火炮修后水弹试验后坐复进运动分析计算

傅建平，张泽峰，余家武,李　雷

(1.军械工程学院 火炮工程系，石家庄　050003; 2.驻国营157厂军代室，成都　610000)



火炮修后水弹试验后坐复进运动分析计算

傅建平1，张泽峰1，余家武2,李雷2

(1.军械工程学院 火炮工程系，石家庄050003; 2.驻国营157厂军代室，成都610000)

摘要：目前火炮大修后虽广泛采用水弹试验来检验火炮修理品质，但对火炮水弹试验理论研究很少；针对这一现状，对考核修后火炮品质的火炮后坐复进运动规律进行了分析研究；基于水弹试验原理与工程实践，建立了火炮水弹试验后坐复进运动计算模型，并以某炮为例进行了仿真计算，计算结果与测试结果基本相符，表明所建立模型的正确性和计算结果的可行性。

关键词：火炮；水弹试验；后坐；复进

火炮大修后，需进行水弹试验，以确定火炮的技术状态和综合考核火炮修理质量[1]。火炮水弹试验要求火炮在规定的后坐距离范围内停止，并平稳复进到位。后坐距离是表征火炮后坐过长与后坐过短两个后坐故障的特征参量；火炮复进到位速度是表征火炮复进过猛和复进不足两个复进故障的特征参量。因此，火炮水弹试验后坐与复进运动规律是考核水弹试验成功与否的最重要指标，也是火炮水弹试验评估与故障诊断的重要依据之一。但以往主要通过装水质量的配重，通过反复试验，直到后坐距离满足要求[2]。该试验方法应该具有安全性、通用性，水弹试验过程中曾发生过火炮身管胀膛现象[3]。水弹试验理论和实践相辅相成，互相促进。因此，迫切需要进行火炮水弹试验后坐复进运动规律研究，从理论上阐明火炮水弹试验原理。本文应用火炮射击动力学理论，建立新型火炮水弹试验火炮后坐复进运动通用计算模型，并计算水弹与实弹射击的后坐位移和后坐速度，阐述火炮水弹试验的后坐复进运动规律；同时也为火炮水弹试验评估与故障诊断提供理论依据。

1后坐复进运动计算模型

1.1后坐运动计算模型

如图1所示，取火炮后坐部分为研究对象。火炮水弹发射时，主动力有炮膛合力fpt和后坐部分重力MHG，约束力为后坐阻力，包括制退机液压阻力fφh、复进机力ff、反后坐装置的摩擦力f，以及摇架法向力fN和摩擦力fT[4]。

图1　后坐时后坐部分受力分析

为建模方便，对火炮受力和运动状态作如下假设：火炮和地面为绝对刚体；火炮置于坚硬水平地面，方向为0°，忽略弹丸回转力矩的影响，并认为所有的力作用在射面内；射击时全炮处于平衡状态。

将后坐部分看成是一个质心，根据质点的达郎贝尔原理，沿炮膛轴线方向的平衡方程为

(1)

式(1)中x为后坐行程；α为火炮射角。令火炮后坐阻力为

(2)

由此可得到火炮后坐运动数学模型：

(3)

式(3)中V为后坐速度，解方程组便可得火炮后坐位移、速度与后坐时间等参量。

炮膛合力按以下公式计算[5]：

(4)

(5)

式(4)、式(5)中ω为装药量，M为弹丸质量，A为炮膛截面积，P为膛内压力，φ、φ1为火药次要功系数，B为反映炮膛合力衰减快慢的时间常数,其中TG为弹丸膛内运动时间，τ为火药气体后效期作用时间。

制退机内液压阻力fφh主要包括主流与支流流动过程中产生的液压阻力fφh1和fφh2两部分。

(6)

(7)

(8)

式(7)、式(8)中，k1、k2为主流、支流液压阻力系数，ρ为制退液密度，A0、AP分别为制退杆活塞工作面积与节制环面积，Ax为主流漏口折合面积，Afj、ω0为制退杆内腔工作面积与支流最小漏液口面积。复进机力为

(9)

式(9)中Af为复进杆活塞面积，Pf0为复进机内气体初压，W0为复进机内气体初始容积，k为气体绝热系数。

1.2复进运动计算模型

火炮后坐结束后，后坐部分在复进机力ff的作用下，平稳、无冲击地将火炮后坐部分复进到位。同样取复进时的后坐部分为受力体，进行受力和运动分析，如图2所示。

图2　复进时后坐部分受力分析

由受力分析可得火炮复进运动模型为

(10)

式(10)中U为复进速度，ξ为复进行程，fφfy为复进液压阻力。

复时时，复进机力为主动力，设λ为复进总行程，复进机力大小为

(11)

复进液压阻力fφfy包括制退机后坐制动器液压阻力fφf、复进节制器液压阻力fφfj、复进节制活瓣液压阻力fφkf三部分。

(12)

(13)

(14)

(15)

式(13)、式(14)、式(15)中 k1f、k2f与k3f分别为后坐制动器、复进节制器和复进节制活瓣的液体阻力系数；Aof为复进时制退杆活塞工作面积，Ax为节制环与节制杆的环形间隙，AC为制退杆纵向沟槽间隙，Afj为复进节制器活塞面积，Af为复进节制器漏口面积，Ak为复进机活瓣的小孔面积。

2计算结果分析

火炮后坐、复进运动计算模型是一阶常微分方程组。计算机编程计算时，通常采用龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解。

以某榴弹炮水弹试验为例，根据该炮反后坐装置的结构尺寸，以及装水质量方案，应用Matlab计算软件编程计算[6]，火炮实弹与水弹试验时后坐与复进位移曲线、后坐与复进速度曲线分别如图3、图4所示。

图3　火炮实弹与水弹射击后坐与复进位移

由图3可知，发射后在炮膛合力作用下，火炮部分迅速后坐，很快达到最大后坐速度；在后坐阻力的作用下，火炮作减速后坐，直到在一定距离上停止下来；随后火炮作复进运动，直到恢复原位。

水弹射击与实弹射击后坐位移曲线相似，基本吻合，水弹最大后坐位移略小于实弹后坐位移，水弹后坐复进总时间略大于实弹射击的后坐复进总时间。

由图4可知，水弹射击与实弹射击后坐速度曲线形状相似，基本吻合。由于水弹射击时的最大膛压略低于实弹射击时的最大膛压，因而其最大后坐速度略小于实弹射击时的最大后坐速度；由于两者的后坐距离相当，复进速度也相当，故后坐复进时间略长于实弹射击。

3火炮水弹试验后坐复进运动参数测试

火炮水弹试验，采用与实弹发射相同的全装药，产生与实弹射击相近的火炮后坐、复进、开闩与抽筒等动作。火炮水弹试验除了定性观察机构动作的正确性外，还要定量检测以下后坐与复进参数：

1)火炮后坐距离。一般人工判读火炮后坐标尺读数，记录火炮后坐距离。

2)火炮后坐复进总时间。一般通过秒表记录，当火炮后坐与复进运动异常时，如火炮复进不足或复进不到位时，则该时间超差。

笔者参加了修理工厂对某炮大修后的水弹试验活动，水弹试验测试结果见表1。将计算结果与该炮修后水弹试验结果比较，火炮修后水弹试验后坐距离基本吻合；由于采用秒表记录火炮后坐与复进运动的总时间，测试误差较大。

表1　火炮水弹试验计算与测试结果

4结束语

本文结合多年火炮修后水弹试验原理与工程实践，建立了火炮水弹试验后坐复进运动计算模型，并以某新型火炮为例，得到该炮水弹试验后坐与复进位移与速度曲线，阐述了火炮水弹试验后坐与复进运动规律。火炮水弹试验后坐复进运动计算结果与测试结果基本一致，与实弹射击计算结果也相吻合，表明：本文所建立的计算模型是正确的，结果是可信的；采用火炮修后水弹试验方式来确定火炮技术状态及综合考核修理品质这一方法与手段是可行的；火炮水弹试验后坐复进运动规律与装水质量密切相关，可在规定后坐距离内，通过装水质量的优化探索到最佳装水质量方案，这是今后研究方向。

本文研究成果已成功应用于某新型火炮修后水弹试验的仿真计算，为新型火炮水弹试验提供理论指导，也可为火炮水弹试验评估与故障诊断提供理论依据。

参考文献：

[1]张培林，李国章，傅建平.自行火炮火力系统[M].北京：兵器工业出版社,2012：177-178.

[2]刁中凯.火炮水弹射击方案探讨[J].军械维修工程研究，2001(1)：63-65.

[3]邹名高.试论水弹胀膛的机理[J].四川兵工学报，1982(2)：34-36.

[4]张相炎,郑建国,杨军荣.火炮设计理论[M].北京:北京理工大学出版社,2005：11-85.

[5]傅建平，吕世乐，郑立评，张丽花.火炮水弹试射内弹道学分析计算[J].军械工程学院学报，2014，26(2)：21-24.

[6]张德丰.MATLAB实用数值分析[M].北京：清华大学出版社,2012：168-198

(责任编辑周江川)

本文引用格式：傅建平，张泽峰，余家武，等.火炮修后水弹试验后坐复进运动分析计算[J].兵器装备工程学报，2016(5):18-20.

Citation format:FU Jian-ping,ZHANG Ze-feng,YU Jia-wu,et al.Gun Recoil and Counter Recoil Calculation of Liquid-Projectile Test After Repaired[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):18-20.

Gun Recoil and Counter Recoil Calculation of Liquid-Projectile Test After Repaired

FU Jian-ping1,ZHANG Ze-feng1,YU Jia-wu2,LI Lei2

(1.Department of Artillery Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China; 2.No.157 State-Owned Factory Presentation Room,Chengdu 610000,China)

Abstract:Although the liquid-projectile test is widely used to test the quality of the gun after repaired,the research on the theory of the liquid-projectile test is less.In view of the present situation,gun recoil and counter recoil movement were analyzed in order to check up the gun quality after repaired.The gun recoil and counter recoil movement model of water-projectile test was established based on the principle of liquid-projectile test and its engineering practice.The simulation calculation was carried out as a gun example.And the calculation results are almost consistent with test results.It shows the model is correct and the results are convincing.

Key words:gun; liquid projectile test; recoil; counter recoil

doi:【装备理论与装备技术】10.11809/scbgxb2016.05.005

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-25

基金项目：军队重点科研研究

作者简介：傅建平(1966—)，男，副教授，主要从事火炮技术保障研究。

中图分类号：TJ307

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0018-04