實彈射擊與炮口沖擊條件下炮架動態(tài)應力測試分析

楊玉良，秦俊奇，狄長春，孫也尊，馬亮星

（1.軍械工程學院火炮工程系，河北石家莊 050003；2.北京軍代局駐247廠軍代室，山西太原 030009；3.山西北方機械制造有限責任公司，山西太原 030009）

實彈射擊與炮口沖擊條件下炮架動態(tài)應力測試分析

楊玉良1，秦俊奇1，狄長春1，孫也尊2，馬亮星3

（1.軍械工程學院火炮工程系，河北石家莊 050003；2.北京軍代局駐247廠軍代室，山西太原 030009；3.山西北方機械制造有限責任公司，山西太原 030009）

炮口沖擊是一種新型的火炮動力后坐模擬試驗方法。針對該試驗方法與實彈射擊時火炮所受載荷區(qū)別問題，在耳軸附近的炮架部位選定位置粘貼應變片，采用應力應變測試系統(tǒng)，測試實彈射擊條件下炮架部位的應力；將火炮安裝在模擬試驗裝置上，設定模擬試驗裝置的沖擊參數(shù)，同理測試炮口沖擊條件下炮架部位的應力；采用第四強度理論計算兩種試驗條件下的相當應力，應力對比結果表明模擬試驗裝置可用來模擬實彈射擊條件下火炮的動態(tài)特性。該研究為火炮模擬試驗裝置廣泛應用于靶場試驗提供了一定的理論依據(jù)。

模擬試驗裝置；實彈射擊；炮口沖擊；相當應力

實彈射擊試驗是檢驗火炮裝備可靠性、可用性、維修性及耐久性的重要技術手段，但由于試驗經(jīng)費及周期的限制，火炮裝備難以在研制、生產(chǎn)及定型階段實施全面、系統(tǒng)、深入的試驗考核，致使火炮列裝部隊后問題層出不窮。鑒于以上原因，國內(nèi)外學者開始研究可行、等效的火炮發(fā)射模擬試驗技術、火炮動態(tài)后坐技術，以部分替代火炮的實彈射擊試驗［12］，并研制了相應的試驗裝置。

火炮模擬試驗裝置如圖1所示，由定位定平系統(tǒng)、高低與距離調(diào)整系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、沖擊頭、波形發(fā)生器及火炮組成。將火炮安裝在模擬試驗裝置上，定位定平系統(tǒng)用于調(diào)整火炮的前后、左右方位，高低與距離調(diào)整系統(tǒng)用于調(diào)整沖擊頭的角度及與火炮炮口之間的距離。其工作原理為：通過液壓系統(tǒng)將沖擊頭加速到一定速度，然后沖擊頭與液壓系統(tǒng)脫離，撞擊安裝在火炮炮口的波形發(fā)生器，進而推動火炮后坐，實現(xiàn)對火炮實彈射擊時后坐過程的模擬。該試驗方法具有經(jīng)濟效益高、安全性能好、可調(diào)節(jié)性強的特點。

火炮在炮膛合力或炮口沖擊載荷的作用下后坐，反后坐裝置提供后坐阻力，炮架承受反作用力。作用在炮架上的載荷大小不僅間接反映了火力系統(tǒng)在后坐過程的受力情況，也影響了底盤系統(tǒng)的運動情況，因此炮架部位的應力分布能夠表征火炮在后坐過程中的載荷情況。筆者在耳軸附近的炮架部位選取位置，對實彈射擊及炮口沖擊試驗條件下的應力進行測試及對比分析。

1 炮口沖擊試驗理論

實彈射擊時，火藥燃燒產(chǎn)生高壓氣體推動火炮后坐，即主動力為作用在身管軸線方向上的炮膛合力Fpt。

式中：mh為后坐部分質(zhì)量；X后坐行程；t為后坐時間；Fpt為炮膛合力；FR為后坐阻力。

基于火炮模擬試驗裝置進行炮口沖擊試驗時，主動力為高速沖擊頭撞擊炮口產(chǎn)生的沖擊載荷。

由式（1）和式（2）可以看出，實彈射擊與炮口沖擊條件下，受力情況基本相同，只是主動力由炮膛合力變換為沖擊載荷，作用位置由炮膛底部變換為炮口，因此當炮口沖擊與實彈射擊條件下火炮具有相似的動態(tài)特性時，沖擊載荷需與炮膛合力基本等效。

炮膛合力曲線具有上升期快、下降期慢的波形特點，但在膛內(nèi)時期基本近似于半正弦波或三角波。半正弦波或三角波的形成裝置主要有橡膠型、高強度塑料、液體（準液體）彈簧、氣體彈簧等，橡膠材料具有質(zhì)量小、高彈性、噪聲小等優(yōu)點，因此波形發(fā)生器采用橡膠型，結構如圖2所示。波形發(fā)生器分為2層，每層有7個橡膠塊，2層之間采用金屬板隔開。

2 炮架應力測試流程

在后坐過程中，炮架受力發(fā)生變形，粘貼在其表面的電阻應變片將隨之產(chǎn)生應變，應變片的電阻值將會產(chǎn)生相應的變化［4-5］。通過橋式測量電路將電阻值的變化轉變成電壓的變化［6］。然后經(jīng)由模擬電路將微弱的電壓信號放大濾波，再通過A／D轉換采集電路把模擬電壓信號轉換為數(shù)字信號，采用應力應變測試系統(tǒng)對數(shù)字信號進行采集。

2.1 應變片粘貼

在耳軸左右兩側下方的炮架部位選定應變測試位置并進行打磨，打磨完成后保證表面光滑平整。將應變片粘貼在指定位置，然后將應變片引出線與信號線焊接在一起，與應力應變測試系統(tǒng)連接起來。采用2個應變片對炮架的2個位置進行應力測試。

2.2 應變測試原理

根據(jù)不同的使用情況，按應變片在橋臂中的數(shù)量可分為單臂（1／4橋）、雙臂（1／2橋）、四臂（全橋）3種接法，本次試驗測試采用單臂接法，橋臂電阻為120Ω，其測試原理如圖3所示。圖中Rg為應變片電阻，R為固定電阻。

由直流電橋原理可得直流電橋的輸出電壓

則

式中：Eg為橋壓；K為應變計靈敏度系數(shù)；ε為輸入應變量；Uo為低漂移差動放大器輸出電壓；KF為低漂移差動放大器增益。

2.3 主應力計算

測試應變片采用直角應變花形式，如圖4所示。

測試部位的主應變?yōu)椋?］

式中：ε0為水平0°方向應變；ε45為45°方向應變；ε90為垂直90°方向應變。

主應力為

式中：μ為泊松比；E為彈性模量。σ1與水平方向夾角φ為

最大剪切力τmax為

2.4 相當應力計算

炮架采用的炮鋼材料為塑性材料，通常以屈服的形式失效，宜采用第三和第四強度理論計算相當應力。

通過式（7）可以得到主應力σ1和σ3，同時主應力σ2＝0，采用第四強度理論得到的相當應力σr__為

3 炮架應力測試結果

在靶場針對某型火炮進行實彈射擊試驗，試驗條件均為常溫、全裝藥及6°射角。采用應力應變測試系統(tǒng)對炮架的2個部位進行應力測試，并采用第四強度理論計算出2個部位在實彈射擊條件下的相當應力。

將火炮安裝在模擬試驗裝置上，調(diào)整沖擊頭與火炮身管的角度，使兩者軸線同軸度控制在φ2 mm范圍以內(nèi)，設定模擬試驗裝置的沖擊參數(shù)：沖擊頭質(zhì)量、沖擊頭速度、波形發(fā)生器材料硬度。同理計算出2個測試部位在炮口沖擊條件下的相當應力。在實彈射擊和炮口沖擊條件下，炮架2個測試部位的相當應力分別如圖5和圖6所示。相當應力最大值對比如表1所示。

由圖5和圖6可以看出，在實彈射擊和炮口沖擊兩種條件下，炮架相當應力曲線在數(shù)值上、形狀上均非常相近，具有較好的一致性。由表1可以看出，2個部位相當應力最大值的誤差分別為14.75%、18.33%。以上數(shù)據(jù)均反映出炮口沖擊條件下相當應力數(shù)值小于實彈射擊條件，可通過增大沖擊頭質(zhì)量、沖擊頭速度來增大炮口沖擊條件下的應力值，使兩種測試條件下的相當應力曲線具有更好的相似效果。

為進一步驗證兩種測試條件的相似效果，試驗過程中同時測試了火炮的后坐位移，對比曲線如圖7所示。

在實彈射擊和炮口沖擊兩種條件下的火炮后坐位移在數(shù)值及形狀上也非常相近，最大后坐位移分別為0.871、0.821 m，誤差為5.74%。后坐位移的趨勢規(guī)律與炮架應力相同，也說明了模擬試驗裝置可用來模擬實彈射擊條件下火炮的動態(tài)特性。

4 結論

筆者分析了實彈射擊與炮口沖擊條件下的火炮受力情況，并采用應變片及應力應變測試系統(tǒng)對炮口沖擊與實彈射擊條件下炮架2個部位的應力進行了測試，測試結果表明模擬試驗裝置能夠模擬實彈射擊條件下火炮的動態(tài)特性。火炮模擬試驗裝置在不發(fā)射實彈的情況下，對火炮的后坐過程進行模擬，可對火炮關重件的強度及壽命進行研究，能產(chǎn)生可觀的軍事經(jīng)濟效益。該研究為火炮模擬試驗裝置在靶場試驗的適用范圍提供了一定的理論依據(jù)。

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Dynamic Stress Test Analysis of Gun Carriage Under Conditions of Ball Firing and Muzzle Impact

YANG Yuliang1，QIN Junqi1，DI Changchun1，SUN Yezun2，MA Liangxing3

（1.Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，Hebei，China；2.Beijing Military Delegation Office Located at Factory 247，Taiyuan 030009，Shanxi，China；3.Shanxi North Machine Manufacturing Co.Ltd，Taiyuan 030009，Shanxi，China）

Muzzle impact is a new type of simulation test method for gun-power-recoil.For the settlement of the load difference problem of the test method and ball firing，strain gauges were attached at the selected location of gun carriage with gun carriage stress being tested under the ball firing condition using stress-strain test system.With the gun mounted on the simulation test machine and impact parameters set，gun carriage stress was tested under the muzzle impact conditions in the same way.Equivalent stress of the two test conditions was calculated based on the Fourth Strength Theory.According to the stress comparison result，simulation test machine can be used to simulate the gun dynamic characteristics of ball firing.The research will provide a theoretical reference for the gun simulation test machine to partially take the place of ball firing.

simulation test machine；ball firing；muzzle impact；equivalent stress

TJ306+.1

A

1673-6524（2015）03-0072-04

2015- 01- 27；

2015- 06- 03

楊玉良（1987－），男，博士研究生，主要從事武器系統(tǒng)仿真與虛擬樣機技術研究。E-mail：yyl_liang＠sina.com