魏立新，陳延偉，劉明敏

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

環(huán)形彈簧由多個(gè)帶有內(nèi)錐面的外圓環(huán)和帶有外錐面的內(nèi)圓環(huán)配合組成，由于接觸表面具有很大的摩擦力，加載時(shí)增大彈簧作用力，卸載時(shí)減小彈簧作用力。環(huán)形彈簧再加載和卸載循環(huán)中，由摩擦力轉(zhuǎn)化為熱能所消耗的功，其大小幾乎可以達(dá)到加載過(guò)程所作功的60%～70%[1]，其常應(yīng)用在空間尺寸受限而又需要強(qiáng)力緩沖的場(chǎng)合。

在不需利用自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)能量完成機(jī)構(gòu)動(dòng)作的小口徑火炮（大口徑機(jī)槍?zhuān)┲校貏e是轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)，應(yīng)用環(huán)形彈簧進(jìn)行后坐緩沖優(yōu)勢(shì)比較明顯，不僅可以減小自動(dòng)機(jī)后坐能量，也可以減輕復(fù)進(jìn)對(duì)炮架的沖擊，提高射擊精度。

ADAMS軟件是功能強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真軟件，在ADAMS中的彈簧剛度只能是固定值，不能設(shè)置不同的加載和卸載剛度直接模擬環(huán)形彈簧，本文用ADAMS中的一維作用力的表達(dá)式來(lái)模擬環(huán)形彈簧緩沖，勿需編寫(xiě)用戶(hù)子程序[3]。

1 轉(zhuǎn)管炮后坐緩沖受力分析

本文以某轉(zhuǎn)管炮為對(duì)象，利用ADAMS軟件，對(duì)自動(dòng)機(jī)后坐復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬仿真。后坐緩沖模型如圖2所示，后坐部分受到發(fā)射沖擊力火藥氣體作用向后運(yùn)動(dòng)，壓縮環(huán)形彈簧進(jìn)行緩沖并存儲(chǔ)復(fù)進(jìn)能量，后坐到某平衡點(diǎn)后（即后座速度為0時(shí)），在環(huán)形彈簧作用下開(kāi)始復(fù)進(jìn)，在自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)過(guò)程中發(fā)射下一發(fā)炮彈，后座能量被自動(dòng)機(jī)前沖能量抵消一部分后，自動(dòng)機(jī)繼續(xù)后坐，如此連發(fā)時(shí)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)機(jī)浮動(dòng)，后坐力峰值降低，大小穩(wěn)定。在高射速射擊過(guò)程中，自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)一般不會(huì)出現(xiàn)前沖狀態(tài)，即前支座不會(huì)碰撞搖架，有利于減小復(fù)進(jìn)沖擊力。

以后坐部分為研究對(duì)象，其受力如圖3所示。后坐部分主要承受炮膛合力、彈簧力和摩擦力。

圖1 環(huán)形彈簧力學(xué)性能曲線Fig.1 Annular spring mechanical property curve

圖2 后坐緩沖模型示意圖Fig.2 Structure chart of the recoiling buffer

彈簧阻尼與速度方向相反，摩擦力與速度方向相反。

2 ADAMS下環(huán)形彈簧力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)方法

在ADAMS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)環(huán)形彈簧力學(xué)特性模擬的方法，如圖2所示，首先，在前支座和后支座之間添加SFORCE力，該力的值項(xiàng)用函數(shù)表達(dá)式表示；其次，為判斷環(huán)形彈簧受力方向變化，需調(diào)用邏輯函數(shù)IF判斷，以實(shí)現(xiàn)后坐復(fù)進(jìn)過(guò)程的轉(zhuǎn)變；最后，通過(guò)后座位移仿真數(shù)據(jù)得出環(huán)形彈簧受力大小，即后坐力。

邏輯依據(jù)是：

1）當(dāng)前支座處于后坐運(yùn)動(dòng)時(shí)：作用力=彈簧變形力+阻尼+摩擦力；

2）當(dāng)前支座處于復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)：作用力=彈簧變形力×比例系數(shù)+阻尼×比例系數(shù)-摩擦力；

3）當(dāng)后支座處于復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)：作用力=彈簧變形力+阻尼-摩擦力；

4）當(dāng)后支座處于后坐運(yùn)動(dòng)時(shí)：作用力=彈簧變形力×比例系數(shù)+阻尼×比例系數(shù)+摩擦力。

在ADAMS軟件環(huán)境下，以前、后支座的運(yùn)動(dòng)速度作為后坐復(fù)進(jìn)判斷條件，而不直接以后坐部分運(yùn)動(dòng)作為判斷條件，是因?yàn)楹笞糠植荒軠?zhǔn)確的反映彈簧的反向壓縮情況。以炮口方向?yàn)檎?，具體如下：

若后支架不動(dòng)，前支架運(yùn)動(dòng)

若前支架不動(dòng)，后支架運(yùn)動(dòng)

需要說(shuō)明的是，由于彈簧力的存在，前、后支座不可能存在同時(shí)運(yùn)動(dòng)情況。由于在仿真軟件下，開(kāi)始仿真段存在振蕩情況，因此增加判斷前、后支座運(yùn)動(dòng)的條件。下面列出ADAMS軟件下的環(huán)形彈簧表達(dá)式。

2.1 按設(shè)計(jì)參數(shù)仿真

按照ADAMS函數(shù)表達(dá)式的IF嵌套語(yǔ)句寫(xiě)出該力，IF函數(shù)的各式為IF（表達(dá)式1：表達(dá)式2，表達(dá)式3，表達(dá)式4），表示當(dāng)表達(dá)式1＜0，執(zhí)行表達(dá)式2，當(dāng)表達(dá)式1=0，執(zhí)行表達(dá)式3，表達(dá)式1＞0，執(zhí)行表達(dá)式4。

IF（后支座位移:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（后支座速度:

2.2 用彈簧測(cè)試數(shù)據(jù)仿真

在環(huán)形彈簧生產(chǎn)出來(lái)后，要進(jìn)行壓力測(cè)試，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行后坐仿真，下面以環(huán)形彈簧的測(cè)試數(shù)據(jù)為條件的函數(shù)表達(dá)式。要用到AKISPL函數(shù)，該函數(shù)返回根據(jù)Akima樣條曲線的擬合值。AKISPL 格式為AKISPL（第1獨(dú)立變量,第2獨(dú)立變量，樣條函數(shù)名，求導(dǎo)階數(shù)），其中第1獨(dú)立變量代表樣條中第1個(gè)實(shí)數(shù)變量，如彈簧壓縮量；第2獨(dú)立變量表示第2個(gè)實(shí)數(shù)變量，如曲面；求導(dǎo)階數(shù)合法值：0-返回曲線坐標(biāo)值，1-返回一階導(dǎo)數(shù)值，2-返回二階導(dǎo)數(shù)值，SPLINE_1是環(huán)形彈簧測(cè)量加載曲線，SPLINE_2是環(huán)形彈簧測(cè)量卸載曲線。

IF（后支座位移:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（前支座位移:

IF（前支座速度:

IF（后支座速度:

3 仿真結(jié)果

3.1 依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)參量，編寫(xiě)ADAMS函數(shù)表達(dá)式，并進(jìn)行仿真，得到如下結(jié)果?？梢钥吹皆O(shè)計(jì)滿(mǎn)足后坐緩沖要求，自動(dòng)機(jī)射擊過(guò)程可以“浮動(dòng)”起來(lái)。

圖4 彈簧力-時(shí)間曲線Fig.4 Spring force-time curve

圖5 彈簧力-位移曲線Fig.5 Spring force-displacement curve

圖6 自動(dòng)機(jī)后坐位移-時(shí)間曲線Fig.6 Recoil displacement-time curve

圖7 彈簧力-時(shí)間曲線Fig.7 Spring force-time curve

3.2 以實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)仿真

在實(shí)際生產(chǎn)中，彈簧并不能完全符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求，因此需對(duì)彈簧測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖8。本文的環(huán)形彈簧測(cè)試數(shù)據(jù)是已經(jīng)射擊了幾千發(fā)后的數(shù)據(jù)，因此可見(jiàn)彈簧有壓縮到極限位的情況。

4 與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

把仿真的后坐位移曲線與實(shí)際測(cè)試的位移曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)曲線較一致，特別是用測(cè)試彈簧數(shù)據(jù)仿真的后坐位移曲線，其趨勢(shì)與測(cè)試后坐位移曲線比較一致（見(jiàn)圖9和圖10）。由于仿真時(shí)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了大量簡(jiǎn)化，仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果并不完全一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)行函數(shù)表達(dá)式，在ADAMS軟件下實(shí)現(xiàn)了環(huán)形簧特性的后坐緩沖運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，結(jié)果較吻合。該方法可以用到火炮設(shè)計(jì)的數(shù)字仿真中，簡(jiǎn)化了仿真過(guò)程，對(duì)提高設(shè)計(jì)手段具有積極意義。

圖8 彈簧力-位移曲線Fig.8 Spring force-displacement curve

圖9 后坐位移曲線（發(fā)射率4 200發(fā)/分）Fig.9 Recoil displacement-time curve

圖10 實(shí)際射擊測(cè)試后坐位移曲線（發(fā)射率4 200發(fā)/分）Fig.10 Test dadta of recoil displacement-time curve

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3卷)[M].第五版.第11篇第9章環(huán)形彈簧.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2014.CHENG Da-xian.Mechanical design handbook(3)[M].Version 5.Chapter 9.Annular Spring.Beijing: Chemical Industry Press,2014.

[2]劉明敏, 張蔚峰, 朱延飛.2種緩沖簧反后坐效能分析[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2014, 36(11): 157–161.LIU Ming-min, ZHANG Wei-feng, ZHU yan-fei.Efficiency analysis about two kinds of counter recoil equipment[J].Ship Science and Technology, 2014, 36(11): 157–161.

[3]周發(fā)明, 王寶元, 霍文妮, 等.環(huán)形彈簧特性的RecurDyn子程序?qū)崿F(xiàn)方法[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào), 2007(2): 21–23.ZHOU Fa-ming, WANG Bao-yuan, HUO Wen-ni, et al.Implementation of recurdyn subprogram with characteristics of ring spring[J].Journal of Gun Launch and Control, 2007(2):21–23.

[4]賈長(zhǎng)治, 杜秀菊, 劉廣生, 等.火炮沖擊緩沖裝置動(dòng)態(tài)特性影響仿真分析與改進(jìn)方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 48(19):156–162.JIA Chang-zhi, DU Xiu-ju, LIU Guang-sheng, et al.Simulation and improvement of dynamic characteristics of impact buffering mechanism of guns based on virtual prototyping technology[J].Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(19): 156–162.

[5]申江森, 高躍飛, 徐鳳軍.基于ADAMS的某突擊炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2015(2): 105–107.SHEN Jiang-sen, GAO Yue-fei, XU Feng-jun.ADAMS based dynamic simulation of assault gun firing[J].Mechanical Engineering & Automation, 2015(2): 105–107.