2种缓冲簧反后坐效能分析

刘明敏，张蔚峰，朱延飞

(1.中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，河南 郑州 450015；2.郑州飞机装备有限责任公司，河南 郑州 450005)

2种缓冲簧反后坐效能分析

刘明敏1，张蔚峰2，朱延飞1

(1.中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，河南 郑州 450015；2.郑州飞机装备有限责任公司，河南 郑州 450005)

小口径自动机的反后坐装置多采用各种形式的缓冲簧进行缓冲，减小后坐阻力并实现自动机浮动。文中通过理论分析，建立自动机后坐运动方程，在Matlab simulink 环境下建模仿真，分别计算2种不同力学性能缓冲簧的后座运动规律，得出在结构尺寸受限的条件下，环形弹簧与螺旋矩形弹簧相比缓冲性能更优。经实弹射击，试验结果与理论计算结果吻合较好，证明本文采用的研究方法正确，建立的仿真模型可用于工程实际。

缓冲簧；后坐；小口径自动机

0 引 言

在火炮技术发展的整个过程中，自始至终都存在着火炮威力与机动性之间的发展与制约，直至反后坐装置的出现，很好地解决了二者之间的矛盾，为火炮威力大幅度提高创造了条件，由此也使火炮技术有了划时代的发展[1]。

反后坐装置实质上是一个缓冲装置，它将作用于炮身上作用时间短且变化剧烈的炮膛合力，变成作用时间稍长、幅度变化不大、最大值较小的后坐阻力传给炮架。因此，反后坐装置的采用，不仅影响了火炮受力的大小和运动规律，对火炮综合性能的提高也有很大贡献。

本文通过对小口径自动机上2种反后坐装置分析，得出在相同条件下，采用2种力学性能不同的缓冲簧进行缓冲，缓冲簧的选择对其后坐运动规律有较大影响。

1 理论分析

本文研究的是同一小口径自动机用2种不同的缓冲簧缓冲，其后坐规律的变化。这2种缓冲簧分别是螺旋矩形弹簧和环形弹簧，二者的力学性能有所不同。该自动机的整个炮身部分相对于炮架后坐，缓冲簧的下半部分固定在炮架上，上半部分固定在炮身上。射击时，在自动机后座过程中，缓冲簧吸收后座能量用于自动机复进，在复进到零位时若还有前冲速度，缓冲簧则反向吸收自动机前冲的能量，射频稳定后，在缓冲簧的作用下，自动机在一定的位移范围内实现浮动。

因此，自动机的后坐与复进运动规律与缓冲簧的类型和参数有着密切的联系。本文在计算后坐运动规律时，其后坐阻力主要考虑弹簧力和炮身沿炮架运动的摩擦力。

1.1 后坐运动方程建立

该自动机在整个后坐过程中，后坐运动方程均为：

(1)

即：

(2)

式中：m0为后坐部分质量；Ppt为炮膛合力；R为后坐阻力；v为后坐速度；x为后坐位移；p(t)为随时间变化的膛压；S为炮膛断面积；f′为摩擦力；P0为弹簧预压力；k为弹簧刚度。

随着弹丸发射，作用在膛底的炮膛合力也随着火药气体的变化而变化。根据火药气体作用力的不同可将其分为弹丸在膛内运动时期及火药气体后效时期2个阶段考虑。

弹丸在膛内运动时期炮膛合力为：

Ppt=p(t)·S。

(3)

火药气体后效时期，炮膛合力的理论公式和经验公式都可以表示为时间的解析函数，在此，利用炮膛合力的经验公式：

(4)

因此，后坐运动方程组可写成带有初值条件的一阶微分方程组：

(5)

以时间t为自变量，分段确定炮膛合力的公式，且摩擦力方向也随后坐与复进运动方向的不同而改变。采用4阶龙格—库塔法计算上述常微分方程组，解得自动机在整个后坐过程中的后坐速度和后坐位移。

2 两种缓冲簧力学性能及反后坐性能分析

2.1 螺旋矩形弹簧

螺旋矩形弹簧是采用高性能弹簧钢机加工艺车制而成截面呈矩形的弹簧，它具有强度高、弹性好等优点。螺旋矩形弹簧与普通螺旋弹簧的力学性能类似，它在压缩与伸张阶段具有相同的刚度，即弹簧力与压缩量成比例变化。其力学性能曲线如图1所示。

本文利用上述理论模型，对该缓冲簧的后坐效能进行分析。在VC环境下编制内弹道计算程序，将其得到的数据导入Matlab中的simulink模型中进行后坐过程仿真，模拟单发及连发情况下的后坐运动。

单发情况下的后坐运动曲线如图3～图4所示。

图1 螺旋矩形弹簧力学性能曲线Fig.1 Helical spring mechanics performance curve

图2 仿真模型Fig.2 Simulation model

图3 后坐位移―时间曲线Fig.3 Recoil displacement-time curve

图4 后坐速度―时间曲线Fig.4 Recoil velocity-time curve

连发计算按射速4 800发/min考虑，进行15连计算，其后坐运动规律曲线如图5～图7所示。

图5 后坐位移―时间曲线Fig.5 Recoil displacement-time curve

图6 后坐速度―时间曲线Fig.6 Recoil velocity-time curve

图7 后坐力―时间曲线Fig.7 Recoil force-time curve

2.2 环形弹簧

环形弹簧是由带有配合圆锥面的外环和内环所组成的弹簧。当其承受轴向载荷时，内环受压缩而直径缩小，外环受拉伸而直径扩大，内、外环沿圆锥面相对滑动产生轴向变形而起到弹簧的作用。

环形弹簧工作时，由于摩擦力的作用，卸载时摩擦力阻滞了弹簧变形的恢复，导致其加载和卸载的特性曲线不重合(见图8)。图8中弹簧加载和卸载特性曲线所包围的面积即摩擦力转化为热能所消耗的功，其大小几乎可达加载所作功的60%～70%，因此环形弹簧具有很强的缓冲减震能力，单位体积材料的储能能力也比其他类型的弹簧大。

在同一数学模型下，改变计算参数，对比计算环形弹簧缓冲单发及连发情况下的自动机后坐运动规律。单发情况下的后坐运动规律曲线如图9～图10所示。

连发计算也按射速4800发/min考虑，进行15连计算，其后坐运动规律曲线如图11～图13所示。

计算参数的选择以及最终的计算结果与实弹射击试验测试结果，二者对比结果如表1所示。

图8 环形弹簧力学性能曲线Fig.8 Annular spring mechanics performance curve

图9 后坐位移―时间曲线Fig.9 Recoil displacement-time curve

图10 后坐速度―时间曲线Fig.10 Recoil velocity-time curve

图11 后坐位移―时间曲线Fig.11 Recoil displacement-time curve

图12 后坐速度―时间曲线Fig.12 Recoil velocity-time curve

图13 后坐力―时间曲线Fig.13 Recoil force-time curve

计算参数螺旋矩形弹簧环形弹簧弹簧刚度/kN·mm-14.04.0预压力/kN1624.5后坐部分质量/kg214214测试参数计算结果试验结果计算结果试验结果实测弹簧刚度/kN·mm-13.893.92(平均值)实测预压力/kN15.5624后坐位移max/mm15.61511.510.8后坐速度max/m·s-11.52未测1.2未测后坐力max/kN78.473.9170.567.2

由表1可以看出，理论计算出的后坐位移与试验中由高速摄影仪测得的试验数据吻合较好。试验时，螺旋弹簧的刚度由实验室压力机测试得到，后坐力的大小由刚度与后坐位移的乘积间接得出。环形弹簧在实际加载过程中，其力学性能曲线也是一条斜率不断变大的曲线(可近似看作直线)，本文中环形弹簧的预压力和后坐力均通过已知预压量和后座位移后，通过压力机实际测出。

从后坐速度曲线看，环形弹簧与螺旋矩形弹簧缓冲相比，最大后坐力相当，但后坐速度相对较低，后坐行程也有所减少。因此，在结构尺寸受限的情况下，环形弹簧的反后坐性能大大优于螺旋矩形簧。

3 结 语

利用上述理论模型，分别对2种缓冲簧的反后坐效能进行了计算，得出了自动机在这2种缓冲簧缓冲下，不同的后坐运动规律。经实弹射击试验验证，表明试验结果与理论计算结果吻合较好，由此确认了本文数学模型及研究方法的正确性。

通过连发计算比较，发现这2种缓冲簧在稳定射击过程中，自动机都能够呈现浮动特性，由此可知，这2种缓冲簧均具有较好的反后坐效能，都能满足自动机高射速、低后坐力的要求。但在有后坐位移限制的条件下，选择环形弹簧更优于螺旋矩形弹簧。

[1] 高树滋，陈运生，张月林，等.火炮反后坐装置设计[M].北京:兵器工业出版社,1995.

GAO Shu-zi，CHEN Yun-sheng，ZHANG Yue-lin,et al.Anti-recoil equipment of artillery design[M].Beijing：Weapon Industry Press,1995.

[2] 韩魁英，王梦林，朱素君.火炮自动机设计[M].北京:兵器工业出版社,1995.

HAN Kui-ying,WANG Meng-lin,ZHU Su-jun.Automatic cannon design[M].Beijing：Weapon Industry Press,1995.

[3] 黄永安，马路，刘慧敏.Matlab7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].北京:清华大学出版社,2005.

HUANG Yong-an,MA Lu,LIU Hui-min.Matlab7.0/Simulink6.0 modeling simulation exploiture and engineering application[M].Beijing:Tsinghua University Press,2005.

[4] 金志明，袁亚雄，宋明.现代内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,1992.

JIN Zhi-ming，YUAN Ya-xiong，SONG Ming.Modern interior ballistics[M].Beijing:Beijing University of Science and Technology Press,1992.

[5] 郝秀平，薄玉成,景英萍，等.超高射速自动机缓冲簧装置参数化设计方法[J].火炮发射与控制学报，2009(4):31-33，49.

HAO Xiu-ping，BO Yu-cheng，JING Ying-ping，et al.Buffer device parameter optimization design of super high fire rate automatic mechanism[J].Journal of Gun Launch and Control,2009(4):31-33,49.

[6] 汪立国，王普毅，柳晋伟，等.环形弹簧的一种无量纲参数设计计算方法[J].火炮发射与控制学报，2010(3):48-51.

WANG Li-guo，WANG Pu-yi，LIU Jin-wei，et al.A dimensionless parameter design and calculation method of ring spring[J].Journal of Gun Launch & Control,2010(3):48-51.

[7] 黄君政，戴劲松.三种缓冲装置减小后坐力的分析和比较[J].弹道学报，2006(2):40-43.

HUANG Jun-zheng,DAI Jin-song.Comparison of decreasing recoil force using three buffers[J].Journal of Ballistics,2006(2):40-43.

[8] 王永存，周霁，袁稳新，等.一种降低后坐力的火炮发射方法[J].火炮发射与控制学报，2007(4):10-12.

WANG Yong-cun，ZHOU Ji，YUAN Wen-xin，et al.A launch method of gun recoil force reduction[J].Journal of Gun Launch & Control,2007(4):10-12.

Efficiency analysis about two kinds of counter recoil equipment

LIU Ming-min1，ZHANG Wei-feng2，ZHU Yan-fei1

(1.The 713 Reseach Institute of CSIC，Zhengzhou 450015，China；2.Zhengzhou Aircraft Equipment Company，Zhengzhou 450005，China)

In order to reduce recoil,all kinds of spring were applied to small caliber automatic cannon usually.Firstly, detached recoil movement equation was established through theory analysis.At Matlab simulink condition, counter recoil efficiency was calculated about two kinds of spring which has different mechanics characteristic. The calculation result indicated that the annular spring′s counter recoil efficiency was better than the screw rectangle spring. The result of calculated by theory model is correct which could be validated by ball firing experiment. At the same time, different recoil movement rules was be give about two kinds of spring.

spring;counter recoil;small caliber automatic cannon

2013-04-15；

2013-06-13

刘明敏(1978-)，女，硕士，主要从事自动武器设计工作。

TJ302

A

1672-7649(2014)11-0157-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.032