劉明敏，張蔚峰，朱延飛

(1.中國船舶重工集團公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.鄭州飛機裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450005)

2種緩沖簧反后坐效能分析

劉明敏1，張蔚峰2，朱延飛1

(1.中國船舶重工集團公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015；2.鄭州飛機裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450005)

小口徑自動機的反后坐裝置多采用各種形式的緩沖簧進行緩沖，減小后坐阻力并實現(xiàn)自動機浮動。文中通過理論分析，建立自動機后坐運動方程，在Matlab simulink 環(huán)境下建模仿真，分別計算2種不同力學(xué)性能緩沖簧的后座運動規(guī)律，得出在結(jié)構(gòu)尺寸受限的條件下，環(huán)形彈簧與螺旋矩形彈簧相比緩沖性能更優(yōu)。經(jīng)實彈射擊，試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合較好，證明本文采用的研究方法正確，建立的仿真模型可用于工程實際。

緩沖簧；后坐；小口徑自動機

0 引 言

在火炮技術(shù)發(fā)展的整個過程中，自始至終都存在著火炮威力與機動性之間的發(fā)展與制約，直至反后坐裝置的出現(xiàn)，很好地解決了二者之間的矛盾，為火炮威力大幅度提高創(chuàng)造了條件，由此也使火炮技術(shù)有了劃時代的發(fā)展[1]。

反后坐裝置實質(zhì)上是一個緩沖裝置，它將作用于炮身上作用時間短且變化劇烈的炮膛合力，變成作用時間稍長、幅度變化不大、最大值較小的后坐阻力傳給炮架。因此，反后坐裝置的采用，不僅影響了火炮受力的大小和運動規(guī)律，對火炮綜合性能的提高也有很大貢獻(xiàn)。

本文通過對小口徑自動機上2種反后坐裝置分析，得出在相同條件下，采用2種力學(xué)性能不同的緩沖簧進行緩沖，緩沖簧的選擇對其后坐運動規(guī)律有較大影響。

1 理論分析

本文研究的是同一小口徑自動機用2種不同的緩沖簧緩沖，其后坐規(guī)律的變化。這2種緩沖簧分別是螺旋矩形彈簧和環(huán)形彈簧，二者的力學(xué)性能有所不同。該自動機的整個炮身部分相對于炮架后坐，緩沖簧的下半部分固定在炮架上，上半部分固定在炮身上。射擊時，在自動機后座過程中，緩沖簧吸收后座能量用于自動機復(fù)進，在復(fù)進到零位時若還有前沖速度，緩沖簧則反向吸收自動機前沖的能量，射頻穩(wěn)定后，在緩沖簧的作用下，自動機在一定的位移范圍內(nèi)實現(xiàn)浮動。

因此，自動機的后坐與復(fù)進運動規(guī)律與緩沖簧的類型和參數(shù)有著密切的聯(lián)系。本文在計算后坐運動規(guī)律時，其后坐阻力主要考慮彈簧力和炮身沿炮架運動的摩擦力。

1.1 后坐運動方程建立

該自動機在整個后坐過程中，后坐運動方程均為：

(1)

即：

(2)

式中：m0為后坐部分質(zhì)量；Ppt為炮膛合力；R為后坐阻力；v為后坐速度；x為后坐位移；p(t)為隨時間變化的膛壓；S為炮膛斷面積；f′為摩擦力；P0為彈簧預(yù)壓力；k為彈簧剛度。

隨著彈丸發(fā)射，作用在膛底的炮膛合力也隨著火藥氣體的變化而變化。根據(jù)火藥氣體作用力的不同可將其分為彈丸在膛內(nèi)運動時期及火藥氣體后效時期2個階段考慮。

彈丸在膛內(nèi)運動時期炮膛合力為：

Ppt=p(t)·S。

(3)

火藥氣體后效時期，炮膛合力的理論公式和經(jīng)驗公式都可以表示為時間的解析函數(shù)，在此，利用炮膛合力的經(jīng)驗公式：

(4)

因此，后坐運動方程組可寫成帶有初值條件的一階微分方程組：

(5)

以時間t為自變量，分段確定炮膛合力的公式，且摩擦力方向也隨后坐與復(fù)進運動方向的不同而改變。采用4階龍格—庫塔法計算上述常微分方程組，解得自動機在整個后坐過程中的后坐速度和后坐位移。

2 兩種緩沖簧力學(xué)性能及反后坐性能分析

2.1 螺旋矩形彈簧

螺旋矩形彈簧是采用高性能彈簧鋼機加工藝車制而成截面呈矩形的彈簧，它具有強度高、彈性好等優(yōu)點。螺旋矩形彈簧與普通螺旋彈簧的力學(xué)性能類似，它在壓縮與伸張階段具有相同的剛度，即彈簧力與壓縮量成比例變化。其力學(xué)性能曲線如圖1所示。

本文利用上述理論模型，對該緩沖簧的后坐效能進行分析。在VC環(huán)境下編制內(nèi)彈道計算程序，將其得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中的simulink模型中進行后坐過程仿真，模擬單發(fā)及連發(fā)情況下的后坐運動。

單發(fā)情況下的后坐運動曲線如圖3～圖4所示。

圖1 螺旋矩形彈簧力學(xué)性能曲線Fig.1 Helical spring mechanics performance curve

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

圖3 后坐位移―時間曲線Fig.3 Recoil displacement-time curve

圖4 后坐速度―時間曲線Fig.4 Recoil velocity-time curve

連發(fā)計算按射速4 800發(fā)/min考慮，進行15連計算，其后坐運動規(guī)律曲線如圖5～圖7所示。

圖5 后坐位移―時間曲線Fig.5 Recoil displacement-time curve

圖6 后坐速度―時間曲線Fig.6 Recoil velocity-time curve

圖7 后坐力―時間曲線Fig.7 Recoil force-time curve

2.2 環(huán)形彈簧

環(huán)形彈簧是由帶有配合圓錐面的外環(huán)和內(nèi)環(huán)所組成的彈簧。當(dāng)其承受軸向載荷時，內(nèi)環(huán)受壓縮而直徑縮小，外環(huán)受拉伸而直徑擴大，內(nèi)、外環(huán)沿圓錐面相對滑動產(chǎn)生軸向變形而起到彈簧的作用。

環(huán)形彈簧工作時，由于摩擦力的作用，卸載時摩擦力阻滯了彈簧變形的恢復(fù)，導(dǎo)致其加載和卸載的特性曲線不重合(見圖8)。圖8中彈簧加載和卸載特性曲線所包圍的面積即摩擦力轉(zhuǎn)化為熱能所消耗的功，其大小幾乎可達(dá)加載所作功的60%～70%，因此環(huán)形彈簧具有很強的緩沖減震能力，單位體積材料的儲能能力也比其他類型的彈簧大。

在同一數(shù)學(xué)模型下，改變計算參數(shù)，對比計算環(huán)形彈簧緩沖單發(fā)及連發(fā)情況下的自動機后坐運動規(guī)律。單發(fā)情況下的后坐運動規(guī)律曲線如圖9～圖10所示。

連發(fā)計算也按射速4800發(fā)/min考慮，進行15連計算，其后坐運動規(guī)律曲線如圖11～圖13所示。

計算參數(shù)的選擇以及最終的計算結(jié)果與實彈射擊試驗測試結(jié)果，二者對比結(jié)果如表1所示。

圖8 環(huán)形彈簧力學(xué)性能曲線Fig.8 Annular spring mechanics performance curve

圖9 后坐位移―時間曲線Fig.9 Recoil displacement-time curve

圖10 后坐速度―時間曲線Fig.10 Recoil velocity-time curve

圖11 后坐位移―時間曲線Fig.11 Recoil displacement-time curve

圖12 后坐速度―時間曲線Fig.12 Recoil velocity-time curve

圖13 后坐力―時間曲線Fig.13 Recoil force-time curve

計算參數(shù)螺旋矩形彈簧環(huán)形彈簧彈簧剛度/kN·mm-14.04.0預(yù)壓力/kN1624.5后坐部分質(zhì)量/kg214214測試參數(shù)計算結(jié)果試驗結(jié)果計算結(jié)果試驗結(jié)果實測彈簧剛度/kN·mm-13.893.92(平均值)實測預(yù)壓力/kN15.5624后坐位移max/mm15.61511.510.8后坐速度max/m·s-11.52未測1.2未測后坐力max/kN78.473.9170.567.2

由表1可以看出，理論計算出的后坐位移與試驗中由高速攝影儀測得的試驗數(shù)據(jù)吻合較好。試驗時，螺旋彈簧的剛度由實驗室壓力機測試得到，后坐力的大小由剛度與后坐位移的乘積間接得出。環(huán)形彈簧在實際加載過程中，其力學(xué)性能曲線也是一條斜率不斷變大的曲線(可近似看作直線)，本文中環(huán)形彈簧的預(yù)壓力和后坐力均通過已知預(yù)壓量和后座位移后，通過壓力機實際測出。

從后坐速度曲線看，環(huán)形彈簧與螺旋矩形彈簧緩沖相比，最大后坐力相當(dāng)，但后坐速度相對較低，后坐行程也有所減少。因此，在結(jié)構(gòu)尺寸受限的情況下，環(huán)形彈簧的反后坐性能大大優(yōu)于螺旋矩形簧。

3 結(jié) 語

利用上述理論模型，分別對2種緩沖簧的反后坐效能進行了計算，得出了自動機在這2種緩沖簧緩沖下，不同的后坐運動規(guī)律。經(jīng)實彈射擊試驗驗證，表明試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合較好，由此確認(rèn)了本文數(shù)學(xué)模型及研究方法的正確性。

通過連發(fā)計算比較，發(fā)現(xiàn)這2種緩沖簧在穩(wěn)定射擊過程中，自動機都能夠呈現(xiàn)浮動特性，由此可知，這2種緩沖簧均具有較好的反后坐效能，都能滿足自動機高射速、低后坐力的要求。但在有后坐位移限制的條件下，選擇環(huán)形彈簧更優(yōu)于螺旋矩形彈簧。

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Efficiency analysis about two kinds of counter recoil equipment

LIU Ming-min1，ZHANG Wei-feng2，ZHU Yan-fei1

(1.The 713 Reseach Institute of CSIC，Zhengzhou 450015，China；2.Zhengzhou Aircraft Equipment Company，Zhengzhou 450005，China)

In order to reduce recoil,all kinds of spring were applied to small caliber automatic cannon usually.Firstly, detached recoil movement equation was established through theory analysis.At Matlab simulink condition, counter recoil efficiency was calculated about two kinds of spring which has different mechanics characteristic. The calculation result indicated that the annular spring′s counter recoil efficiency was better than the screw rectangle spring. The result of calculated by theory model is correct which could be validated by ball firing experiment. At the same time, different recoil movement rules was be give about two kinds of spring.

spring;counter recoil;small caliber automatic cannon

2013-04-15；

2013-06-13

劉明敏(1978-)，女，碩士，主要從事自動武器設(shè)計工作。

TJ302

A

1672-7649(2014)11-0157-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.032