薛百文， 阮偉靖， 崔建春

(1. 中北大學 機電工程學院， 山西 太原 030051； 2. 中北大學 計算機與控制工程學院， 山西 太原 030051)

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行進間裝填對輸彈機設計的影響

薛百文1， 阮偉靖1， 崔建春2

(1. 中北大學 機電工程學院， 山西 太原 030051； 2. 中北大學 計算機與控制工程學院， 山西 太原 030051)

摘要:自行火炮在行進間輸彈時， 彈丸在慣性輸彈段會受到底盤運動狀態(tài)的影響. 根據(jù)相關(guān)路面譜數(shù)據(jù)， 分析了自行火炮顛簸運動時彈丸的受力， 建立了慣性輸彈段彈丸的運動方程， 通過實例計算， 得到了極限狀態(tài)下輸彈到位所需要的輸彈速度曲線. 研究結(jié)果對輸彈機設計具有一定的參考意義.

關(guān)鍵詞:行進間裝填； 慣性輸彈； 強制輸彈； 輸彈機； 路面譜

0引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中出現(xiàn)了自行火炮， 它需要在行進間進行裝填與發(fā)射[1-3]， 這對火炮的自動裝填機構(gòu)提出了更高的要求. 德國生產(chǎn)的155mm榴彈炮較早地實現(xiàn)了行進間裝填與發(fā)射. 現(xiàn)代火炮在輸彈的全行程上， 分為強制輸彈與慣性輸彈兩個階段[4]. 其原理如圖 1 所示， 強制輸彈階段， 彈丸受到外力的作用， 加速前進. 在圖中Lqz段行程結(jié)束后， 彈丸達到一定速度， 進入慣性輸彈階段， 依靠慣性運動. 不再受強制作用力. 故自行火炮底盤的運動狀態(tài)會影響彈丸的運動， 甚至影響彈丸裝填的到位情況.

圖 1　火炮輸彈機原理示意圖Fig.1　Principle diagram of artillery ramming machine

1慣性輸彈段彈丸運動方程的建立

1.1慣性輸彈段彈丸的受力分析

從理論上講， 慣性輸彈段彈丸不受力(忽略彈丸托盤的支承力). 由于受到運動中的底盤的影響， 慣性輸彈段的彈丸的受力如圖 2 所示. 圖中θmax為車體擺動的最大角度， αmax為最大射角， R為車體擺動時的回轉(zhuǎn)半徑， Fq彈丸的重力， Ft為由車體擺動引起的慣性力沿彈丸運動方向的分力； Fr為該慣性力在與彈丸運動方向相垂直方向的分力.

圖 2　火炮行進間慣性輸彈段彈丸受力示意圖Fig.2　Forces analysis of projectile in inertia ramming stage for moving artillery

1.2運動方程的初步建立

通過以上對彈丸在輸彈慣性段的受力分析， 可以建立慣性輸彈段彈丸的運動方程為

(1)

式中：m為彈丸質(zhì)量；v為彈丸在慣性輸彈行程上的瞬時速度； Fq為彈丸所受的重力； Ft為車體顛簸引起的慣性力的切向分力； Fr為慣性力的法向分力.

由于式(1)較為復雜， 不能積分. 但是裝填過程是一個為時極短的過程， 可假設彈丸的運動是在自行火炮的傾斜角為某個固定值不變的狀態(tài)下發(fā)生的. 同時， 認為全炮僅在瞬間處于該點， 即由于路面不平引起的全炮顛簸而產(chǎn)生的慣性力對于運動著的彈丸是起作用的. 那么應對運動著的全炮在路面上可能形成的最大傾斜角的情況進行計算.

1.3火炮行進間車體傾角變化計算

1.3.1總體變化規(guī)律

火炮在運動中的顛簸可能是左右的， 也可能是前后的. 左右顛簸時， 由于彈丸受托彈盤槽的約束， 所以它對彈丸的影響不大. 在此不予考慮. 只考慮前后顛簸的情況. 這時傾角的變化規(guī)律參考某艦炮設計講義按式(2)計算.

(2)

式中：θ為傾斜角的瞬時值；t為時間的瞬時值；θmax為顛簸運動引起的車體傾斜角的最大值， rad；T為顛簸運動的周期.

故可得顛簸運動的角速度為

(3)

可得顛簸運動的角加速度為

(4)

1.3.2傾角最大值與變化周期的確定

路面不平度具有隨機性, 在地面波形的隨機分析中常假定過程是平穩(wěn)、 遍歷且呈正態(tài)分布. 為了在計算機上模擬隨機路譜,文獻[5]設計了一個隨機數(shù)產(chǎn)生器, 它可產(chǎn)生服從正態(tài)分布. 文獻[4] 則對路面譜選取實測標準正弦路面譜. 其路面質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)中波長為1 800 mm， 總幅值為110 mm[6]. 另選取火炮運動速度為V=30 km/h. 可得：火炮在行進間的顛簸運動的周期T=0.216 s，θmax=0.121 6 rad.

圖 3　行進間火炮傾斜角參數(shù)隨時間的變化Fig.3　Change of tilt angle parameter with time for moving artillery

1.3.3附加慣性力計算

因顛簸產(chǎn)生的慣性力的值， 可由理論力學的相關(guān)知識計算得到[7].

(5)

這時， 彈丸的運動方程為

1.4運動方程的建立

因為彈丸運動沿直線進行， 其運動方程式可以投影到運動方向上， 則

(6)

式中：R為火炮的質(zhì)心到彈丸質(zhì)心的距離；f為彈丸與輸彈槽之間的摩擦系數(shù).

將式(6)進行化簡， 可得

(7)

將式(7)左邊在速度v0-v1上積分， 右邊在彈丸行程Lqz-L上積分， 可得

(8)

式中：v0是強制輸彈結(jié)束時彈丸的速度；v1是輸彈到位時彈丸的速度；L為輸彈的全行程.

用字母A表示式(8)中的常數(shù)項， 用Lgx表示(L-Lqz)， 則可將式(8)表示為

(9)

2算法舉例

某122 mm榴彈炮的實際參考數(shù)據(jù)為：m=21.76 kg，αmax=70°，αmin=-7°，R=2 100 mm，f=0.15，Lgx=0.6 m， 如果輸彈到位的速度為v1=1.5 m/s[8-9].

將這些數(shù)值代入式(9)， 可得

403.2

當考慮火炮行進間顛簸時， 為保證輸彈到位時的速度， 強制輸彈末期， 彈丸速度為

15.63m/s.

如果不考慮火炮行進間的顛簸， 則參數(shù)A的值為

A70°=19.43.

則強制輸彈末期彈丸速度為

3.73 m/s.

同理可得：A-7°=-114. 圖 4 為參數(shù)A隨火炮射角的變化情況， 圖 5 為考慮顛簸時強制輸彈末期彈丸速度隨射角的變化情況， 這一計算結(jié)果表明：在慣性輸彈行程上， 由于重力的作用， 彈丸速度將越來越快， 不能保證彈丸的安全， 因此， 在行進間最好不要在小射角狀態(tài)下裝填彈丸.

圖 4　參數(shù)A隨火炮射角α的變化Fig.4　Change of parameter A with fire angle

圖 5　底盤顛簸時v0隨射角的變化Fig.5　Change of parameter v0 with fire angle at condition of dumped chassis

3結(jié)論

1) 自行火炮在靜止狀態(tài)進行彈丸裝填及射擊， 其強制輸彈段末期彈丸的速度在任何射角下變化不大.

2) 自行火炮在行進間進行射擊， 必然涉及到行進間輸彈. 火炮底盤的運動狀態(tài)將對彈丸能否正常裝填產(chǎn)生較大影響. 從上述的分析知， 火炮運動速度及地面譜對慣性輸彈段的彈丸影響較大.

3) 火炮在一定的路面上以一定速度行走， 這時為保證彈丸裝填到位的速度， 隨著射角的變化， 強制輸彈段末期， 彈丸所需的速度值變化較大.

4) 考慮到現(xiàn)代火炮必然存在行進間輸彈與射擊的情況， 故在輸彈機設計時， 其輸出速度應有較大變化范圍.

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文章編號：1673-3193(2016)04-0391-04

收稿日期：2015-05-22

作者簡介：薛百文(1966-)， 男， 副教授， 碩士， 主要從事火炮設計與制造工藝研究.

中圖分類號:TJ302

文獻標識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.04.013

Influence of Moving Loading on Design ofRammingMachine

XUE Bai-wen1， RUAN Wei-jing1， CUI Jian-chun2

(1. School of Mechatronics Engineering， North University of China， Taiyuan 030051, China;2.SchoolofComputerScienceandControlEngineering，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)

Abstract:The inertia ramming of projectile was affected by the motion state of chassis when self propelled artillery was moving. Based on the relevant road surface spectrum, forces acting on the projectile were analyzed when self propelled artillery dumps on the road, and motion equations of projectile in inertia ramming stage was established. The ramming speed curve was obtained by calculating an example when projectile was rammed to proper place in dumped limit state. The results are available for designing the ramming machine.

Key words:moving loading； inertia ramming； forced ramming； ramming machine； road spectrum