基于内置拉簧的火炮液压调平支腿设计与应用

王跃进， 杨卫超， 冯保忠， 郭子鹏

(西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099)

引言

随着现代战争对火炮射击精度的要求不断提高，使得火炮对其炮床的水平精度要求也愈来愈高，尤其对于机动性较高的车载火炮平台[1]通常要求具有快速调平功能。传统的平台调平[2]主要有机电调平系统和电液调平系统。由于火炮平台自身重，射击后坐力大，要求调平支腿[3-4]承载大、抗弯能力强，通常采用电液调平系统。电液调平系统通常采用多个液压调平支腿在电气系统的控制下按照一定策略控制各活塞杆伸出或缩回，从而实现火炮平台的快速调平、锁定与撤收。

传统液压调平支腿通常采用双作用油缸[5-8]与座盘组成执行与承载元件，其撤收一般通过液压系统将活塞杆缩回，依靠液压锁实现其到位锁定，完成火炮战行转换。倘若火炮在越野途中液压锁失效， 活塞杆会在自重和冲击的作用下自动滑落，将有导致火炮倾覆的危险。为消除这一危险因素，避免火炮行军途中液压调平支腿的活塞杆意外伸出，设计了基于内置拉簧的火炮液压调平支腿。该液压调平支腿不仅承载大、质量轻，活塞杆行军锁定可靠，而且具有自回杆功能，已成功应用于某中口径车载高炮，取得了良好效果。

1 传统液压调平支腿典型结构

液压调平支腿作为液压调平系统的执行元件，主要由调平油缸和座盘组成，通过活塞杆头部的球头与座盘的球窝连接，以适应不同路面，通常分布于火炮平台四周。调平油缸主要由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖、导向套以及密封组件等组成。活塞杆通常为实心杆件，头部直接设计与座盘球窝连接的球头，其结构简单，制造容易，成本较低，但存在液压锁失效或油缸泄漏而使活塞杆自动滑落的风险，不利于火炮装备的安全性设计。传统液压调平支腿的典型结构如图1所示，采用下安装方式，依靠缸筒外壁的底部轴肩承载，中部螺母与底盘固定，但不便于液压调平支腿的拆装与维修。

1.后端盖 2.活塞 3.活塞杆 4.导向套5.密封组件 6.前端盖 7.座盘图1 传统液压调平支腿典型结构

2 内置拉簧液压调平支腿结构设计

内置拉簧的火炮液压调平支腿从外观看与传统液压调平支腿并无两样，其最大的特点就是通过空心活塞杆在调平支腿中内置1根双锥拉簧，将调平支腿的后端盖与球头弹性连接，其拉簧在活塞杆完全缩回的拉力大于活塞杆与座盘的重力以及活塞杆与油缸之间的摩擦力，依靠簧力直接将活塞杆可靠保持在行军位置，消除了传统液压锁失效(或不可靠)而导致的活塞杆自动滑落的不安全因素，同时可利用簧力将伸出的活塞杆在大腔解锁后自动拉回，具有自回杆功能。同时为了提高液压调平支腿的抓地力，阻止火炮射击时底盘的大范围滑移，提高射击精度与稳定性，将座盘设计成空腔锣形锯齿状炮脚。内置拉簧的火炮液压调平支腿结构如图2所示。

内置拉簧的液压调平支腿主要由调平油缸、 炮脚以及限位套组成， 调平油缸与炮脚采用球面连接。调平油缸主要由缸筒、 活塞杆、拉簧、球头、导向套、前端盖、法兰、后端盖、锁紧螺母、堵盖以及密封组件等组成。其中活塞杆与活塞一体化设计成空心双锥结构的等强度活塞杆，靠近活塞一侧设计限位轴肩，保证活塞杆在全部伸出时仍有足够的支承长度，在抵抗火炮射击强大后坐力(活塞杆受侧向力)的前提下可有效减轻重量；整个活塞杆外表面采用先镀镍再镀硬铬的处理工艺，以提升液压调平支腿在恶劣环境下的防腐蚀性能。

1.后端盖 2.缸筒 3.拉簧 4.活塞杆 5.法兰6.导向套 7.前端盖 8.球头 9.炮脚 10.球头盖11.限位套 12.密封组件 13.锁紧螺母 14.堵盖图2 内置拉簧液压调平支腿结构

缸筒内壁采用镀硬铬处理工艺，可提高其耐磨性与抗压强度，外表面设计成台阶状，在保证强度的前提下可适当减重；缸筒底部设计与火炮底盘配合的止口，采用上大下小的形式，止口上方设计用于支腿轴向定位和承载的轴肩，便于从底盘上方安装。

拉簧为双锥预应力拉簧，两端留有安装拉簧和承受拉力的螺纹座，穿过活塞杆内孔，一端与球头连接，另一端与锁紧螺母连接，其初始簧力大于活塞杆与炮脚的重力以及活塞杆与缸筒之间的摩擦力。

球头与活塞杆采用螺纹连接，径向圆柱面设计O形圈密封沟槽，顶部留有安装拉簧的螺纹孔，球面渗碳处理。后端盖为焊接结构件，与缸筒螺纹连接，O形圈径向密封；锁紧螺母在与拉簧连接后沉入后端盖的台阶孔内，承受簧力，可将活塞杆牢牢锁定在初始位置，并以堵盖密封。堵盖采用嵌入式螺塞结构，下端设计活塞式O形圈径向密封沟槽，应用O形圈与挡圈组合实现静密封；堵盖内部挖孔减重，上端通过外螺纹与后端盖紧固连接，设计压力16 MPa。装配完成后，经耐压与密封试验，未发生渗漏现象。

导向套起密封导向作用，承受火炮射击产生的侧向力。前端盖设计防尘圈与润滑油毡，用于防尘、润滑和固定导向套；整个液压调平支腿采用连接法兰安装于火炮底盘，承受调平后的静载以及火炮射击带来的冲击动载。

炮脚采用钢板冲压成锣形结构，中间焊接球窝，内部设计拉筋，底缘周边设计锯齿，可有效提升火炮抓地力，防止火炮射击过程的大范围滑移，提高射击精度与稳定性。

3 拉簧设计

为使拉簧[9]结构紧凑、重量轻、尺寸小，使其在初始状态下就产生较大拉力，因此，设计采用具有预应力τ0的预应力拉簧。该拉簧具有一段假想的变形量x，即在自由状态下拉簧就具有一定的初拉力p0，当承受拉力时，首先要克服相当于假想变形量x的初拉力p0，弹簧才开始伸长，亦即在同样的拉力下，弹簧实际拉伸变形尺寸较小。

具体设计时，初始拉力p0可根据活塞杆、球头和炮脚的重量以及活塞杆所受的摩擦力计算得到，最大变形量l即液压调平支腿的行程，最大工作负载pn通常给定，通过上述参数可求出假想变形量x以及弹簧刚度p′。

(1)

(2)

(3)

参数按照常规弹簧加工方法制成往往预应力太小，为了在不改变拉簧结构尺寸的前提下提高预应力，要求拉簧空载状态下各圈应相互并紧，这可通过制造工艺加以改善。在拉簧卷绕过程中，同时使簧丝绕其本身的轴线产生一定扭转，这样制成的弹簧，各圈相互之间具有一定的压紧力，簧丝中将产生较大的预应力。通过工程试验表明，簧丝扭转角度太小，预应力提高有限，扭转角度过大，预应力虽提高明显，但影响拉簧寿命。因此，如何确定簧丝的扭转角将成为预应力弹簧制造的关键，在某内置拉簧的火炮液压调平支腿的拉簧设计制造中，通过反复试验，得到簧丝扭转角在10°～12°范围内，既可增加预应力又不影响拉簧寿命，热处理后硬度应达到HRC47～52。

为实现预应力拉簧在承受拉力时不削弱传统钩式拉簧钩环处的强度，拉簧两端设计成圆锥闭合形，在拉簧的卷绕过程中直接将芯部锥形结构体绕于其中。两端锥形结构体外螺纹分别用于球头和锁紧螺母的连接，内螺纹为工艺螺纹孔，在安装拉簧时，可借助螺杆将其拉出，方便操作固定。拉簧连接结构如图3所示。

图3 拉簧连接结构图

4 工作原理

内置拉簧的火炮液压调平支腿在行军状态下，活塞的上端面与后端盖之间留有1～2 mm间隙，此时拉簧已经产生一定的预拉力，将炮脚的球窝端面与限位套紧紧贴合，该预拉力大于活塞杆与炮脚的重力以及活塞杆所受的摩擦力，将活塞杆与炮脚牢牢锁定在行军位置。调平时，液压系统油液进入调平油缸的大腔产生推力，克服簧力，活塞杆伸出，调平结束后，各调平支腿由液压锁锁定，拉簧始终处于拉伸状态。撤收时，既可控制液压系统通过小腔进油、大腔回油的模式进行战行转换。若采用零泄漏二位二通电磁截止阀锁定大腔，亦可通过控制电磁截止阀打开实现大腔回油，依靠簧力将活塞杆与炮脚直接拉回至行军位置并锁定，拉簧恢复至初始行军状态，实现自回杆功能。

考虑到调平过程拉簧的阻力作用，对某火炮液压调平支腿中的簧力进行了计算，其最大拉力为6500 N，对应170 mm的缸径，负载压力约0.3 MPa。在设定系统压力时需增加拉簧负载，并为其专门留有0.1～0.2 MPa的压力裕量。通过试验台平滑性试验后，测得其空载启动压力约0.14 MPa，空载最大行程压力约0.36 MPa，与设计相吻合。

5 调平支腿刚强度分析

调平支腿在结构设计前，首先应确定其缸径、杆径和行程等主要参数，对于不受侧向力的调平支腿可按照手册给出的公式进行强度计算与校核，然后进行详细结构设计。但对于承受较大侧向力的火炮调平支腿，除进行常规的静载计算外，还应在调平支腿极限工作条件下进行必要的瞬态动载分析计算。因此，在完成调平支腿结构设计后，利用ANSYS[10-12]仿真平台，对某车载高炮在射角为0°条件下的调平支腿进行了刚强度分析计算。

计算中调平支腿采用双线性钢材料，材料参数分别如表1所示。

表1 材料参数

以安装调平支腿的车架为计算对象。计算时对模型进行了简化，将车架及以上部分简化为连续体，上装部分简化为质点，其质量及质心按照全炮总重及总质心配置。油缸之间按接触处理，摩擦系数取0.15；炮脚与地面摩擦系数取0.75。调平支腿上中下3个平面进行高低的自由度耦合处理，模拟内部液体不可压缩，不考虑油缸侧壁所受的液体压力。模型采用具有二次形函数的高阶四面体单元，采用N-kg-mm-s单位制。后坐力按空间位置施加于座圈上，其载荷及约束如图4所示，网格划分如图5所示。

图4 载荷及约束

图5 网格划分

分别计算方位0°, 30°, 90°, 145°在射角为0°条件下液压调平支腿的变形及应力。图6为方位90°、高低0°射角下全局合变形及调平油缸活塞杆的合变形与应力云图。

图6 合变形与应力云图

表2 射击载荷下调平油缸刚强度计算结果

通过分析计算，某火炮基于内置拉簧的液压调平支腿，活塞杆受力最大，调平支腿的最大合变形与最大等效应力出现在方位90°、高低0°射角条件下，即火炮横向平角射击时工况最恶劣，其活塞杆最大合变形为1.20 mm，最大等效应力为125.2 MPa，强度与变形满足设计要求。

6 结论

通过在空心活塞杆内置拉簧产生拉力实现活塞杆到位锁定技术，消除了传统调平支腿在行军时因液压锁失效而导致活塞杆自动滑落的不安全因素，可替代液压锁实现活塞杆可靠锁定，并带自回杆功能。具有承载大、抗弯能力强、结构简单紧凑、重量轻、活塞杆到位锁定可靠等特点；炮脚采用空腔锣形结构，底缘周边加工锯齿，在满足强度的条件下减轻了重量，提高了液压调平支腿的抓地力，可有效提高火炮射击稳定性和射击精度；该液压调平支腿整体采用上安装方式，解决了传统液压调平支腿下安装空间受限而需要地沟的实际问题。经过试验考核，内置拉簧的液压调平支腿能确保活塞杆锁定可靠，无渗漏现象发生。