傅建平，張澤峰，余家武,李　雷

(1.軍械工程學(xué)院 火炮工程系，石家莊　050003; 2.駐國營(yíng)157廠軍代室，成都　610000)

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火炮修后水彈試驗(yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算

傅建平1，張澤峰1，余家武2,李雷2

(1.軍械工程學(xué)院 火炮工程系，石家莊050003; 2.駐國營(yíng)157廠軍代室，成都610000)

摘要：目前火炮大修后雖廣泛采用水彈試驗(yàn)來檢驗(yàn)火炮修理品質(zhì)，但對(duì)火炮水彈試驗(yàn)理論研究很少；針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)考核修后火炮品質(zhì)的火炮后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析研究；基于水彈試驗(yàn)原理與工程實(shí)踐，建立了火炮水彈試驗(yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型，并以某炮為例進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本相符，表明所建立模型的正確性和計(jì)算結(jié)果的可行性。

關(guān)鍵詞：火炮；水彈試驗(yàn)；后坐；復(fù)進(jìn)

火炮大修后，需進(jìn)行水彈試驗(yàn)，以確定火炮的技術(shù)狀態(tài)和綜合考核火炮修理質(zhì)量[1]。火炮水彈試驗(yàn)要求火炮在規(guī)定的后坐距離范圍內(nèi)停止，并平穩(wěn)復(fù)進(jìn)到位。后坐距離是表征火炮后坐過長(zhǎng)與后坐過短兩個(gè)后坐故障的特征參量；火炮復(fù)進(jìn)到位速度是表征火炮復(fù)進(jìn)過猛和復(fù)進(jìn)不足兩個(gè)復(fù)進(jìn)故障的特征參量。因此，火炮水彈試驗(yàn)后坐與復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是考核水彈試驗(yàn)成功與否的最重要指標(biāo)，也是火炮水彈試驗(yàn)評(píng)估與故障診斷的重要依據(jù)之一。但以往主要通過裝水質(zhì)量的配重，通過反復(fù)試驗(yàn)，直到后坐距離滿足要求[2]。該試驗(yàn)方法應(yīng)該具有安全性、通用性，水彈試驗(yàn)過程中曾發(fā)生過火炮身管脹膛現(xiàn)象[3]。水彈試驗(yàn)理論和實(shí)踐相輔相成，互相促進(jìn)。因此，迫切需要進(jìn)行火炮水彈試驗(yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，從理論上闡明火炮水彈試驗(yàn)原理。本文應(yīng)用火炮射擊動(dòng)力學(xué)理論，建立新型火炮水彈試驗(yàn)火炮后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)通用計(jì)算模型，并計(jì)算水彈與實(shí)彈射擊的后坐位移和后坐速度，闡述火炮水彈試驗(yàn)的后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律；同時(shí)也為火炮水彈試驗(yàn)評(píng)估與故障診斷提供理論依據(jù)。

1后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型

1.1后坐運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型

如圖1所示，取火炮后坐部分為研究對(duì)象?；鹋谒畯棸l(fā)射時(shí)，主動(dòng)力有炮膛合力fpt和后坐部分重力MHG，約束力為后坐阻力，包括制退機(jī)液壓阻力fφh、復(fù)進(jìn)機(jī)力ff、反后坐裝置的摩擦力f，以及搖架法向力fN和摩擦力fT[4]。

圖1　后坐時(shí)后坐部分受力分析

為建模方便，對(duì)火炮受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作如下假設(shè)：火炮和地面為絕對(duì)剛體；火炮置于堅(jiān)硬水平地面，方向?yàn)?°，忽略彈丸回轉(zhuǎn)力矩的影響，并認(rèn)為所有的力作用在射面內(nèi)；射擊時(shí)全炮處于平衡狀態(tài)。

將后坐部分看成是一個(gè)質(zhì)心，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的達(dá)郎貝爾原理，沿炮膛軸線方向的平衡方程為

(1)

式(1)中x為后坐行程；α為火炮射角。令火炮后坐阻力為

(2)

由此可得到火炮后坐運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型：

(3)

式(3)中V為后坐速度，解方程組便可得火炮后坐位移、速度與后坐時(shí)間等參量。

炮膛合力按以下公式計(jì)算[5]：

(4)

(5)

式(4)、式(5)中ω為裝藥量，M為彈丸質(zhì)量，A為炮膛截面積，P為膛內(nèi)壓力，φ、φ1為火藥次要功系數(shù)，B為反映炮膛合力衰減快慢的時(shí)間常數(shù),其中TG為彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，τ為火藥氣體后效期作用時(shí)間。

制退機(jī)內(nèi)液壓阻力fφh主要包括主流與支流流動(dòng)過程中產(chǎn)生的液壓阻力fφh1和fφh2兩部分。

(6)

(7)

(8)

式(7)、式(8)中，k1、k2為主流、支流液壓阻力系數(shù)，ρ為制退液密度，A0、AP分別為制退桿活塞工作面積與節(jié)制環(huán)面積，Ax為主流漏口折合面積，Afj、ω0為制退桿內(nèi)腔工作面積與支流最小漏液口面積。復(fù)進(jìn)機(jī)力為

(9)

式(9)中Af為復(fù)進(jìn)桿活塞面積，Pf0為復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體初壓，W0為復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體初始容積，k為氣體絕熱系數(shù)。

1.2復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型

火炮后坐結(jié)束后，后坐部分在復(fù)進(jìn)機(jī)力ff的作用下，平穩(wěn)、無沖擊地將火炮后坐部分復(fù)進(jìn)到位。同樣取復(fù)進(jìn)時(shí)的后坐部分為受力體，進(jìn)行受力和運(yùn)動(dòng)分析，如圖2所示。

圖2　復(fù)進(jìn)時(shí)后坐部分受力分析

由受力分析可得火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)模型為

(10)

式(10)中U為復(fù)進(jìn)速度，ξ為復(fù)進(jìn)行程，fφfy為復(fù)進(jìn)液壓阻力。

復(fù)時(shí)時(shí)，復(fù)進(jìn)機(jī)力為主動(dòng)力，設(shè)λ為復(fù)進(jìn)總行程，復(fù)進(jìn)機(jī)力大小為

(11)

復(fù)進(jìn)液壓阻力fφfy包括制退機(jī)后坐制動(dòng)器液壓阻力fφf、復(fù)進(jìn)節(jié)制器液壓阻力fφfj、復(fù)進(jìn)節(jié)制活瓣液壓阻力fφkf三部分。

(12)

(13)

(14)

(15)

式(13)、式(14)、式(15)中 k1f、k2f與k3f分別為后坐制動(dòng)器、復(fù)進(jìn)節(jié)制器和復(fù)進(jìn)節(jié)制活瓣的液體阻力系數(shù)；Aof為復(fù)進(jìn)時(shí)制退桿活塞工作面積，Ax為節(jié)制環(huán)與節(jié)制桿的環(huán)形間隙，AC為制退桿縱向溝槽間隙，Afj為復(fù)進(jìn)節(jié)制器活塞面積，Af為復(fù)進(jìn)節(jié)制器漏口面積，Ak為復(fù)進(jìn)機(jī)活瓣的小孔面積。

2計(jì)算結(jié)果分析

火炮后坐、復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型是一階常微分方程組。計(jì)算機(jī)編程計(jì)算時(shí)，通常采用龍格-庫塔(Runge-Kutta)方法求解。

以某榴彈炮水彈試驗(yàn)為例，根據(jù)該炮反后坐裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，以及裝水質(zhì)量方案，應(yīng)用Matlab計(jì)算軟件編程計(jì)算[6]，火炮實(shí)彈與水彈試驗(yàn)時(shí)后坐與復(fù)進(jìn)位移曲線、后坐與復(fù)進(jìn)速度曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3　火炮實(shí)彈與水彈射擊后坐與復(fù)進(jìn)位移

由圖3可知，發(fā)射后在炮膛合力作用下，火炮部分迅速后坐，很快達(dá)到最大后坐速度；在后坐阻力的作用下，火炮作減速后坐，直到在一定距離上停止下來；隨后火炮作復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)，直到恢復(fù)原位。

水彈射擊與實(shí)彈射擊后坐位移曲線相似，基本吻合，水彈最大后坐位移略小于實(shí)彈后坐位移，水彈后坐復(fù)進(jìn)總時(shí)間略大于實(shí)彈射擊的后坐復(fù)進(jìn)總時(shí)間。

由圖4可知，水彈射擊與實(shí)彈射擊后坐速度曲線形狀相似，基本吻合。由于水彈射擊時(shí)的最大膛壓略低于實(shí)彈射擊時(shí)的最大膛壓，因而其最大后坐速度略小于實(shí)彈射擊時(shí)的最大后坐速度；由于兩者的后坐距離相當(dāng)，復(fù)進(jìn)速度也相當(dāng)，故后坐復(fù)進(jìn)時(shí)間略長(zhǎng)于實(shí)彈射擊。

3火炮水彈試驗(yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試

火炮水彈試驗(yàn)，采用與實(shí)彈發(fā)射相同的全裝藥，產(chǎn)生與實(shí)彈射擊相近的火炮后坐、復(fù)進(jìn)、開閂與抽筒等動(dòng)作。火炮水彈試驗(yàn)除了定性觀察機(jī)構(gòu)動(dòng)作的正確性外，還要定量檢測(cè)以下后坐與復(fù)進(jìn)參數(shù)：

1)火炮后坐距離。一般人工判讀火炮后坐標(biāo)尺讀數(shù)，記錄火炮后坐距離。

2)火炮后坐復(fù)進(jìn)總時(shí)間。一般通過秒表記錄，當(dāng)火炮后坐與復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)異常時(shí)，如火炮復(fù)進(jìn)不足或復(fù)進(jìn)不到位時(shí)，則該時(shí)間超差。

筆者參加了修理工廠對(duì)某炮大修后的水彈試驗(yàn)活動(dòng)，水彈試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1。將計(jì)算結(jié)果與該炮修后水彈試驗(yàn)結(jié)果比較，火炮修后水彈試驗(yàn)后坐距離基本吻合；由于采用秒表記錄火炮后坐與復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間，測(cè)試誤差較大。

表1　火炮水彈試驗(yàn)計(jì)算與測(cè)試結(jié)果

4結(jié)束語

本文結(jié)合多年火炮修后水彈試驗(yàn)原理與工程實(shí)踐，建立了火炮水彈試驗(yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算模型，并以某新型火炮為例，得到該炮水彈試驗(yàn)后坐與復(fù)進(jìn)位移與速度曲線，闡述了火炮水彈試驗(yàn)后坐與復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律?；鹋谒畯椩囼?yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本一致，與實(shí)彈射擊計(jì)算結(jié)果也相吻合，表明：本文所建立的計(jì)算模型是正確的，結(jié)果是可信的；采用火炮修后水彈試驗(yàn)方式來確定火炮技術(shù)狀態(tài)及綜合考核修理品質(zhì)這一方法與手段是可行的；火炮水彈試驗(yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與裝水質(zhì)量密切相關(guān)，可在規(guī)定后坐距離內(nèi)，通過裝水質(zhì)量的優(yōu)化探索到最佳裝水質(zhì)量方案，這是今后研究方向。

本文研究成果已成功應(yīng)用于某新型火炮修后水彈試驗(yàn)的仿真計(jì)算，為新型火炮水彈試驗(yàn)提供理論指導(dǎo)，也可為火炮水彈試驗(yàn)評(píng)估與故障診斷提供理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯周江川)

本文引用格式：傅建平，張澤峰，余家武，等.火炮修后水彈試驗(yàn)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(5):18-20.

Citation format:FU Jian-ping,ZHANG Ze-feng,YU Jia-wu,et al.Gun Recoil and Counter Recoil Calculation of Liquid-Projectile Test After Repaired[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):18-20.

Gun Recoil and Counter Recoil Calculation of Liquid-Projectile Test After Repaired

FU Jian-ping1,ZHANG Ze-feng1,YU Jia-wu2,LI Lei2

(1.Department of Artillery Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China; 2.No.157 State-Owned Factory Presentation Room,Chengdu 610000,China)

Abstract:Although the liquid-projectile test is widely used to test the quality of the gun after repaired,the research on the theory of the liquid-projectile test is less.In view of the present situation,gun recoil and counter recoil movement were analyzed in order to check up the gun quality after repaired.The gun recoil and counter recoil movement model of water-projectile test was established based on the principle of liquid-projectile test and its engineering practice.The simulation calculation was carried out as a gun example.And the calculation results are almost consistent with test results.It shows the model is correct and the results are convincing.

Key words:gun; liquid projectile test; recoil; counter recoil

doi:【裝備理論與裝備技術(shù)】10.11809/scbgxb2016.05.005

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-25

基金項(xiàng)目：軍隊(duì)重點(diǎn)科研研究

作者簡(jiǎn)介：傅建平(1966—)，男，副教授，主要從事火炮技術(shù)保障研究。

中圖分類號(hào)：TJ307

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)05-0018-04