炮射彈藥滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 猛，潘明然，高志斌，郭明珠，楊 瑩，倪慶杰

(1 沈陽工學(xué)院，沈陽 110000；2 遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽 110045)

0 引言

隨著精確打擊彈藥在戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位不斷提高，美俄等軍事強(qiáng)國以中大口徑身管火炮為平臺(tái)，大力發(fā)展可兼容射擊的制導(dǎo)彈藥[1]，由于較高的離心過載對(duì)制導(dǎo)炮彈采用的敏感測(cè)量器件、電控器件影響較大，對(duì)制導(dǎo)控制影響也較大，因此目前的制導(dǎo)炮彈均采用滑動(dòng)導(dǎo)帶減旋技術(shù)，減小彈丸的出炮口轉(zhuǎn)速，采用尾翼穩(wěn)定裝置來保證彈丸飛行穩(wěn)定。制導(dǎo)炮彈滑動(dòng)導(dǎo)帶減旋技術(shù)是常規(guī)彈藥制導(dǎo)化的關(guān)鍵技術(shù)之一，其穩(wěn)定工作是武器系統(tǒng)制導(dǎo)、控制部件正常作用的前提?；瑒?dòng)導(dǎo)帶環(huán)由滑動(dòng)導(dǎo)帶體和鑲嵌在導(dǎo)帶體上的導(dǎo)帶組成。發(fā)射時(shí)，嵌入膛線的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)做高速旋轉(zhuǎn)，彈體在與滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)接觸面的摩擦力矩作用下微旋，滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)同時(shí)閉住高壓火藥氣體，避免對(duì)火炮身管內(nèi)膛和彈丸導(dǎo)帶前部的沖刷。

滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)工作環(huán)境及工作過程相對(duì)制式彈藥的導(dǎo)帶復(fù)雜很多，且目前國內(nèi)尚無成熟、完善的工作過程理論分析及計(jì)算方法。文中對(duì)線膛火炮發(fā)射彈藥的三圓孔式滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)結(jié)構(gòu)形式、作用原理進(jìn)行分析研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)設(shè)計(jì)需要關(guān)注的幾個(gè)問題。

1 三圓孔式導(dǎo)帶環(huán)的結(jié)構(gòu)形式及作用原理

1.1 結(jié)構(gòu)形式

三圓孔式導(dǎo)帶環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。三圓孔式導(dǎo)帶環(huán)由滑動(dòng)導(dǎo)帶體和銅質(zhì)導(dǎo)帶組成，滑動(dòng)導(dǎo)帶體內(nèi)徑由3個(gè)直徑不同的圓柱體組成[2]?；瑒?dòng)導(dǎo)帶體選用高強(qiáng)度合金鋼，環(huán)上鑲嵌銅質(zhì)導(dǎo)帶。根據(jù)減旋需要，滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)前端面可涂不同的潤滑涂層，以減小滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體之間的摩擦力，達(dá)到降低彈丸轉(zhuǎn)速的目的。

三圓孔式導(dǎo)帶環(huán)主要有兩個(gè)作用：其一為閉氣，同時(shí)在滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)內(nèi)徑與彈體間形成氣室，減小滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體的相互碰撞；其二為減旋，需要圓環(huán)內(nèi)徑與彈體留有一定的間隙，以達(dá)到減旋效果；同時(shí)要控制好圖1中的B，C面以及G，D面的尺寸間隙，保證可靠閉氣。

圖1 三圓孔式彈帶環(huán)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

內(nèi)圓柱設(shè)計(jì)成三段式是保證滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體間進(jìn)入火藥氣體。彈丸入膛時(shí)，滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的H面嵌入膛線，此時(shí)火藥還沒作用，滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)向后移動(dòng)，C面接觸。發(fā)射藥開始作用，隨著壓力逐漸增大，推動(dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)帶已經(jīng)進(jìn)入膛線，導(dǎo)帶的軸向剪切力逐漸減小，作用在滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)上的力主要有火藥氣體的推力、滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的直線后座力以及導(dǎo)帶與火炮膛線的摩擦力，從設(shè)計(jì)上要保證火藥氣體的推力大于滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的直線后座力以及導(dǎo)帶與膛線的摩擦力，滑動(dòng)導(dǎo)帶向前運(yùn)動(dòng)，A面接觸，通過摩擦力矩帶動(dòng)彈體旋轉(zhuǎn)。這樣就避免滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)在膛內(nèi)擠進(jìn)及運(yùn)動(dòng)過程中與彈體接觸，從而對(duì)彈體產(chǎn)生撞擊，減小彈丸的飛行抖動(dòng)。

2 仿真分析

2.1 滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)強(qiáng)度分析

導(dǎo)帶擠進(jìn)膛線時(shí)，滑動(dòng)導(dǎo)帶體受力最大，此時(shí)要保證滑動(dòng)導(dǎo)帶體的強(qiáng)度滿足要求，銅質(zhì)導(dǎo)帶的強(qiáng)度要滿足導(dǎo)轉(zhuǎn)的要求。

2.1.1 計(jì)算導(dǎo)帶擠入膛線的壓力

銅質(zhì)導(dǎo)帶的擠進(jìn)壓力是校核導(dǎo)帶環(huán)強(qiáng)度的基礎(chǔ)。導(dǎo)帶擠進(jìn)壓力有試驗(yàn)測(cè)定和工程計(jì)算兩種方法[3]?；瑒?dòng)導(dǎo)帶環(huán)的導(dǎo)帶擠進(jìn)壓力計(jì)算沒有成熟方法，文中以某產(chǎn)品為例，利用文獻(xiàn)[2]給出的常規(guī)炮彈導(dǎo)帶壓力計(jì)算公式，計(jì)算滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的導(dǎo)帶擠入膛線[4]的壓力。

滑動(dòng)導(dǎo)帶所受局部載荷Pb1與滑動(dòng)導(dǎo)帶變形ω0的關(guān)系式為：

Pb1=A0+B0ω0

(1)

式中：A0，B0是與滑動(dòng)導(dǎo)帶材料有關(guān)的系數(shù)，分別為：

(2)

(3)

其中系數(shù)0.94是對(duì)目前各種榴彈適用的系數(shù)；K值為由殼體理論推導(dǎo)出來的變形與載荷關(guān)系的系數(shù)，在導(dǎo)帶不是彈底位置情況下:

(4)

式中β由彈性理論得出：

(5)

其次求出導(dǎo)帶壓力的傳遞關(guān)系。由導(dǎo)帶的大變形規(guī)律可以導(dǎo)出：

Pb-Pb1=A1+B1ω0

(6)

式中A1，B1是與導(dǎo)帶材料有關(guān)的系數(shù)。

(7)

(8)

最后再求滑動(dòng)導(dǎo)帶壓力與導(dǎo)帶變形的關(guān)系。假設(shè)導(dǎo)帶充滿火炮膛線，可得：

Pb=A2-B2ω0

(9)

其中A2，B2也是與導(dǎo)帶尺寸、材料有關(guān)的系數(shù)。

(10)

(11)

綜合上述公式，求得：

(12)

式(1)～式(12)中的符號(hào)分別表示：r0為導(dǎo)帶區(qū)滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)中間半徑;h0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)導(dǎo)帶區(qū)壁厚;E0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)彈性模量;λ0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的強(qiáng)化參數(shù);δs0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的屈服強(qiáng)度;ω0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)壓縮變形，半徑上的位移量;ra1為導(dǎo)帶內(nèi)半徑;rb1為導(dǎo)帶外半徑;h1為導(dǎo)帶厚度;b為導(dǎo)帶寬度;E1為導(dǎo)帶彈性模量;λ1為導(dǎo)帶的強(qiáng)化參數(shù);σs1為導(dǎo)帶的屈服強(qiáng)度。

根據(jù)以上計(jì)算公式，代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算某彈滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的擠進(jìn)壓力為Pb=289 MPa。

2.1.2 滑動(dòng)導(dǎo)帶體強(qiáng)度仿真分析

已知導(dǎo)帶的擠進(jìn)壓力，利用ANSYS軟件對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)帶體進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 滑動(dòng)導(dǎo)帶體仿真模型

假設(shè)條件：滑動(dòng)導(dǎo)帶體前端面壓在彈體上；某產(chǎn)品的導(dǎo)帶擠進(jìn)壓力為289 MPa，火藥氣體壓力取起動(dòng)時(shí)的壓力40 MPa。

經(jīng)過仿真分析，滑動(dòng)導(dǎo)帶體最大變形量為0.18 mm，最大等效應(yīng)力為980 MPa，因此要求滑動(dòng)導(dǎo)帶體的屈服強(qiáng)度大于980 MPa，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 滑動(dòng)導(dǎo)帶體形變圖

圖4 滑動(dòng)導(dǎo)帶體前端面應(yīng)力圖(前端面與彈體接觸)

2.1.3 銅質(zhì)導(dǎo)帶的強(qiáng)度校核

作用在導(dǎo)帶上的壓力為：

(13)

式中：N為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力；Bts為導(dǎo)帶受力面積。

對(duì)于等齊膛線

(14)

經(jīng)換算得：

(15)

導(dǎo)帶的抗壓強(qiáng)度條件為：

σ≤[σ]

(16)

式中：[σ]為導(dǎo)帶的抗壓強(qiáng)度許可值。

導(dǎo)帶凸起部受到的剪切應(yīng)力為：

(17)

對(duì)于等齊膛線

(18)

導(dǎo)帶的剪切強(qiáng)度條件為：

τ≤[τ]

(19)

式中[τ]為導(dǎo)帶的抗壓強(qiáng)度許可值。

代入某彈的數(shù)據(jù)，銅質(zhì)導(dǎo)帶的膛內(nèi)強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知，導(dǎo)帶滿足擠進(jìn)及剪切強(qiáng)度要求。

表1 導(dǎo)帶膛內(nèi)強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

2.2 滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體的接觸力分析

為了實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)導(dǎo)帶的減旋效果，要保證滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，前端與彈體接觸。這樣在結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，需保證火藥氣體對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的推力大于滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的直線后座力和摩擦力之和。

滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體之間的相互作用力Q的計(jì)算公式為[1]:

(20)

F=f·N

(21)

式中：rcp為考慮火炮膛線時(shí)，炮膛斷面的換算半徑;P為膛壓;ra為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)內(nèi)表面半徑;m為彈丸質(zhì)量;mb為滑動(dòng)導(dǎo)帶質(zhì)量;F為導(dǎo)帶對(duì)火炮膛壁的摩擦力(即由導(dǎo)帶側(cè)壓和導(dǎo)帶壓力所產(chǎn)生的總摩擦力);f為摩擦系數(shù)，本產(chǎn)品為鋼與銅的摩擦系數(shù)，取0.21；N為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力，公式為：

(22)

式中：Jx為彈丸的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;n為膛線條數(shù)；α為火炮纏角。

以某產(chǎn)品的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)為例，代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出相互作用力為Q=924 658 N。

2.3 彈丸轉(zhuǎn)速估算

采用彈丸轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，計(jì)算由摩擦力矩產(chǎn)生的彈丸轉(zhuǎn)速。

根據(jù)滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體之間的作用力Q引起的摩擦力矩M為：

(23)

式中：rh為彈底壓螺外半徑；f1為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體間的摩擦力。鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)為0.15,根據(jù)需要，可以增加潤滑涂層，摩擦系數(shù)可以達(dá)到0.05以下。

(24)

為了便于積分，近似取平均膛壓Pcp及平均摩擦力Fcp代替公式中的P和F,從而有：

(25)

式中，tg為彈丸沿炮膛運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

(26)

式中，lg為彈丸沿炮膛運(yùn)動(dòng)的全行程。

(27)

以某彈的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)為例，計(jì)算彈丸的最小炮口轉(zhuǎn)速[5]為：

ωmin=7.1 r/s

由計(jì)算結(jié)果可知，如果滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)設(shè)計(jì)理想，理論上該彈的炮口最小轉(zhuǎn)速可以達(dá)到7 r/s左右。但由于有其它因素的影響，尤其代入計(jì)算的Fcp與真實(shí)的數(shù)據(jù)有出入，滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體接觸面的光潔程度也有差別，目前測(cè)得實(shí)際的轉(zhuǎn)速要比計(jì)算的略高。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

某產(chǎn)品的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)設(shè)計(jì)成三圓孔式結(jié)構(gòu)。在初速為500 m/s時(shí)，理論計(jì)算的最小炮口轉(zhuǎn)速為7 r/s，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速為15.4 r/s，滿足制導(dǎo)控制要求。檢查回收的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)，前端面有與彈體的摩擦痕跡，滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)內(nèi)及前端面無火藥氣體沖刷痕跡，說明閉氣效果良好，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)用滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

給出了該產(chǎn)品滑動(dòng)導(dǎo)帶體強(qiáng)度與銅制導(dǎo)帶強(qiáng)度的計(jì)算方法，并且介紹了轉(zhuǎn)速的理論計(jì)算方法，通過計(jì)算與仿真，得出該滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，減旋與閉氣效果滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1)滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)滿足擠進(jìn)膛線時(shí)的強(qiáng)度要求以及膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的正確性要求。2)保證三圓孔結(jié)構(gòu)的配合間隙尺寸，使滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體之間有氣室存在，避免滑動(dòng)導(dǎo)帶與彈體磕碰，減小彈丸的飛行抖動(dòng)。3)通過調(diào)整起始接觸面和表面涂覆種類進(jìn)行交叉組合對(duì)比驗(yàn)證得出，滑動(dòng)導(dǎo)帶前端面起主要轉(zhuǎn)速影響作用。4)滑動(dòng)導(dǎo)帶閉氣效果與各部分的尺寸間隙設(shè)計(jì)有關(guān)，驗(yàn)證了前期理論計(jì)算與仿真的正確性。