炮闩抽壳机构抽壳过程和抽壳力分析

倪路瑶,朱永梅*, 付彩越

(1.江苏科技大学 机械工程学院, 镇江 212003) (2.中国船舶重工集团公司 第713研究所, 郑州 450015)

抽壳系统是炮闩机构的一部分,它主要用于抽出药筒,性能的好坏直接影响到抽壳过程以及后续炮弹的进膛能否顺畅进行．但是在对某中口径舰炮进行的物理样机试验过程中,却发现火药击发后的抽壳动作无法顺利完成,达不到设计要求．因此,舰炮抽壳系统中抽壳过程分析和抽壳力计算,对于整个舰炮的设计意义重大．

文献[1]中利用Pro/Engineer和ADAMS建立了某火炮炮闩系统的虚拟样机,仿真发现接触力在碰撞过程中的变化并不平滑,而且还可能出现碰撞后短期脱离,然后再次碰撞的现象．文献[2]中以某中口径舰炮的抽壳系统为研究对象,对抽壳力的数值进行仿真模拟,并通过规划试验验证了仿真模拟的合理性和正确性,但没有对结构做动力学仿真分析．文献[3]中对抽壳机构进行动力学仿真,得到了抽壳力随时间的变化曲线,但没有通过理论计算或试验对计算结果进行验证．

文中以某舰炮为研究对象,通过材料拉伸试验和理论计算,求出抽壳动作时的抽壳阻力,利用ADAMS软件,建立炮闩抽壳系统的刚柔耦合虚拟样机,分析计算抽壳力的大小,并通过试验验证其正确性．

1 抽壳过程分析

抽壳机构主要由抽筒子、摇臂、抽壳模板、炮膛及药筒组成,抽筒子与摇臂通过轴安装在炮尾上,抽壳模板固定在炮架上．抽筒子上端与药筒底缘接触,下端与摇臂上端接触,摇臂下端与抽壳模板接触,如图1．

图1 炮闩抽壳机构模型

炮闩复进时,抽壳机构的摇臂与抽壳模板发生碰撞,摇臂在抽壳模板的作用下逆时针旋转,摇臂的上端与抽筒子的下端发生碰撞,抽筒子顺时针旋转[4]．抽筒子上端与药筒底缘相接触,药筒在抽筒子的作用下从炮膛内抽出,并以一定的速度向后运动,进入排壳装置．

火炮发射后,药筒壁先进行弹塑性变形,与炮膛贴合后协同变形,然后,随着膛压增大,药筒继续产生塑性变形,而炮膛发生弹性变形,直到膛压达到最大值;膛压下降过程中,药筒和炮膛会弹性恢复,直至膛压消失．由于药筒和炮膛材料的弹性模量、初始间隙不同,药筒和炮膛之间最终可能出现间隙,也可能出现过盈．若出现间隙,则药筒可以很容易被抽出来;若产生过盈,药筒和炮膛间将存在径向压力,抽出药筒需要克服药筒与炮膛之间的轴向摩擦阻力．

2 药筒和炮膛材料试验研究

药筒在膛压作用下发生拉伸变形,试验试样参照金属材料拉伸试验标准制备,材料为S20钢,标准的R4比例试样,直径d为10 mm,长度L为50 mm,如图2(a)；炮膛拉伸试样的材料是PCrNi3MoA,试样直径d为12 mm,标距为60 mm,如图2(b)；由于材料的硬度较大,为了防止试验时夹具与试样发生滑动,选用端部螺纹型试样,并制作材料为45钢的端部连接套,试验仪器为艾力公司生产的电子万能材料试验机,如图2(c).在室温下,以2 N/(mm2·s)的速度加载,变形位移通过引伸计来测量．

图2 拉伸试验设备

图3为S20钢的应力与变形曲线,初始阶段为弹性变形阶段,位移达到0.12 mm时，开始发生塑性变形,位移达到2.967 mm时,试样被拉断．图4为炮钢PCrNi3MoA的应力与变形曲线,由于材料硬度较大,出现连续屈服的现象．试验结果如表1．

图3 S20钢应力与变形曲线

图4 PCrNi3MoA应力与变形曲线

表1 材料参数

3 抽壳力理论计算

将药筒看作薄壁圆筒,炮膛视为开口厚壁圆筒,由于药筒封口端被闩体挡住,轴向位移很小,则药筒和炮膛的几何形状、载荷、支撑沿轴向没有变化,所以可将炮膛和药筒视为轴对称问题[5]．文中以某中型火炮为研究对象,结合舰炮发射过程的3个阶段来对药筒和炮膛进行受力分析,几何参数如表2.

表2 几何参数

3.1 药筒贴膛前

在开始阶段,药筒所受的膛压较小,药筒只发生弹性变形,根据薄壁圆筒理论,膛压p、药筒径向变形Δr、内半径r、壁厚δ、切向应力σt、药筒弹性模量E的关系如下:

(1)

(2)

随着膛压p从0逐渐增大,药筒的切向应力达到药筒的弹性极限,则pe=9.88 MPa,Δre=0.13 mm.

已知初始间隙Δ0为0.29 mm,则Δre<Δ0,药筒贴膛前会发生塑性变形．

药筒瞬时切应力σt为:

σt=σe+Aε

(3)

式中：A为材料强化系数,对于炮钢,A=100 GPa[6]；ε为瞬时塑性应变．

贴膛时,药筒外表面与炮膛内表面之间的间隙消失．此时,膛压p0为:

(4)

计算得出,p0=15.44 MPa;药筒贴膛前,药筒与炮膛间不存在径向压力,即p1=0．

3.2 贴膛至最大膛压

药筒与炮膛贴合后,药筒与炮膛协同变形,并在药筒与炮膛之间产生压力p1，炮膛在径向压力p1作用下产生弹性变形.根据厚壁圆筒理论,炮膛内表面切向应变和径向变形分别为:

(5)

Δr1=r1Bp1

(6)

式中：r1、r2分别为炮膛的内外半径；E1为炮膛的弹性模量．此时,药筒在膛压p和径向压力p1作用下,药筒壁内产生的应变εt和径向变形Δr分别为:

(7)

Δr=rεt

(8)

式中,σe1、εe1分别为炮膛的弹性极限和相应的弹性应变．

药筒和炮膛之间的最大径向压力为:

(9)

此时,炮膛内表面最大径向变形为：

Δr1m=r1Bp1m

(10)

考虑到药筒与炮膛协同变形,则药筒最大径向变形为:

Δrm=Δ0+Δr1m

(11)

取最大膛压pm=400 MPa,计算得出p1m=367.98 MPa,εt1m=3.03×10-3;Δr1m=0.429 mm;Δrm=0.719 mm,σtm=303 MPa．

3.3 膛压下降阶段

(12)

计算得出p1=7.444 MPa,带入式(5)得εt1=6.13×10-5,带入式(8)得Δr1=0.004 34 mm．

计算结果根据4个时间点分别列出(表3).药筒发射过程中,药筒和炮膛单独承受的压力与径向变形的关系曲线如图5．图中,曲线oabcf为药筒的变形曲线,曲线def为炮膛的变形曲线．

表3 压力和位移计算结果

图5 药筒与炮膛的压力与径向变形关系

3.4 抽壳力的计算与影响因素分析

设膛底火药燃气推力为Ft,药筒与炮膛之间的轴向摩擦力为Fmz,抽壳力Fch的计算公式[7]为:

Fch=Fmz-Ft

(13)

当膛压消失时,药筒与炮膛之间最终出现过盈,药筒被炮膛压缩,处于压缩应力状态．

Fch=πflEεt1(d1-d)=2πflδEεt1

(14)

式中：药筒的工作长度l=200 mm；药筒与炮膛之间的摩擦系数f=0.75.则Fch=20.354 kN.

根据抽壳力的计算公式可直接看出,在其他参数不变的条件下,抽壳力与摩擦系数f、药筒工作长度l分别成正比,即摩擦力越大,工作长度越大,抽壳力就会越大．下面讨论初始间隙Δ0、最大膛压Pm、药筒壁厚δ对抽壳力的影响．

取初始间隙为0.29 mm,药筒壁厚为1.71 mm,分析最大膛压分别为460、400、340、280、220、160 MPa的抽壳力,抽壳力与最大膛压的关系如图6．图中，随着最大膛压的增大,抽壳力会逐渐增加,这是由于膛压增大导致药筒的塑性变形增大,使膛压消失后药筒和炮膛之间的径向压力增大．图7为初始间隙分别为0.39、0.34、0.29、0.24、0.19、0.14 mm的抽壳力,此时选用的最大膛压为400 MPa,壁厚为1.71 mm．数据显示随着初始间隙增大,抽壳力会有所降低,这是由于初始间隙增大后,引起药筒自由塑性变形增加,药筒与炮膛协同变形后的最大径向压力减小,膛压消失后的径向压力也随之减小．

图6 最大膛压与抽壳力的关系

图7 初始间隙与抽壳力的关系

图8为药筒壁厚分别为3.71、3.21、2.71、2.21、1.71、1.21 mm的抽壳力,此时选用的最大膛压为400 MPa,初始间隙为0.29 mm,图中，随着药筒壁厚的增加,抽壳力也随之增大．这是由于药筒壁厚增大,使药筒与炮膛的相对紧缩量增大,抽壳时需要克服的阻力也随之增大．

图8 药筒壁厚与抽壳力的关系

4 抽壳力有限元分析

利用ADAMS软件建立炮闩抽壳机构的刚柔混合虚拟样机,如图9．抽筒子、抽壳模板、摇臂为柔性体,其他元件为刚性体,炮身复进速度为3 m/s．设置抽壳模板与底座间之间为固定副,抽筒子轴、摇臂轴分别与地面为固定副,摇臂与摇臂轴间为转动副,抽筒子与抽筒子轴间为转动副,药筒与炮膛间为移动副,炮膛与地面间为固定副,底座与地面间为移动副．在抽壳模板与摇臂、摇臂与摇臂轴、摇臂与抽筒子、抽筒子与抽筒子轴、抽筒子与药筒、药筒与炮膛之间设置接触[8]．

图9 刚柔耦合模型

由于ADAMS无法模拟出弹药爆炸的效果,文中通过计算4个抽壳阻力点,运用spline样条拟合函数,近似拟合出抽壳阻力曲线,再利用AKISPL函数添加一个单向力加载到模型中,将此数据单元作为函数的引用曲线,得出抽壳阻力的近似曲线,如图10．

图10 抽壳力曲线

由抽壳力曲线可以看出,在14 ms之后,抽壳力迅速增加,最大值达到22.346 kN,在16 ms之后迅速下降到2.75 kN左右,再缓慢下降至抽壳动作结束．

5 试验验证

为模拟炮闩实际工况,在试验样机发射试验的基础上,试验设备去掉抽筒子,装上一个带压力表的抽出装置,试验原理如图11．抽出装置一端与药筒固定,另一端发力丝杠的螺母和底座连接并固定．通过给抽出装置一个固定速度,来模拟抽出药筒的动作,在抽出过程中,可以通过压力表准确测量抽壳力大小．

图11 试验原理图

经过测试试验,得到抽壳力曲线,如图 12．测试的抽壳力最大值为 20.83 kN,与理论计算结果偏差误差仅为2.34%,则试验测试原理是合理的,将仿真所得数据和试验数据比较，可以看出仿真值比试验结果高7.28%．

图12 抽壳力曲线

6 结论

(1) 通过材料力学和工程弹塑性力学等相关知识对抽壳过程分阶段进行分析,发现炮弹发射后,药筒在膛压作用下,发生弹性变形和塑性变形,贴膛后与炮膛发生协同变形,在膛压消失后,炮膛的弹性恢复使药筒反向受压；

(2) 将药筒抽出需要克服药筒和炮膛之间的径向力产生的摩擦阻力,该抽壳阻力与摩擦系数和工作长度成正比,分析结果表明,抽壳阻力与最大膛压近似成线性正相关,与初始间隙在一定范围内为负相关关系,与药筒壁厚之间成正相关；

(3) 通过在ADAMS中建立抽壳机构刚柔耦合虚拟样机,对炮闩机构进行动力学仿真,拟合出抽壳力曲线,并规划药筒抽出装置试验,验证其分析方法可行．

文中存在一些不足之处,在抽壳力计算部分,对药筒和炮膛作出了一些假设,对模型进行了简化,这些会影响到抽壳力的计算精度．

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