密集度模型［3－4］計(jì)算初速或然誤差分別為0.5、0.8、1.0、1.3、1.6、1.8m·s－1時(shí)的底凹彈縱向射擊密集度，每個(gè)初速或然誤差計(jì)算5組，每組樣本量為150發(fā)?？v向射擊密集度與初速或然誤差的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可以看出，初速或然誤差對(duì)縱向密集度影響較大，當(dāng)初速或然誤差大于1.6m·s－1時(shí)，初速因素影響的遠(yuǎn)程縱向密集度將大于1／300，無法判定火炮發(fā)射平臺(tái)性能對(duì)射擊密集度的影響程度；在1.3m·s－1左右則是臨界狀態(tài)；當(dāng)初速或然誤差控制在1.0m·s－1以下時(shí)，火炮發(fā)射平臺(tái)性能對(duì)縱向密集度的影響將占主導(dǎo)因素。

4 實(shí)彈射擊試驗(yàn)與結(jié)果分析

改進(jìn)回轉(zhuǎn)座圈與上架的連接螺栓結(jié)構(gòu)及緊固方式，將回轉(zhuǎn)座圈與上架的連接螺栓由采用開槽螺母緊固改為采用緊固效果更好的雙螺母緊固。測(cè)試條件保持一致，再次進(jìn)行實(shí)彈射擊密集度驗(yàn)證試驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 火炮密集度驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result of gun firing density verification

本次試驗(yàn)結(jié)果顯示，解決螺栓松動(dòng)問題后，火炮地面密集度縱向散布得到了明顯改善，平均值為1／339，達(dá)到了1／300的縱向散布指標(biāo)要求。同時(shí)可以看出，當(dāng)初速或然誤差較大時(shí)（如第3組），火炮的縱向射擊密集度會(huì)較差，與理論分析結(jié)果基本一致。

5 結(jié) 論

本文主要對(duì)某車載榴彈炮密集度超差的原因進(jìn)行了分析研究。通過分析，梳理出螺栓松動(dòng)和初速或然誤差較大是造成車載炮縱向射擊密集度超差的主要原因。通過對(duì)上架進(jìn)行有限元建模與分析，得出了上架聯(lián)接螺栓松動(dòng)導(dǎo)致火炮整體剛度下降，炮口擾動(dòng)增大，從而降低地面密集度的結(jié)論。利用基于隨機(jī)炮口擾動(dòng)的外彈道計(jì)算模型統(tǒng)計(jì)火炮射擊密集度，在此基礎(chǔ)上分析初速或然誤差對(duì)射擊密集度的影響，分析表明，初速或然誤差大于1.6m·s－1時(shí)，火炮的縱向射擊密集度將很差。需要說明的是，本文建立的上架螺栓聯(lián)接模型只能非常近似地反映螺栓聯(lián)接的主要力學(xué)現(xiàn)象，與實(shí)際的聯(lián)接情況相比還有較大的差距；利用正態(tài)分布的方法模擬火炮系統(tǒng)的隨機(jī)因素也不夠精確，射擊密集度模型也是非常粗糙的。因此，理論模型預(yù)測(cè)的結(jié)果僅從方向和趨勢(shì)上反映螺栓松動(dòng)和初速或然誤差過大造成的不利影響，為火炮的工程研制提供一定的理論參改。

（References）

［1］李雷，楊國來，張培林，等.上架聯(lián)接螺栓的炮口擾動(dòng)建模及影響［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31（10）：82－84.LI Lei，YANG Guo－lai，ZHANG Pei－lin，et al.Modeling of muzzle disturbance with consideration of looseness of bolts used in connecting upper carriage and its effects［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2010，31（10）：82－84.（in Chinese）

［2］錢林方，侯保林.火炮彈道學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.QIAN Lin－fang，HOU Bao－lin.Artillery ballistics［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2009.（in Chinese）

［3］楊國來，葛建立，陳強(qiáng).火炮虛擬樣機(jī)技術(shù)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2010.YANG Guo－lai，GE Jian－li，CHEN Qiang.Virtual Prototyping of Artillery［M］.Beijing：The Pablishing House of Ordnance Industry，2010.（in Chinese）

［4］陳運(yùn)生，楊國來.自行火炮動(dòng)力學(xué)的Kane方法建模研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，1996（1）：1－4.CHEN Yun－sheng，YANG Guo－lai.The Kane method modeling for the self－propelled gun dynamics［J］.Jorunal of Gun Launch and Control，1996（1）：1－4.（in Chinese）