炮塔懸掛對火炮穩(wěn)定精度的影響分析

董 震，邢俊文，郝丙飛，趙 耀（裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京 100072）

炮塔懸掛對火炮穩(wěn)定精度的影響分析

董 震，邢俊文，郝丙飛，趙 耀
（裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京 100072）

為提高坦克在行進間火炮的穩(wěn)定精度，以某型坦克為研究對象，筆者提出在炮塔與車體之間添加橡膠減振器的方案進行隔振優(yōu)化，用狀態(tài)方程建立垂向振動數(shù)學(xué)模型，基于GB7031構(gòu)建隨機路面激勵，通過MATLAB/Simulink進行仿真，分析坦克在行進過程中炮塔的垂向振動特性，結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)的炮塔與車體之間的剛性連接，該方案能夠有效減緩炮塔的振動，進而提高火炮在坦克射擊時的穩(wěn)定精度。

炮塔懸掛；穩(wěn)定精度；橡膠墊圈；仿真分析

0　引言

當前，隨著火控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，坦克在靜止時的射擊精度已經(jīng)較高，但是在進行間的射擊精度還有待提高。如何提高行進間的射擊精度，已成為熱門的研究方向。本文通過對炮塔進行隔振，在盡可能小的程度上進行改裝，以達到減緩炮塔振動、提高射擊時穩(wěn)定精度的目的。本文將坦克簡化為車體與炮塔兩個部分，同時把橡膠墊圈簡化為一個彈簧—阻尼系統(tǒng)，對此進行建模與仿真分析，通過改變橡膠墊圈的剛度與阻尼，以達到一個較為理想的減振狀態(tài)，進而提高行進間火炮的穩(wěn)定精度。

1　評價指標

本文以某型主戰(zhàn)坦克為研究對象。根據(jù)125mm坦克炮立靶密集度試驗要求，考慮外彈道影響，推算得出炮口垂向線速度的近似值；同時由于內(nèi)彈道和耳軸對炮口的影響，估算得到炮塔垂向線速度范圍。通過建模與仿真分析，對比有、無橡膠墊圈時炮塔振動的兩種情況，并與估算得出的炮塔垂向線速度范圍進行比較，以此對橡膠減振器的作用作出合理的評價分析。

2　建模

2.1建立隨機路面模型

當把汽車近似作為線性系統(tǒng)處理時，掌握了輸入的路面不平度功率譜以及車輛系統(tǒng)的頻響函數(shù)，就可以求出各響應(yīng)物理量的功率譜，用來分析振動系統(tǒng)參數(shù)對各響應(yīng)物理量的影響和評價平順性。

在1984年國際標準化組織在文件ISO/TC 108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方法草案”和國內(nèi)由長春汽車研究院所起草制定的GB7031《車輛振動輸入—路面平度表示》標準之中，兩個文件均提出了按路面功率譜密度把路面的不平程度分為8級。表1規(guī)定了各級路面不平度系數(shù)Gq（ n0）的幾何平均值，分級路面譜的頻率指數(shù)W=2。表上還同時列出了范圍路面不平度相應(yīng)的均方根值qrms（σq）的幾何平均值。

表1　路面不平度8級分類標準

由于125mm坦克炮立靶密集度試驗是在硬土路上進行的，根據(jù)路面不平度8級分類標準，硬土路應(yīng)屬C級或D級路面，本文利用Matlab建立隨機路面模型。

2.2建立振動模型

2.2.1無橡膠墊圈時的單質(zhì)量振動模型

無橡膠墊圈時，坦克的簡化模型如圖1所示。

圖1　坦克的簡化模型（無墊圈）

應(yīng)用牛頓運動定律，即可導(dǎo)出由圖1所示坦克模型的運動方程，其表達式如下：

式中，m為車體與炮塔的質(zhì)量和；k’為懸架彈簧剛度；c’為懸架阻尼系數(shù)。

根據(jù)運動方程，利用Matlab建立數(shù)學(xué)模型。

2.2.2有橡膠墊圈時的雙質(zhì)量振動模型

有橡膠墊圈時，坦克的簡化模型如圖2所示。

圖2　坦克的簡化模型（有墊圈）

應(yīng)用牛頓運動定律，即可導(dǎo)出由圖5所示坦克模型的運動方程，其表達式如下：

式中，m1為車體的質(zhì)量；m2為炮塔的質(zhì)量；k’為懸架彈簧剛度；c’為懸架阻尼系數(shù)；k為橡膠墊片剛度；c為橡膠墊片阻尼。

將式2與式3化為矩陣形式：

根據(jù)運動方程，利用Matlab建立數(shù)學(xué)模型。

3　仿真分析

3.1單質(zhì)量系統(tǒng)的建模與仿真

利用Simulink對無橡膠墊圈時的單質(zhì)量系統(tǒng)進行建模，如圖3所示。

圖3　單質(zhì)量系統(tǒng)的仿真模型

在10s內(nèi)的仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4　炮塔垂向位移曲線

圖5　炮塔垂向速度曲線

3.2雙質(zhì)量系統(tǒng)的建模與仿真

利用Simulink對有橡膠墊圈時的雙質(zhì)量系統(tǒng)進行建模，如圖6所示。

圖6　雙質(zhì)量系統(tǒng)的仿真模型

在10s內(nèi)的仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖7　炮塔垂向位移曲線

圖8　炮塔垂向速度曲線

3.3仿真結(jié)果對比分析

通過圖7與圖4、圖8與圖5對比，可以看出：在C級隨機路面下進行仿真分析，添加橡膠墊圈后，炮塔的垂向最大位移由0.03m減小到0.018m，炮塔的垂向最大速度由0.12m/s減小到0.02m/s，并且振動頻率大大減小。

4　結(jié)論

通過在炮塔和車體之間添加橡膠減振器，能夠有效地減小炮塔在行進過程中的垂向位移和垂向速度，尤其是垂向速度，其減小的幅度十分明顯，同時炮塔的振動頻率也大幅下降。這種在炮塔和車體之間添加橡膠減振器的方案，能夠減緩炮塔振動，進而可以提高火炮行進間的穩(wěn)定精度，并對坦克在行進間射擊精度的提高也有十分積極的影響。

［1］余志生.汽車理論第5版［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:3.

［2］喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:7.

［3］（德）威魯麥特.車輛動力學(xué)模擬及其方法［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998:5.

［4］李魁武，王寶元.火炮射擊密集度研究方法［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012:5.

［5］常冠軍.橡膠常用數(shù)據(jù)速查手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012:10.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.224