陳晶晶 趙金庫(kù) 趙玉峰 樸春華 王成恩

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240;2. 黑龍江北方工具有限公司 黑龍江牡丹江,郵編 157000)

0 引 言

隨著軍事戰(zhàn)略與戰(zhàn)爭(zhēng)要求的變革,現(xiàn)代軍事裝備對(duì)裝備質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求,而槍彈作為一種基礎(chǔ)、必要的軍事裝備,我國(guó)在生產(chǎn)槍彈方面雖然能夠達(dá)到使用要求,但在產(chǎn)量、良品率和槍彈質(zhì)量等重要指標(biāo)上還未很好地兼顧到。

在現(xiàn)代軍事環(huán)境中,彈藥不僅需要確保操作人員的安全,還必須在有效射程內(nèi)精確打擊目標(biāo),并產(chǎn)生足夠的殺傷效能和穿透效果。子彈的殺傷效能和穿透效果主要由拔彈力決定,而拔彈力要達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn),要求藥量和結(jié)構(gòu)過(guò)盈量同時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。子彈的精確性又需要保證制造的形狀精度、同軸度誤差和全彈長(zhǎng)誤差等多個(gè)因素。

國(guó)內(nèi)對(duì)子彈性能研究主要集中在理論計(jì)算、仿真分析等方向。2005年陳連基于正態(tài)分布的概率模型對(duì)簡(jiǎn)單的厚壁圓筒進(jìn)行了過(guò)盈連接的可靠性分析,并分析了過(guò)盈量、配合直徑和配合長(zhǎng)度對(duì)過(guò)盈連接的可靠性的影響[1］。錢俊松根據(jù)彈性力學(xué)基本假設(shè)、拉梅公式以及結(jié)合處的邊界條件,推導(dǎo)出拔彈力與過(guò)盈量之間的關(guān)系[2］。

綜上所述,盡管國(guó)內(nèi)對(duì)武器裝備的需求不高,但新時(shí)代的軍事戰(zhàn)略要求未來(lái)實(shí)際使用的武器彈藥有足夠的可靠性。而國(guó)內(nèi)目前對(duì)小口徑彈藥的研究還不夠完善,本文綜合試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵性能指標(biāo)研究和完備的實(shí)驗(yàn)方案,為小口徑彈藥的研究、性能評(píng)估提供了一套完整的體系。

1 裝配性能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1所示為裝配性能試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案由執(zhí)行系統(tǒng)、多功能驗(yàn)證調(diào)整模組、控制系統(tǒng)、下位機(jī)、上位機(jī)等組成。執(zhí)行系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)壓裝運(yùn)動(dòng)和夾具運(yùn)動(dòng);多功能驗(yàn)證調(diào)整模組主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件的裝夾定位,正反壓裝轉(zhuǎn)換,偏心調(diào)節(jié)等功能;控制系統(tǒng)包含了整機(jī)的供電,執(zhí)行系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制,兩側(cè)的光電安全防護(hù)及各種必要的傳感器控制;下位機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、壓裝力控制、速度控制及位置控制等驅(qū)動(dòng)控制指令的上傳下達(dá),同時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互和安全防控接口控制;上位機(jī)通過(guò)圖形化的控制界面能夠清晰簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

圖2為小口徑子彈裝配性能試驗(yàn)方案的傳動(dòng)系統(tǒng),包含多功能夾頭、夾緊模組、偏心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、反壓機(jī)構(gòu)等。

圖2 裝配性能評(píng)估傳動(dòng)系統(tǒng)

多功能夾頭和夾緊模組用于對(duì)彈頭、底火、彈殼的裝夾定位,可實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)的小口徑彈藥的壓裝試驗(yàn);偏心機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)夾緊模組在水平X、Y方向的調(diào)節(jié),能夠驗(yàn)證偏心對(duì)壓裝性能的影響。彈頭夾持器用于彈頭的夾持定位,彈殼夾持器用于彈殼的夾持定位,夾緊氣缸用來(lái)驅(qū)動(dòng)彈頭夾持器和彈殼夾持器的夾緊松開。為了得到彈頭的拔彈試驗(yàn)數(shù)據(jù),多功能驗(yàn)證調(diào)整模組內(nèi)部還設(shè)計(jì)了一套齒輪齒條的反壓機(jī)構(gòu),通過(guò)伺服壓機(jī)的壓頭作用于下壓桿,驅(qū)動(dòng)反向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)反壓桿向上運(yùn)動(dòng),將彈頭向上頂出,實(shí)現(xiàn)彈頭與彈殼的分離。忽略齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦力的情況下,伺服壓機(jī)所施加的力即等于將彈殼與彈頭分離所需的力。

2 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

試驗(yàn)流程如下頁(yè)圖3所示。

圖3 小口徑彈藥智能制造驗(yàn)證試驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)具體步驟:

材料準(zhǔn)備:模擬小口徑子彈的材料選用H68黃銅,以基孔制制造一批過(guò)盈量不同的模擬彈頭和彈殼,每個(gè)過(guò)盈量制造數(shù)量不小于50個(gè),過(guò)盈裝配生產(chǎn)誤差不高于0.005 mm。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備:針對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容制定試驗(yàn)計(jì)劃。完成相應(yīng)設(shè)備的調(diào)試準(zhǔn)備工作。并對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn),在啟用壓機(jī)前先要手動(dòng)調(diào)試進(jìn)行機(jī)械尋零,使壓頭達(dá)到機(jī)器出廠設(shè)定的零點(diǎn),并測(cè)量機(jī)械零點(diǎn)與彈頭頂端之間的距離,作為空行程。在做好以上準(zhǔn)備后需要用網(wǎng)線將機(jī)器與上位機(jī)連接,設(shè)置好對(duì)應(yīng)的IP與掩碼,以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)壓機(jī)的控制與數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。根據(jù)調(diào)試階段測(cè)量的空行程距離,設(shè)置相應(yīng)的空行程速度為100 mm/s,工作行程速度為10 mm/s,為避免錯(cuò)誤工況導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞,設(shè)置壓機(jī)上限壓力為5 kN。

根據(jù)不同試驗(yàn)內(nèi)容,將不同規(guī)格的彈頭分裝,在壓裝之前對(duì)同一規(guī)格的彈頭使用馬克筆進(jìn)行1～10編號(hào),依次進(jìn)行壓裝。首先將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)松開,將彈殼放入彈殼限位孔,再通過(guò)伺服氣缸閉合導(dǎo)向機(jī)構(gòu),放入彈頭,將壓機(jī)調(diào)至運(yùn)行模式,關(guān)閉本地鎖,按下啟動(dòng)按鈕,壓機(jī)將根據(jù)設(shè)定的程序?qū)ψ訌椷M(jìn)行壓裝,每完成一次壓裝壓頭會(huì)按設(shè)定的回程速度回到壓裝原點(diǎn),最后松開導(dǎo)向機(jī)構(gòu),將壓裝好的子彈取出并放入對(duì)應(yīng)的分裝袋中。

試驗(yàn)一:小口徑彈藥裝配過(guò)程中過(guò)盈量與壓裝力的規(guī)律研究

選擇一系列過(guò)盈量下的彈頭和彈殼,在保證同軸度足夠高的工況下,以0.1 m/s的壓裝速度進(jìn)行正常流程的壓裝實(shí)驗(yàn),每個(gè)過(guò)盈量的彈頭和彈殼進(jìn)行十次以上的壓裝實(shí)驗(yàn),記錄壓裝好的子彈的編號(hào)及其過(guò)盈量,并導(dǎo)出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),分析其壓裝力位移曲線。

試驗(yàn)二:小口徑彈藥裝配過(guò)程中彈頭同軸度與壓裝力的規(guī)律研究。

選擇某一過(guò)盈量的彈頭和彈殼,并將壓頭設(shè)置幾個(gè)偏心量,然后依據(jù)正常壓裝流程進(jìn)行壓裝實(shí)驗(yàn),記錄相應(yīng)偏移量下的壓裝曲線,并提取出最大壓裝力,將其與無(wú)偏下的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)盈量壓裝曲線進(jìn)行對(duì)比分析,從而判斷同軸度誤差對(duì)應(yīng)力分布的影響。

試驗(yàn)三:彈頭與彈殼裝配過(guò)程中某一過(guò)盈量下的最大壓裝力與拔彈力的對(duì)應(yīng)規(guī)律研究。

拔彈裝置的功能實(shí)現(xiàn)是通過(guò)一個(gè)齒輪齒條裝置實(shí)現(xiàn)的。在工作面上有一下壓桿,它作為一個(gè)齒條,通過(guò)反向齒輪傳導(dǎo)壓力來(lái)推動(dòng)另一端的一個(gè)從動(dòng)齒條,從動(dòng)齒條作為反壓桿,當(dāng)壓機(jī)對(duì)下壓桿施加壓力時(shí),反壓桿就會(huì)向上運(yùn)動(dòng),通過(guò)未封閉的彈殼底部對(duì)彈頭施加向上的壓力,由于彈殼頂端被限位,當(dāng)壓機(jī)的壓力逐漸增大到拔彈力時(shí),彈頭就會(huì)慢慢被頂出,此時(shí)壓機(jī)的壓力就等于相應(yīng)的拔彈力。拔彈測(cè)試首先需要將工作平面平移到壓頭與下壓桿對(duì)齊的工位,并重新測(cè)量壓頭與下壓桿頂端之間的距離,由于空行程和工作行程都有所改變,所以需要重新設(shè)定程序,使壓頭在接觸下壓桿后緩慢施加壓力將彈頭頂出。該實(shí)驗(yàn)根據(jù)動(dòng)摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)相對(duì)恒定的比例來(lái)研究最大壓裝力與拔彈力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

試驗(yàn)四:變速驗(yàn)證試驗(yàn)

變速壓裝實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試壓裝速度對(duì)成彈質(zhì)量——主要是全彈長(zhǎng)誤差的影響,控制過(guò)盈量、摩擦力和接觸長(zhǎng)度不變,將壓裝速度作為唯一變量對(duì)子彈進(jìn)行壓裝,設(shè)置四個(gè)不同壓裝速度的程序,并在壓裝后對(duì)子彈進(jìn)行編號(hào)及測(cè)量成彈的全彈長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)處理:壓裝的歷史曲線儲(chǔ)存在W500_NCFK的SD卡中,當(dāng)需要使用歷史曲線信息時(shí),可以使用查找和導(dǎo)出功能實(shí)現(xiàn)。歷史曲線信息通過(guò)程序號(hào)來(lái)分類保存數(shù)據(jù),導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)類別將數(shù)據(jù)分別導(dǎo)出至過(guò)盈量實(shí)驗(yàn)、變速實(shí)驗(yàn)、拔彈實(shí)驗(yàn)的文件夾中。

數(shù)據(jù)分析: 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線,結(jié)合仿真分析,對(duì)小口徑彈藥壓裝機(jī)理模型進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)一:不同過(guò)盈量驗(yàn)證試驗(yàn)

分別對(duì)0.02 mm、0.04 mm、0.06 mm、0.09 mm、0.11 mm、0.13 mm、0.15 mm、0.17 mm過(guò)盈量下的彈殼和彈頭組合進(jìn)行編號(hào)后開展壓裝試驗(yàn),根據(jù)操作標(biāo)準(zhǔn)依次壓裝制定的彈頭,并在壓裝后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出。在導(dǎo)出后使用曲線處理軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。使用H68黃銅為原材料制成彈頭和彈殼,采用基孔制配合方法,以彈殼內(nèi)徑9.03 mm為基準(zhǔn),通過(guò)制造不同外徑的彈頭來(lái)控制彈頭與彈殼配合的過(guò)盈量,所測(cè)試彈頭外徑如表1所示。

表1 彈頭外徑尺寸數(shù)據(jù)

不同過(guò)盈量下壓裝力-位移曲線如圖4所示。

圖4 不同過(guò)盈量壓裝力-位移曲線

對(duì)上述相同過(guò)盈量的曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算出每個(gè)過(guò)盈量下的均值線,即將每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)以x軸為基準(zhǔn)取y的平均值,列在同一個(gè)圖中進(jìn)行比較,如圖5所示,可以發(fā)現(xiàn):

圖5 壓裝力-位移曲線均值線對(duì)比

① 0.02～0.06過(guò)盈量之間,壓裝力位移曲線的斜率增加的幅度很大。

② 0.11～0.17過(guò)盈量之下,壓裝力位移曲線斜率及最大壓裝力均不再增加。

③ 壓裝起始階段,大過(guò)盈量下的力反應(yīng)突變情況更加顯著。

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象①證明了在彈性變形階段增加過(guò)盈量可以顯著增加壓裝力,以使拔彈力隨著過(guò)盈量的增加而快速增加。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象②證明了當(dāng)過(guò)盈量超過(guò)一定界限時(shí),拔彈力不再隨著過(guò)盈量的增加而顯著增加,說(shuō)明材料已經(jīng)開始發(fā)生了塑性變形。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象③證明了大過(guò)盈量時(shí),彈頭和彈殼接觸初期就會(huì)發(fā)生較大的應(yīng)力集中,且過(guò)盈量越大應(yīng)力集中越明顯,更加容易產(chǎn)生材料的破壞。

3.2 實(shí)驗(yàn)二:偏心壓裝試驗(yàn)

設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)過(guò)盈量為0.03 mm,偏心量分別設(shè)置為0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm,對(duì)相應(yīng)的彈頭進(jìn)行壓裝,記錄并分壓裝曲線,不同偏心量下壓裝力-位移曲線如圖6所示。

圖6 同過(guò)盈量不同偏心量壓裝曲線

表2所示為0.03 mm過(guò)盈情況下不同偏心量的最大壓裝力。從上數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn),對(duì)比無(wú)偏心量的標(biāo)準(zhǔn)壓裝曲線,有偏心量的最大壓裝力變化幅度非常小,對(duì)比同等過(guò)盈量增量下的最大壓裝力變化,偏心量對(duì)壓裝力的變化造成的影響幾乎可以忽略。

表2 不同偏心量下最大壓裝力

但同時(shí)可以看到在0.2 mm偏心量下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)了壓裝力先增大到最大值后再慢慢減小的情況,這個(gè)情況與過(guò)盈量實(shí)驗(yàn)下的大過(guò)盈情況類似,都是因?yàn)椴牧习l(fā)生了破壞從而產(chǎn)生了壓裝力隨接觸面積降低的情況,在實(shí)際生產(chǎn)情況中應(yīng)該盡量避免這種情況的發(fā)生。

3.3 實(shí)驗(yàn)三:拔彈力試驗(yàn)

對(duì)不同過(guò)盈量的彈頭和彈殼進(jìn)行編號(hào),再依次對(duì)其進(jìn)行無(wú)偏壓裝,記錄數(shù)據(jù)并導(dǎo)出后切換程序、切換壓機(jī)工作位置后依據(jù)原有編號(hào)依次對(duì)子彈進(jìn)行拔彈,拔彈后將對(duì)應(yīng)的彈頭和彈殼保留,并記錄拔彈力數(shù)據(jù)。

以過(guò)盈量為0.05 mm的彈頭和彈殼壓裝為例進(jìn)行驗(yàn)證,圖7為過(guò)盈量為0.05 mm配合的壓裝力曲線。圖 5-7為過(guò)盈量為0.05 mm配合的拔彈力曲線。

圖7 過(guò)盈量為0.05 mm配合的壓裝力曲線

圖8 過(guò)盈量為0.05 mm配合的拔彈力曲線

可以明顯看到壓裝階段的曲線基本呈線性增長(zhǎng),且峰值為0.8 kN～0.9 kN,而拔彈階段的曲線呈先快速上升,再緩慢下降的趨勢(shì),這證明了拔彈過(guò)程的機(jī)理是壓頭接觸彈頭底后開始施加力,當(dāng)力緩慢增長(zhǎng)直至達(dá)到拔彈力后,彈頭和彈殼開始發(fā)生相對(duì)移動(dòng),此后由于接觸長(zhǎng)度的不斷減小,相應(yīng)的摩擦力也開始不斷減小。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析,最大壓裝力與拔彈力對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 最大壓裝力與拔彈力對(duì)應(yīng)表

對(duì)最大壓裝力、拔彈力及兩者的比值進(jìn)行分析,最大壓裝力和拔彈力之間的比值即為彈殼材料與彈頭材料間的靜動(dòng)摩擦系數(shù)之比k=2.78。

3.4 實(shí)驗(yàn)四:壓裝速度對(duì)全彈長(zhǎng)誤差試驗(yàn)

對(duì)過(guò)盈量為0.02 mm的彈頭和彈殼進(jìn)行變速壓裝,通過(guò)編寫壓機(jī)的壓裝程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同速度的壓裝。0.02 mm過(guò)盈量的彈頭和彈殼進(jìn)行編號(hào),依次使用10 mm/s、20 mm/s、50 mm/s、100 mm/s、150 mm/s、200 mm/s的壓裝速度各進(jìn)行10次壓裝,再對(duì)壓裝好的子彈進(jìn)行全彈長(zhǎng)測(cè)量,綜合最大與最小值,得到如下頁(yè)表4數(shù)據(jù)。

表4 不同壓裝速度全彈長(zhǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)表

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在低速壓裝的情況下,全彈長(zhǎng)誤差基本能控制在1%以內(nèi),而隨著壓裝速度的增加,全彈長(zhǎng)誤差與壓裝速度呈很強(qiáng)的正相關(guān)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要根據(jù)小口徑彈藥裝配過(guò)程中所涉及的關(guān)鍵機(jī)理,設(shè)計(jì)了小口徑彈藥智能壓裝試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng),并結(jié)合彈頭壓裝試驗(yàn)過(guò)程對(duì)該系統(tǒng)的使用進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。通過(guò)本試驗(yàn)系統(tǒng),能夠以獲取彈頭與彈殼最大允許同軸度偏差,為彈頭壓裝設(shè)備的壓頭部分與定位部分機(jī)構(gòu)的同軸度設(shè)計(jì)提出具體的指標(biāo)要求;通過(guò)彈頭壓裝試驗(yàn),能夠獲得彈頭與彈殼壓裝的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,不僅為彈頭壓裝設(shè)備的設(shè)計(jì)提供運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)所需基礎(chǔ)參數(shù),對(duì)壓裝設(shè)備的動(dòng)力選型、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性校核、振動(dòng)控制提供數(shù)據(jù),而且為彈頭壓裝生產(chǎn)效率的提升和壓裝質(zhì)量的提高提供所需的數(shù)據(jù)支撐;通過(guò)拔彈力試驗(yàn),可以獲得彈頭與彈殼裝配過(guò)盈量與拔彈力的關(guān)系,進(jìn)一步為小口徑彈藥的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。本系統(tǒng)還可作為一個(gè)通用的試驗(yàn)平臺(tái),為新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)測(cè)試提供原始數(shù)據(jù)。