弹丸高速挤进弹带模拟试验装置的设计

□ 刘宇鹏

中国人民解放军第6410工厂 河北井陉 050307

1 设计背景

弹丸高速挤进弹带模拟试验装置是一种由液压驱动、弹簧蓄能的机电试验装置［1］，可以有效模拟弹丸挤进弹带的动态过程。笔者设计这一试验装置，进而对弹丸高速挤进弹带的挤进动力、阻力和挤进变形进行试验研究［2］，为弹带高速挤进弹带过程的理论模型和数值仿真验证及完善提供参考依据，具有一定的学术价值和工程现实意义［3］。

2 设计要求

根据试验目的对试验装置的要求，确定弹丸高速挤进弹带模拟试验装置的设计要求如下：①满足100 mm线膛炮弹丸动态挤进弹带试验；②满足弹丸挤进弹带过程的要求；③应能监测弹丸底部所受的压力、身管变形与应力，以及弹丸获得的速度［4］；④ 弹丸应能够回收；⑤保证整个试验过程安全可靠；⑥ 试验装置具备可维修性。

3 装置结构

根据设计要求，确定试验装置结构如图1所示。试验时主液压缸的活塞杆先与撞击块连接，由副液压缸的活塞杆拉动弹簧调节板调整到撞击初始位置，然后主液压缸的活塞杆拉动撞击块压缩蓄能弹簧。弹簧压缩到位后，通过脱钩器释放撞击块，撞击块以一定速度撞击滑块，滑块带动撞杆推动弹丸完成试验。

▲图1 弹丸高速挤进弹带模拟试验装置结构

在弹丸高速挤进弹带模拟试验时，位于撞杆及身管的应变片可以测量弹丸挤进弹带过程中所受的撞击力［5］。试验装置能够测定挤进力、弹丸速度与时间的对应关系，由此可以计算出挤进阻力、弹丸速度与时间的对应关系［6-7］。

4 参数计算

4.1 等效质量

在不考虑蓄能弹簧振动的情况下，可以认为弹簧运动速度vx在弹簧长度方向变形量x是按线性规律变化的，如图2所示，有：

▲图2 蓄能弹簧速度变化示意图

式中：L1为蓄能弹簧装配长度；v1为撞击块运动速度。

假设蓄能弹簧的质量是均匀分布的，则单位长度的质量为：

式中：mt为弹簧质量。

于是，单位长度弹簧的动能为：

式中：T为弹簧动能。

设弹簧具有集中质量的点位于撞击块上，其速度与撞击块速度相同，则单位等效质量的动能为：

式中：T′为弹簧在撞击块上的等效动能；mtz为弹簧在撞击块上的等效质量。

根据能量等效原则，有：

于是有：

整理后积分得：

因此，在建立模型时，考虑蓄能弹簧各圈的质量，只需将1/3弹簧质量加到撞击块上［8］，即有：

式中：mz为撞击块质量。

4.2 碰撞前动力

蓄能弹簧被压缩后释放，在撞击块与滑块撞击前对撞击块进行受力分析，如图3所示。

▲图3 撞击前撞击块受力分析

取弹簧原长时的位置为坐标原点，撞击块的运动微分方程式为：

式中：f1为摩擦力；k1为弹簧的弹性系数；μ为摩擦因数；g为重力加速度。

在t0时刻，撞击块处于压缩量的最大位置x10，速度为0，根据初值条件求解微分方程，可得撞击块在撞击前位移随时间变化的函数为：

对式（11）求导，可得撞击块速度随时间变化的函数为：

同时，根据能量守恒定律可得：

以上各式确定了撞击块碰撞之前的运动状态。设碰撞发生位置为x20，可求得碰撞开始时撞击块瞬时速度v1为：

4.3 碰撞时动力

撞击块与滑块碰撞时的类型为刚体弹性正碰撞,且为瞬时碰撞，在很短的碰撞时间内，加速度和碰撞力都很大，其位形的改变可忽略不计。撞击时撞击块受力分析如图4所示。

▲图4 撞击时撞击块受力分析

v1′为碰撞后撞击块速度，v2′为滑块速度，m2为滑块质量，m3为撞杆质量，已知钢对钢的恢复因数e为0.56,根据动量守恒定律，可得：

由恢复因数定义,可得：

联立式（15）、式（16）,可得：

4.4 碰撞后动力

因为碰撞时间短,且碰撞后撞击块mz和滑块m2分离,所以可简化模型为受到碰撞力激励的两自由度受迫振动系统，如图 5所示。基于图5再通过软件建模分析，可以得出振动参数， 其中 f2、f3为摩擦力，k2为弹簧弹性系数，x20、x30为弹簧变形量。

▲图5 碰撞后动力分析

4.5 主要部件参数

通过上述公式，选取最佳方案，确定试验装置中蓄能弹簧、撞击块、滑块等主要部件的参数［9］。蓄能弹簧参数见表1。

表1 蓄能弹簧参数

撞击块质量为200 kg，滑块质量为27.8 kg，撞杆质量为43.66 kg，蓄能弹簧采用两根串联为一组、六组并联的结构。取弹簧原长为坐标原点,经计算得到撞击后撞击块和滑块的速度,见表2。

表2 撞击后撞击块和滑块速度

5 装置设计

5.1 机械结构

弹丸高速挤进弹带模拟试验装置机械结构由主液压缸、导柱、弹簧调节板、电动绞盘、副液压缸、蓄能弹簧、脱钩器、撞击块、滑块、环形弹簧［10］、撞杆、截短的身管总成、弹丸、支架等组成，如图6所示。

试验装置采用液压作为动力，试验时通过主液压缸拉动撞击块蓄能弹簧，两个副液压缸调整撞击位置，脱钩器通过电动绞盘拉动释放撞击块，之后，撞击块以高速撞击滑块。

5.2 液压系统

▲图6 弹丸高速挤进弹带模拟试验装置机械结构

在试验装置液压系统设计中，通过选取多种合适的液压回路，确保液压系统的性能可靠，如图7所示。这一液压系统的特点如下：①采用桥式同步回路实现两个副液压缸的同步动作；②采用闭锁回路锁定液压缸，保证试验中蓄能弹簧压缩尺寸稳定，提高试验参数的准确性；③通过换向阀，实现液压系统无载荷启动，提高系统的运转性能；④选用合适的液压元器件，保证液压系统的性能。

▲图7 试验装置液压系统

5.3 测控部分

试验时，各项数据可通过安装在撞杆及身管上的应变片检测计算得到，并通过高速摄像和计算得到撞击时各运动体的速度。

6 结束语

弹丸高速挤进弹带模拟试验装置通过高速碰撞，模拟火炮射击时弹丸的受力状况，通过拍照摄像和压力检测数据来分析弹丸的变形和运动状态，可以较好地作为火炮教学和研究试验装置使用。