火炮高低齒弧力的動(dòng)態(tài)測(cè)試及分析

張世全

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

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火炮高低齒弧力的動(dòng)態(tài)測(cè)試及分析

張世全

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

為準(zhǔn)確計(jì)算和判斷火炮高低齒弧的動(dòng)態(tài)受力，減小工程類比計(jì)算產(chǎn)生的誤差，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足的問(wèn)題，以某火炮為對(duì)象，介紹了一種通過(guò)應(yīng)變測(cè)試得出高低齒弧力的方法，給出了在后坐阻力、平衡性能和排空回方向等不同條件下高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試曲線。測(cè)試結(jié)果表明：火炮后坐期間高低齒弧力曲線存在波谷與波峰的交替，最大值發(fā)生在后坐終止點(diǎn)；與測(cè)試算值相比較，傳統(tǒng)計(jì)算值存在很大的誤差；高低齒弧受力的動(dòng)態(tài)測(cè)試值，可為確定火炮高低機(jī)射擊載荷和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可信數(shù)據(jù)。

火炮；高低機(jī)；齒弧力；動(dòng)態(tài)測(cè)試

火炮射擊時(shí)，高低齒弧在瞬態(tài)強(qiáng)沖擊作用下所受動(dòng)態(tài)力的大小和方向難以準(zhǔn)確計(jì)算,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生高低機(jī)齒弧牙齒折斷的現(xiàn)象[1]。工程實(shí)際中常采用傳統(tǒng)算法或類比法計(jì)算齒弧力，但由于類比對(duì)象間的總體特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異，使計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大誤差并給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了難度。

筆者以某火炮為對(duì)象，通過(guò)應(yīng)變法所測(cè)數(shù)值來(lái)分析高低齒弧在后坐過(guò)程中的受力狀態(tài)，并與傳統(tǒng)計(jì)算法進(jìn)行比較，為火炮高低機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 傳統(tǒng)算法

1.1 算法簡(jiǎn)述

高低齒弧力的傳統(tǒng)計(jì)算以起落部分為分析對(duì)象，考慮了動(dòng)力偶矩、后坐合力矩和不平衡力矩的影響而推導(dǎo)出來(lái)的。高低齒弧力F的計(jì)算公式為[2-3]：

(1)

式中：F為高低齒弧力計(jì)算值；Ppte為動(dòng)力偶矩；FR為后坐合力，與后坐阻力數(shù)值大小相同；d為后坐部分質(zhì)心與耳軸中心之間的距離；ΔM為不平衡力矩；Q0為后坐部分質(zhì)量；X為后坐行程；ρ為高低齒弧節(jié)圓半徑；φ為射角；γ為齒弧嚙合壓力角。

通常計(jì)算射角φ=0°及φ=φmax時(shí)最大膛壓點(diǎn)、最大后坐阻力點(diǎn)和后坐終止點(diǎn)的F值，并取其最大者作為作用在高低齒弧上的最大載荷。

1.2 存在問(wèn)題

傳統(tǒng)算式的推導(dǎo)是建立在架體和地面絕對(duì)剛性、架體間無(wú)間隙接觸、射擊作用力處于射面內(nèi)、全炮處于靜止平衡狀態(tài)等假設(shè)條件基礎(chǔ)上，未考慮火炮射擊穩(wěn)定性和固定性對(duì)高低機(jī)的動(dòng)載影響，也未考慮彈丸對(duì)不平衡力矩等的影響。即便在該假設(shè)條件下，采用式(1)計(jì)算也存在以下主要誤差：

1)動(dòng)力偶矩的理論值與實(shí)際值存在差異，計(jì)算中常采用修正系數(shù)。

2)e值的設(shè)計(jì)值和實(shí)際值存在差異，尤其對(duì)口徑倍數(shù)較大的長(zhǎng)身管，測(cè)試e值同樣具有一定誤差，且在水平和高角狀態(tài)由于身管重力對(duì)e值的影響不同[4]，甚至e值很小時(shí)不同射角存在作用方向相反的情況。

3)d值與身管導(dǎo)向間隙和支撐位置等有關(guān)，同樣存在數(shù)值誤差。

4) FR值的實(shí)際值與設(shè)計(jì)計(jì)算值存在較大差異。

5)各力矩動(dòng)態(tài)變化，在某一動(dòng)態(tài)時(shí)刻的實(shí)時(shí)值難以準(zhǔn)確求得。

2 測(cè)試方法

鑒于傳統(tǒng)計(jì)算方法中諸多誤差影響，筆者通過(guò)分析高低機(jī)主軸的應(yīng)變類型，確定電阻應(yīng)變貼片方式和組橋方式，測(cè)試高低機(jī)主軸的工作狀態(tài)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)獲得高低齒弧力F的數(shù)值大小。

火炮在俯仰瞄準(zhǔn)過(guò)程中，高低機(jī)主軸僅受到不平衡力矩產(chǎn)生的作用。而在射擊過(guò)程中高低機(jī)主軸受彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸向力的合成作用。在扭轉(zhuǎn)-彎曲-拉伸組合受力狀態(tài)下，需測(cè)取扭轉(zhuǎn)主應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片的布片如圖1和圖2所示。接橋方式如圖3所示，電橋形式為全橋相鄰臂，溫度補(bǔ)償為互為補(bǔ)償，輸出應(yīng)變值為所測(cè)應(yīng)變值的4倍[5-6]。

在高低機(jī)主軸受扭端圓周成180°方向各取2點(diǎn)，分別與軸線成±45°的方向上貼2個(gè)應(yīng)變片，電橋輸出為

(2)

式中：U1為電橋輸出電壓；U0為供橋電壓；K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)；εY為應(yīng)變儀讀數(shù)。

由于拉壓和彎曲應(yīng)變已經(jīng)由電橋自動(dòng)消除，而在與軸線成45°方向上扭矩作用產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)變?chǔ)舗與應(yīng)變儀讀數(shù)εY的關(guān)系為εY=4εn。

所測(cè)扭矩為

(3)

高低齒弧力的測(cè)試值為

(4)

式中, ρ′為高低機(jī)主軸嚙合齒節(jié)圓半徑。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

試驗(yàn)時(shí)保持動(dòng)力偶矩和射角不變，通過(guò)對(duì)不同后坐阻力值、不同平衡性能和不同排空回方向的影響分別測(cè)試并分析不同高低齒弧力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

3.1 后坐阻力的影響

在單純考慮后坐阻力的影響時(shí)，選擇同樣平衡性能的工況進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試了在不同后坐阻力規(guī)律作用下高低機(jī)主軸應(yīng)變的變化情況。后坐阻力FR值(用制退機(jī)主工作腔壓力曲線表示)與高低齒弧力(用高低機(jī)主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變?chǔ)臲表示)的對(duì)應(yīng)變化曲線見圖4。圖中曲線1表示高低齒弧力作用于高低機(jī)主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變?chǔ)臲，曲線2表示制退機(jī)主工作腔壓力。

從圖4可以看出，膛內(nèi)時(shí)期扭轉(zhuǎn)應(yīng)變曲線向下表示高低齒弧(前側(cè)外嚙合)相對(duì)高低機(jī)主軸向下運(yùn)動(dòng)(即高低齒弧力斜向上)。當(dāng)制退機(jī)主工作腔壓力(即后坐阻力)達(dá)到最大時(shí)，應(yīng)變曲線達(dá)到谷值。之后應(yīng)變曲線向上表示高低齒弧相對(duì)高低機(jī)主軸向上運(yùn)動(dòng)(即高低齒弧力斜向下)。當(dāng)后坐終止時(shí)應(yīng)變曲線向上運(yùn)動(dòng)達(dá)到峰值(即在此刻高低齒弧力達(dá)到最大值)。

圖5表示了不同后坐阻力所對(duì)應(yīng)的高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)變曲線，其中曲線1表示炮口點(diǎn)低后坐阻力對(duì)應(yīng)的膛內(nèi)時(shí)期高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)變曲線;曲線2表示炮口點(diǎn)高后坐阻力對(duì)應(yīng)的膛內(nèi)時(shí)期高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)變曲線。從圖5可以看出，兩種不同炮口點(diǎn)后坐阻力，對(duì)高低齒弧力的影響在膛內(nèi)時(shí)期存在差異，此后的變化趨勢(shì)及數(shù)值的差異性不大(圖中未列出曲線)。即炮口點(diǎn)后坐阻力大的，膛內(nèi)時(shí)期高低齒弧力的變化幅度和對(duì)應(yīng)數(shù)值也大。這一結(jié)論證實(shí)了降低炮口點(diǎn)后坐阻力對(duì)減小膛內(nèi)時(shí)期高低齒弧受力和起落部分振動(dòng)是有利的。

3.2 排空回方向的影響

在保持同樣后坐阻力規(guī)律的條件下，驗(yàn)證排空回方向?qū)Ω叩妄X弧力的影響。圖6表示不同排空回方向?qū)?yīng)高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)測(cè)試應(yīng)變?cè)谔艃?nèi)時(shí)期的變化情況，其中曲線1和2分別表示在過(guò)平衡條件下向下和向上排空回時(shí)高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)測(cè)試應(yīng)變?cè)谔艃?nèi)時(shí)期的變化情況。圖7中的3條曲線分別表示在欠平衡條件下向上排空回和向下排空回對(duì)應(yīng)高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)測(cè)試應(yīng)變?cè)谔艃?nèi)時(shí)期的變化情況。表1列出了幾種不同條件下高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的對(duì)照情況。

表1 不同條件下高低機(jī)主軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的對(duì)照情況

可以看出，對(duì)外嚙合齒弧式高低機(jī)來(lái)說(shuō)，采用向上排空回時(shí)，不管平衡機(jī)的性能如何，膛內(nèi)時(shí)期扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的變化趨勢(shì)基本相同，并存在明顯的抖動(dòng)現(xiàn)象。而采用向下排空回時(shí)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的變化相對(duì)平緩，尤其在過(guò)平衡狀態(tài)下變化更加平穩(wěn)。這一結(jié)論對(duì)指導(dǎo)火炮瞄準(zhǔn)操作方式以提高射擊精度有重要意義。

3.3 平衡性能的影響

選擇同樣后坐阻力規(guī)律的工況，測(cè)試在ΔM>0(過(guò)平衡)和ΔM<0(欠平衡)2種不同平衡性能條件下高低齒弧力的變化情況，其測(cè)試曲線如圖6所示，其中曲線3表示欠平衡，曲線2表示過(guò)平衡。

由于欠平衡與過(guò)平衡在射前存在差異，如保持火炮排空回方式等操作相同的情況下，結(jié)合表1可以看出，2種不同平衡性能對(duì)高低機(jī)主軸應(yīng)變(即高低齒弧力)的影響在后坐復(fù)進(jìn)過(guò)程中幾乎沒有明顯差異(圖6曲線僅表示了膛內(nèi)時(shí)期)。

3.4 測(cè)試算值與傳統(tǒng)算值的對(duì)比

取某火炮的相關(guān)參數(shù)采用式(1)來(lái)計(jì)算欠平衡狀態(tài)下的高低齒弧力，與測(cè)試后用式(4)得出值的對(duì)比如表2所示。

表2 高低齒弧力測(cè)試算值與傳統(tǒng)算值對(duì)比

以不同炮口點(diǎn)后坐阻力和后坐終止點(diǎn)出現(xiàn)高低齒弧力最大值的幾種情況進(jìn)行對(duì)比具有一定代表性。從表2可以看出，測(cè)試算值與傳統(tǒng)算值二者之間不僅在力的大小上而且在力的方向上均存在很大差異性；另外降低炮口點(diǎn)后坐阻力對(duì)炮口點(diǎn)高低齒弧力產(chǎn)生一定影響，但對(duì)最大齒弧力的影響不大。因此盡量取得試驗(yàn)測(cè)試值來(lái)減小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的盲目性，以指導(dǎo)提高理論優(yōu)化仿真的真實(shí)性。

4 結(jié)論

通過(guò)高低機(jī)主軸應(yīng)變測(cè)試曲線及數(shù)值的分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)通過(guò)應(yīng)變法測(cè)得高低機(jī)主軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變進(jìn)而得出高低齒弧力的方法是可行有效的。

2)在后坐期間高低齒弧力曲線存在波谷與波峰的交替，在后坐終止點(diǎn)達(dá)到最大值。證實(shí)了降低炮口點(diǎn)后坐阻力和合理的高低瞄準(zhǔn)排空回方向?qū)p小膛內(nèi)時(shí)期高低齒弧力和火炮振動(dòng)是有效的。

3)傳統(tǒng)算值與測(cè)試算值相比較，存在很大的誤差。因此在設(shè)計(jì)高低機(jī)時(shí)需注意計(jì)算的差異性，尤其在確定高低機(jī)緩沖裝置的載荷時(shí)需進(jìn)行必要的測(cè)試。

4)通過(guò)測(cè)試給出了高低齒弧受力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即高低齒弧力值隨后坐時(shí)間的真實(shí)變化規(guī)律，從而可以準(zhǔn)確地指導(dǎo)高低機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和部件工作的性能評(píng)估，也為系統(tǒng)分析火炮起落部分受力提供了可靠的動(dòng)態(tài)載荷譜。

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Analysis and Measurement of Elevating-arc Force in Gun Firing

ZHANG Shiquan

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

In order to accurately calculate and judge dynamitic load of the gun elevating mechanism and to reduce the error of engineering practice analogism as well as to avoid the inadequacy in strength design, a test method was introduced with a certain type of gun as an example to provide torque strain curves of elevating mechanism shaft in difference recoil resistances, equilibrator performances and engagement positions. The assessment results show that there exists the alternation of wave crest and wave trough in elevating-arc force curve during recoil of gun, and that the maximum value for force of the elevating mechanism appears at the end of recoil, and that there are errors between the traditional calculation values and measurement ones. The credible datum were got for determining firing loads and optimizing design of the elevating mechanism by analyzing test datum in recoil process.

gun; elevating mechanism; elevating-arc force; dynamic assessment

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.019

2015-06-08

張世全(1971—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事火炮總體技術(shù)研究。E-mail：zsq202202@sohu.com

TJ303

A

1673-6524(2016)03-0088-04