以火藥為能源的炮口式火炮動態(tài)后坐技術(shù)研究

楊礪志，陳永才，李 鵬，狄長春

(軍械工程學院,河北 石家莊 050003 )

以火藥為能源的炮口式火炮動態(tài)后坐技術(shù)研究

楊礪志，陳永才，李 鵬，狄長春

(軍械工程學院,河北 石家莊 050003 )

在分析國內(nèi)外以火藥為能源的火炮動態(tài)后坐技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計了置于火炮炮口處的火炮動態(tài)后坐發(fā)生裝置。以某型地面火炮為例，建立了該方法的內(nèi)彈道計算模型，并進行了內(nèi)彈道方程組的諸元解算，并以某型地面火炮炮身為研究對象，基于有限元仿真軟件ABAQUS對火炮動態(tài)后坐過程中的火炮身管進行了有限元仿真，同時也進行了多次以火藥為能源的火炮動態(tài)后坐試驗。仿真和試驗結(jié)果均證明，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、可靠，滿足火炮動態(tài)后坐性能檢測要求。

火炮；動態(tài)后坐；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元仿真

目前火炮動態(tài)后坐檢測中常用的技術(shù)及方法有以火藥為能源的火炮動態(tài)后坐技術(shù)、水彈試射技術(shù)和模擬彈丸代替實彈射擊方法等。其中以火藥為能源的火炮動態(tài)后坐技術(shù)是目前較為先進的取代實彈射擊檢查火炮大架強度、反后坐裝置性能及后坐部分運動狀況的理想方法，有著使用裝藥少、試驗場地小、試驗費用低、使用安全方便等優(yōu)點，特別便于在營區(qū)、廠區(qū)或教學區(qū)使用。據(jù)有關(guān)資料報道，國外美國巖島兵工廠研制出一種固定式火藥型仿真試驗臺，用于對炮架及后坐機構(gòu)進行驗收試驗。德國萊茵金屬公司集團阿維亞斯特公司也研制出一種火炮動力試驗臺，供德國聯(lián)邦部隊使用。國內(nèi)某些科研單位對這一技術(shù)已經(jīng)作了深入研究，取得了相應(yīng)成果，證明了這一方法的科學性和技術(shù)的實用性[1-5]。通過分析發(fā)現(xiàn)，火炮動態(tài)后坐裝置結(jié)構(gòu)復雜，為此，筆者設(shè)計了將火炮動態(tài)后坐發(fā)生裝置的動力部分直接結(jié)合在一門火炮炮口上的方案，從而簡化了整體結(jié)構(gòu)，提高了該裝置的使用性和勤務(wù)性。筆者將對炮口式火炮動態(tài)后坐發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)、內(nèi)彈道設(shè)計、火炮運動規(guī)律仿真及試驗結(jié)果作一論述。

1 總體結(jié)構(gòu)

動態(tài)后坐發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。試驗時，將炮口式火炮動態(tài)后坐發(fā)生器旋在承載火炮的炮口上，將被試驗火炮(安裝有炮口護帽)與后坐發(fā)生器中的活塞桿對正并頂住。在后坐發(fā)生器的藥室內(nèi)裝入適量火藥，點火具點燃火藥，產(chǎn)生高壓火藥氣體，活塞桿推動被試炮后坐部分產(chǎn)生后坐運動，當被試炮的后坐運動部分達到所規(guī)定的最大后坐運動速度時，活塞桿到達活塞缸壁上的排氣孔，氣體從此孔泄漏到大氣中，緩沖器阻止活塞桿向前運動，活塞桿不再對被試炮施載，火炮后坐部分自由后坐。與此同時，承載炮的后坐部分也產(chǎn)生后坐運動。兩門炮后坐運動結(jié)束后，各自復進到位。

2 內(nèi)彈道數(shù)學模型及計算結(jié)果

2.1 內(nèi)彈道數(shù)學模型

由于兩門炮運動較慢，且裝藥量較少，后坐發(fā)生器膛壓較小且膛內(nèi)火藥氣體流速較小，故可根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道理論進行計算。

建立基本模型，其中下標n為1、2，分別代表被試火炮和承載火炮，故有

(1)

計算模型的輔助方程組為

(2)

當l1+l2>l時，p=0。式中：v為火炮后坐速度；s為活塞面積；p為火藥氣體壓力；M為后坐部分質(zhì)量；R為后坐阻力；φ為液壓阻力；Pf為復進機力；F1為反后坐裝置摩擦阻力。其他符號可參考文獻[1]、[2]，本文不再贅述。

2.2 數(shù)值模擬

由式(1)和(2)加上反后坐裝置阻力公式即可組成后坐運動計算模型，用龍格-庫塔法給定裝藥量即可求出被試炮后坐情況(如膛壓、后坐阻力和后坐速度變化)。

數(shù)值模擬計算的要求是：

1)后坐發(fā)生器對于被試炮后坐體的最大推力，等于實彈射擊時被試炮后坐體受到最大膛內(nèi)合力。

2)在后坐發(fā)生器內(nèi)彈道結(jié)束時被試炮后坐體具有的速度、位移等于實彈射擊后效期終了時被試炮后坐體的速度和位移。計算時只需將誤差范圍控制在設(shè)計指標的5%即可。

以某型火炮為例運用Matlab進行模擬計算。輸入初始量如下：后坐發(fā)生器作用長度l=150 mm；藥室容積W0=1.3 dm3；活塞面積S=2.54 dm2。裝藥量為180 g時，后坐發(fā)生器內(nèi)膛壓力、后坐長度均能滿足技術(shù)指標，計算結(jié)果如圖2、3所示。

3 試驗裝置及火炮強度分析

3.1 裝置關(guān)鍵件強度分析

利用有限元分析方法對本裝置的關(guān)鍵部件活塞缸和活塞桿進行了變形和應(yīng)力分析，活塞缸最大變形發(fā)生在藥室內(nèi)壁，為0.384 mm；在膛底應(yīng)力為最大，為858 MPa?；钊麠U最大變形發(fā)生在桿靠近活塞套端，為0.16 mm；最大應(yīng)力點在活塞桿凸臺后部，最大應(yīng)力為578 MPa。結(jié)果顯示兩構(gòu)件安全。圖4為活塞缸后處理變形以及應(yīng)力結(jié)果，圖5為活塞桿后處理變形以及應(yīng)力結(jié)果。

3.2 試驗火炮身管受力分析

以某型加榴炮炮身為分析對象，材料為PCrNi1Mo，其特性值為：E=206.920 GPa；G=81.2 GPa；μ=0.271；σb=885 MPa；σs=785 MPa，通過有限元法劃分網(wǎng)格，并在炮口斷面和炮尾端面分別施加動力載荷和阻力載荷，得到身管軸向受到推力時的應(yīng)力和應(yīng)變圖，如圖6、7所示。身管最大應(yīng)力為21.25 MPa，身管安全。

在經(jīng)過30余次的火炮動態(tài)后坐試驗后，對試驗火炮身管進行了彎曲度檢驗，試驗中身管直度徑規(guī)能順利通過炮膛，證明身管彎曲度合格，動態(tài)后坐試驗對身管無損傷。

4 3種試驗對比分析

火炮的水彈射擊試驗同樣是一種替代實彈射擊來檢查火炮各個部件性能及后坐部分運動狀況的試驗方法。其試驗技術(shù)原理為用水代替彈重，木塞堵?lián)跖谔艠?gòu)成模擬彈丸，配以適當?shù)难b藥條件進行射擊以達到考核火炮的目的。水彈試射技術(shù)原理可靠且檢測效果較為理想，因此水彈試射技術(shù)作為一種重要的火炮后坐動態(tài)測試方法在我國火炮檢測中被廣泛認可和使用。

為進一步證明炮口式動態(tài)后坐實驗裝置的可行性和合理性，特以某型加榴炮為試驗對象，對其分別進行了實彈射擊、水彈射擊和動態(tài)后坐試驗，分別獲取了各自的火炮后坐運動參數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表1～3所示，圖8為火炮試驗后坐速度對比圖。表1～3數(shù)據(jù)表明，水彈射擊與實彈射擊相比，火炮后坐部分的后坐運動性能差別較大，尤其是后坐部分最大后坐速度時對應(yīng)的后坐行程差值百分比較大，為69.2%，這將嚴重影響火炮強度的檢驗。而火炮動態(tài)后坐試驗與實彈射擊相比，最大后坐速度差值百分比為4.1%，最大后坐速度對應(yīng)的后坐行程的差值百分比僅為-1.18%，后坐長度的差值百分比為3.3%。上述試驗數(shù)據(jù)表明，水彈射擊可以滿足火炮后坐長度的需要，但后坐部分運動規(guī)律與實彈射擊誤差較大；而炮口式火炮動態(tài)后坐技術(shù)，可以較好地實現(xiàn)火炮后坐運動的需求。

表1 3種情況下的最大后坐速度對比

試驗方式 數(shù)值/(m·s-1)差值/(m·s-1)差值比/%實彈射擊11．20——水彈射擊10．17-1．03-9．1動態(tài)后坐試驗11．660．464．1

表2 3種情況下的最大后坐速度對應(yīng)的后坐行程對比

表3 3種情況下的后坐長度對比

注：以實彈為基準計算水彈射擊和動態(tài)后坐試驗相關(guān)參數(shù)的差值。

5 結(jié)束語

炮口式火炮動態(tài)后坐技術(shù)的試驗驗證結(jié)果表

明了筆者設(shè)計的火炮動態(tài)后坐發(fā)生裝置的正確性和合理性，實現(xiàn)了設(shè)計目的。在使用中，炮口式動態(tài)后坐發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量小、使用方便、勤務(wù)性好，宜于推廣，可為火炮的研制、試驗、教學研究及部隊火炮檢測提供一種科學、實用的技術(shù)手段。

References)

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Study on Muzzle Artillery Dynamic Recoil Technologywith Energy of Gunpowder

YANG Lizhi, CHENG Yongcai, LI Peng, DI Changchun

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003,Hebei, China)

Based on the analysis of the current situation of gunpowder-energy artillery dynamic recoil technology, designed is the artillery dynamic recoil device arranged on the gun muzzle. With the interior ballistic calculation model of the method established, the interior ballistic calculation is carried out. With a certain type of ground artillery muzzle department taken as the research object, finite element simulation was made on dynamic recoil process of gun barrel based on the finite element simulation software ABAQUS. At the same time a number of gunpowder-energy artillery recoil dynamic tests have been conducted. Simulation and test results prove that the structural design is reasonable and reliable, which can meet the performance detection requirements for artillery dynamic recoil.

artillery; dynamic recoil; structural design; finite element simulation

2016-03-14

楊礪志(1993—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)理論技術(shù)與仿真技術(shù)研究。E-mail：15511498330@163.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.013

TJ303

A

1673-6524(2017)02-0059-04