劉 昕

（駐齊齊哈爾地區(qū)軍事代表室，黑龍江 齊齊哈爾 116000）

引言

某輕量型艦炮基于現(xiàn)代海軍艦船的多樣性發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行了無(wú)封艙件改進(jìn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)減重過(guò)程中考慮了艦炮發(fā)射系統(tǒng)對(duì)耳軸的力矩及其影響，提出了平衡機(jī)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化不平衡力矩對(duì)艦炮射擊和艦船穩(wěn)定航行都有重要的意義。

1 艦炮射擊時(shí)的受力分析

艦炮在射擊時(shí)會(huì)在火藥燃?xì)獾淖饔孟庐a(chǎn)生炮膛合力Fpt，與艦炮后坐運(yùn)動(dòng)的慣性力構(gòu)成后坐阻力Fr[1]，F(xiàn)r與火線高H會(huì)使艦炮產(chǎn)生向后翻轉(zhuǎn)的顛覆力矩，艦炮后坐的穩(wěn)定條件是使艦炮穩(wěn)定力矩大于射擊過(guò)程中的顛覆力矩[2]。

降低火線高是減小顛覆力矩的有效辦法，火線高由H降低后，為保證艦炮高角時(shí)搖架不與轉(zhuǎn)臺(tái)干涉，需將耳軸后移。耳軸的移動(dòng)導(dǎo)致發(fā)射系統(tǒng)對(duì)耳軸的重力矩增大，該力矩使艦炮高角運(yùn)動(dòng)時(shí)高低手輪力增加，低角射擊時(shí)，重力矩在高低機(jī)齒弧齒輪之間產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。為解決上述情況，需增加平衡機(jī)來(lái)降低艦炮對(duì)耳軸的力矩。

2 平衡裝置理論計(jì)算

根據(jù)艦炮總體結(jié)構(gòu)布置，可選用拉式平衡機(jī)，與俯仰部分的連接點(diǎn)在搖架末端，平衡機(jī)置于轉(zhuǎn)臺(tái)平面下方，與轉(zhuǎn)臺(tái)固定把合，力學(xué)模型見(jiàn)圖1。

通過(guò)力學(xué)模型圖可知：

O點(diǎn)為搖架上耳軸中心；P點(diǎn)為平衡機(jī)平面蝸卷彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)中心；

W點(diǎn)為俯仰部分質(zhì)心；D點(diǎn)為彈箱的質(zhì)心；θ為艦炮射角；

圖1 平衡機(jī)力學(xué)模型圖（mm）

A、A'點(diǎn)為搖架上平衡機(jī)力的作用點(diǎn)，其中A'為射角為θ時(shí)的作用點(diǎn)；

B、B'點(diǎn)為平衡機(jī)上平衡機(jī)力作用點(diǎn)，其中B'為射角為θ時(shí)的作用點(diǎn)；

H"、H'點(diǎn)為耳軸中心O對(duì)AB的垂足。

分析可知：AB即為平衡機(jī)力的作用線，OH"為平衡機(jī)力到耳軸的距離，設(shè)平衡機(jī)在AB上的作用力為F，OH"的長(zhǎng)度為h，則平衡機(jī)對(duì)耳軸的提供的力矩為：

由俯仰部分的運(yùn)動(dòng)軌跡可知，B點(diǎn)、H"點(diǎn)的位置隨射角射角θ而變化，平衡機(jī)通過(guò)控制各個(gè)射角對(duì)耳軸的平衡機(jī)力矩來(lái)平衡重力矩。

2.1 平衡機(jī)力學(xué)模型的解算

以射角θ=0°時(shí)為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，以θ=-15°～85°為設(shè)計(jì)范圍進(jìn)行計(jì)算。解算△AOP、△AOB可得AB隨射角變化的值；解算△BOP、△BHO可得平衡機(jī)力作用線到耳軸的距離OH"。計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)表1。

2.2 求解平衡機(jī)力

平衡機(jī)對(duì)耳軸的力矩W應(yīng)與重力矩相等，算得重力矩后，各射角下，平衡機(jī)作用線到耳軸的距離為OH"（θ）=h，則可知，平衡機(jī)所需的平衡機(jī)力為：

表1 平衡機(jī)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

設(shè)平衡機(jī)所用的滑輪半徑為BP=r，則平衡機(jī)需要提供的扭矩為：

根據(jù)公式2、3可算得平衡機(jī)設(shè)計(jì)力矩。

2.3 儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)

因俯仰角度在-15°～85°之間，選用普通彈簧不利于整體結(jié)構(gòu)布置，平面蝸卷彈簧能有效解決該問(wèn)題：其一端固定，另一端在平面內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，輸出扭矩。根據(jù)整體空間，選擇設(shè)置16根相同的彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）彈簧厚度據(jù)平面蝸卷彈簧公式可算得：

2）平面蝸卷彈簧在全射角范圍內(nèi)的工作圈數(shù)：

3）平面蝸卷彈簧的長(zhǎng)度：

4）平面蝸卷彈簧總長(zhǎng)：

5）彈簧節(jié)距：

綜上，平面蝸卷彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表2 平面蝸卷彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)表

3 平衡裝置的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

當(dāng)艦炮射擊時(shí)，后坐部分運(yùn)動(dòng)引起質(zhì)心的變化，重力矩與平衡機(jī)的共同作用下，對(duì)對(duì)耳軸的力矩曲線見(jiàn)圖2，空載極值為-3 342 Nm，滿載極值為-4 603 Nm。在戰(zhàn)斗工況下，反向不平衡力矩過(guò)大，需對(duì)彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 后坐到位時(shí)艦炮各射角對(duì)耳軸的力矩

4 優(yōu)化結(jié)果

力矩變化的極值出現(xiàn)在彈箱滿載，且后坐距離最長(zhǎng)時(shí)，因此降低彈簧剛度能改善該種狀況。經(jīng)調(diào)整計(jì)算，彈簧參數(shù)如下（見(jiàn)表3）。

表3 平面蝸卷彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)表

經(jīng)參數(shù)修正后，艦炮對(duì)耳軸的力矩極值變小。滿載工況下力矩變化曲線見(jiàn)圖3，艦炮在勤務(wù)狀態(tài)下，高低手輪力最大值58 N。

圖3 彈箱空載時(shí)不平衡力矩隨后坐位移和射角的變化圖

5 結(jié)論

本文對(duì)某輕量化艦炮基于渦卷彈簧設(shè)計(jì)的平衡機(jī)進(jìn)行了計(jì)算、驗(yàn)證和優(yōu)化，通過(guò)平衡裝置的參數(shù)控制實(shí)現(xiàn)了耳軸不平衡力矩的合理分配。結(jié)論如下：

1）平衡裝置采用的平面蝸卷彈簧剛度大、占用空間小，適合輕量型產(chǎn)品安裝使用。

2）該平衡機(jī)技術(shù)在火線高降低后，能有效降低艦炮的顛覆力矩，有利于艦炮的射擊穩(wěn)定。

3）平衡機(jī)技術(shù)通過(guò)參數(shù)控制后，合理分配不平衡力矩，保障射擊時(shí)的艦炮穩(wěn)定和勤務(wù)狀態(tài)時(shí)的輕便使用，參數(shù)設(shè)計(jì)能為平衡裝置設(shè)計(jì)提供一定的參考[3]。