李回濱，袁志華，韓 鐵，胡 明

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.中國人民解放軍92840部隊，山東 青島 266405)

轉管炮彈簧-金屬橡膠緩沖器后坐特性研究

李回濱1，袁志華1，韓 鐵2，胡 明1

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.中國人民解放軍92840部隊，山東 青島 266405)

轉管武器由于射速高、后坐特性復雜，所以減小后坐阻力、提高射擊精度成為提高轉管武器系統(tǒng)性能的重要研究課題。設計了一種采用新型材料金屬橡膠作為主要阻尼材料，具有高效緩沖性能的環(huán)形彈簧作為主要彈性元件的轉管炮緩沖器，建立了轉管炮后坐運動微分方程，利用MATLAB對緩沖器金屬橡膠在不同形狀因子情況下對后坐的影響進行仿真分析，得到金屬橡膠形狀因子與其剛度系數(shù)成反比。仿真結果表明：加載金屬橡膠的緩沖器能更好地減小轉管炮后坐阻力，金屬橡膠對于提高轉管炮射擊精度和穩(wěn)定性具有一定意義。

兵器科學與技術；轉管炮；緩沖器；金屬橡膠；后坐阻力

后坐力的大小直接影響武器的射擊精度和射擊穩(wěn)定性，減小后坐阻力對減輕武器自身質(zhì)量和提高作戰(zhàn)機動性具有十分重要的意義[1]。轉管武器由于采用了轉管發(fā)射的原理，具有較高射頻[2]，因此與同口徑非轉管武器相比，其后坐阻力會大很多，架體受力和變形也相應增大。尤其超高射速的轉管自動機在射擊時，經(jīng)常會出現(xiàn)后坐位移很小并伴隨著后坐位移疊加的現(xiàn)象，減小其后坐阻力顯得十分困難。減小火炮后坐阻力的核心工作是設計性能優(yōu)良的緩沖器，緩沖器的性能是影響火炮后坐阻力大小的關鍵因素。優(yōu)良的緩沖器能夠有效地緩沖火炮發(fā)射時產(chǎn)生的反作用力[3]，使火炮在射擊時保持較好的后坐運動規(guī)律，提升火炮的戰(zhàn)技性能和使用壽命?，F(xiàn)有的緩沖器在降低后坐阻力方面的發(fā)展空間有限，已經(jīng)無法滿足轉管炮的發(fā)展需求，逐漸成為提升轉管炮武器性能的瓶頸。針對這一問題，在彈簧組合式緩沖器基礎上，分析其設計結構，對比其在結構及性能方面存在的優(yōu)缺點，設計了基于23 mm轉管炮的新型彈簧-金屬橡膠緩沖器，通過對緩沖器在轉管炮射擊過程中產(chǎn)生的后坐阻力和后坐位移進行優(yōu)化分析[4]，重點研究了金屬橡膠對于轉管炮后坐特性的影響，得出了金屬橡膠影響轉管炮后坐特性的規(guī)律。將金屬橡膠應用于轉管炮緩沖器，增強緩沖器緩沖效果，對于大幅提升轉管炮武器性能具有一定意義。

1 緩沖器結構及工作原理

彈簧-金屬橡膠緩沖器主要工作部件由環(huán)形彈簧、金屬橡膠、摩擦塊及緩沖器殼體等組成，其結構圖如圖1所示。

緩沖器殼體部分與轉管炮炮架相連，連桿通過耳環(huán)和火炮后坐部分相連。轉管炮射擊時，后坐部分帶動連桿向后運動，調(diào)節(jié)螺母離開右端墊片，連桿通過墊片壓縮環(huán)形彈簧，同時壓縮金屬橡膠。環(huán)形彈簧和金屬橡膠在擠壓過程通過摩擦消耗大量能量，同時儲存部分能量。后坐過程摩擦塊由于錐型套的擠壓與緩沖器內(nèi)壁發(fā)生摩擦，也消耗部分能量?；鹋趶瓦M時方向發(fā)生變化，環(huán)形彈簧和金屬橡膠釋放儲存的能量，摩擦塊和金屬橡膠起到減振作用。

2 轉管炮后坐運動微分方程

轉管炮射擊時后坐部分所受主動力、約束反力和阻力構成了一個空間力系[5]。建立運動方程時，需要進行簡化，現(xiàn)對轉管炮做如下基本假設：

1)忽略彈丸作用于膛線導轉側力矩Mx，該力矩只在彈丸在膛內(nèi)運動時期起作用，且在后坐方向運動較小。

2)射擊時所有力均作用在射擊平面內(nèi)。

3)忽略自動機內(nèi)部摩擦、撞擊等能量的耗損。

4)后坐部分和炮架均為剛體，且炮架部分固定不動。

5)轉管炮射擊時只沿直線后坐和復進，不會前后搖擺。

6)膛底合力作用在炮管中心線上。

7)緩沖彈簧力作用在緩沖器中心線上。

在這些假設下，后坐部分運動便成為平面力系內(nèi)剛體動力學問題。以炮膛軸線為x軸，受力圖如圖2所示。

根據(jù)牛頓第二定律推導出后坐運動微分方程為

(復進 ,x>0,v<0)

(1)

(復進,x>0,v<0)

(2)

(前沖,x<0,v<0)

(3)

(返回,x<0,v>0)

(4)

(5)

(6)

Fm=Fz+Ft

(7)

式中：m為后坐部分質(zhì)量；k為彈簧剛度；x為后坐位移；F0是彈簧預壓力；Fpt是炮膛合力；mg是后坐部分重力；kx是彈簧阻力；Fm是后坐時的摩擦力的合力;Fz是摩擦塊與緩沖器尾體的摩擦力；Ft是反后坐裝置與導軌的摩擦力；Fx是金屬橡膠力；Es為金屬橡膠材料彈性模量；ρ*為金屬橡膠材料密度；ρs為金屬絲材料密度；S為金屬橡膠受壓面積；X為金屬橡膠壓縮量；L為金屬橡膠原高度；K為金屬橡膠剛度系數(shù)；A、B、C為修正系數(shù)，是通過大量試驗擬合的參數(shù)，由形狀因子α(即試件高度與承載面積之比L/S)確定。金屬橡膠形狀因子α和各項系數(shù)可準確預估力-位移的關系?？招膱A柱形金屬橡膠13種形狀因子和各系數(shù)的關系可參考文獻[6]。

3 金屬橡膠形狀因子對后坐特性影響

3.1 加載金屬橡膠對緩沖器的影響

對金屬橡膠緩沖器的單向性能試驗數(shù)據(jù)分析[7]，如圖3所示。

試驗表明, 使用沒有金屬橡膠的緩沖器，火炮后坐阻力變化劇烈，炮身后坐位移最大行程180 mm，復進至80 mm停止，且未能完全復進到位。使用加載金屬橡膠的緩沖器后后坐阻力變得平緩，后坐位移最大行程35 mm，重復性較好。對比試驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，使用的金屬橡膠緩沖器能夠有效承受較大沖擊載荷，大幅度減小后坐位移。

3.2 金屬橡膠形狀因子對后坐特性的影響

根據(jù)前面推導出的后坐運動微分方程可以看出，環(huán)形彈簧、金屬橡膠對轉管炮后坐的影響很明顯，根據(jù)環(huán)形彈簧和金屬橡膠的材料特性，可以得出對緩沖器性能產(chǎn)生影響的因素有：環(huán)形彈簧剛度k、彈簧預壓力F0和金屬橡膠形狀因子α。要研究金屬橡膠對緩沖器后坐的影響規(guī)律，可設定k和F0這2個參數(shù)不變的情況下，分析金屬橡膠形狀因子變化時對轉管炮后坐特性影響。

針對6 000發(fā)/min的高射速轉管炮，最大后坐阻力不超過40 kN，后坐位移不超過20 mm，用MATLAB軟件編寫計算程序，求解模型，得到主要參數(shù)為：k=400 N/mm,F0=1 500 N,α=0.026 6。

根據(jù)上述參數(shù)，在α=0.026 6左右選擇形狀因子數(shù)值進行分析，參數(shù)設置如表1所示。

表1 金屬橡膠形狀因子

根據(jù)求得的后坐運動微分方程編寫MATLAB仿真程序，金屬橡膠因子分別為0.011 8，0.023 6，0.026 6，0.039 7時的后坐阻力-時間、后坐位移-時間曲線仿真結果如圖4～7所示。

根據(jù)上面不同金屬橡膠形狀因子對后坐運動的影響，分析數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 金屬橡膠因子對后坐特性影響

從表2中數(shù)據(jù)可看出，轉管炮后坐位移隨著金屬橡膠形狀因子的增大而增加，這是因為隨著形狀因子增加，金屬橡膠剛度系數(shù)減小。后坐阻力則隨著金屬橡膠形狀因子增加而減小。當α=0.039 7時，最大后坐阻力反而增大，且穩(wěn)定后兩者相差不大，然而當α≤0.026 6時，從仿真數(shù)據(jù)來看，后坐位移的變化比較平穩(wěn)，后坐阻力的變化也比較明顯，因而當α≤0.026 6時，用于緩沖器時的緩沖效果最好。但是金屬橡膠形狀因子太大時，會使炮身在后坐初期受到較大沖擊力[8]，后坐特性不符合設計要求；金屬橡膠形狀因子太小時，金屬橡膠就起不到緩沖作用。

4 結論

通過用MATLAB軟件編寫程序對所設計的轉管炮彈簧-金屬橡膠緩沖器進行仿真分析研究發(fā)現(xiàn)：

1)金屬橡膠應用于轉管炮緩沖器上，可使后坐阻力變得平穩(wěn)，并能有效減小后坐位移。

2)金屬橡膠剛度與其形狀因子成反比，形狀因子增加，后坐位移增加，后坐阻力減小。

3)需要進一步研究金屬橡膠的阻尼特性，以及探索金屬橡膠與其他彈性元件組合作為小口徑火炮緩沖器應用前景。

References)

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Research on the Recoil Characteristics of the Spring-metalRubber Buffer of the Gatling Gun

LI Huibin1, YUAN Zhihua1, HAN Tie2, HU Ming1

(1. School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University,Shenyang 110159 , Liaoning , China；2. Unit 92840 of PLA , Qingdao 266405, Shandong, China )

For the Gatling weapon,due to its high firing rate and the complex characteristics of recoil,reducing the recoil resistance and enhancing firing precision becomes an important research topic for the improvement of the performance of Gatling weapon system.Designed was a buffer which makes use of new materials in metal rubber as the main damping material and the circular spring which has effective cushioning performance as the main elastic element with the recoil motion differential equation of the Gatling gun established.On the basis of the equation, with MATLAB used to simulate and analyze what happened when the shape factor of metal rubber was changed,it was derived that the shape factor of metal rubber is inversely proportional to its stiffness coefficient.The simulation results show that the buffer which loads the metal rubber can better reduce the Gatling gun recoil resistance.Consequently,there is a great significance for metal rubber to improve the firing precision and stability of the Gatling gun.

ordnance science and technology;Gatling gun; buffer; metal rubber; recoil resistance

2016-05-05

遼寧省教育廳高校科研基金(L2014076)

李回濱(1994—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)設計及應用研究。E-mail：lhb1011040110@163.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.002

TJ303+.4

A

1673-6524(2017)02-0006-05