混合介质缓冲器在转管武器上的应用

周 军，高跃飞，马 浩，王 钊

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

液固混合介质由一类几乎不可压缩液体和许多可压缩的弹性单元混合而成。当外力作用于这种混合介质时，不可压缩液体将压力传递到弹性单元体上，将压力迅速、均匀地传递给弹性单元，使它们同时变形参与能量的吸收，因而能够吸收冲击能量，有着较明显的非线性动力学特性[1-2]。利用该种液固混合介质设计的缓冲器，对于冲击环境有较强的适应性，且有缓冲行程短、承受载荷大的特点。

火炮发射时，膛内的火药气体作用于炮身，产生一个作用时间短、幅值变化大的后坐力。转管武器由于射速较高，连发时会出现后坐力和后坐位移叠加的现象，使后坐运动特性变得复杂。为减小后坐力，转管武器通常安装有缓冲器，常见的缓冲器有环形弹簧缓冲器、气液缓冲器和弹簧-液压缓冲器等。但弹簧缓冲器特性呈线性，耗能较小，缓冲效果差[3]；气液缓冲器存在受环境温度影响较大，且不易密封等诸多问题。将具有非线性特性的混合介质缓冲器应用到转管武器上，能够克服上述缓冲器的缺点，实现在较短后坐行程内吸收大量冲击能量的目的。

将混合介质用于缓冲是由Courtney[4-5]于1986年提出，通过冲击试验研究表明：混合介质和其他缓冲材料、结构相比，具有优良的缓冲性能。针对振动隔离问题，滕汉东等[6]提出了一种新型液固混合介质隔振器方案，分析了混合介质的刚度非线性的机理，并通过扫频激振试验发现该缓冲器中液固混合介质的整体刚度特性呈现为软弹簧非线性特征，能较好应用于隔振缓冲领域。张翠霞等[7]试验研究了在冲击载荷下混合介质缓冲器动力学特性和缓冲效果，结果表明冲击载荷下混合介质混合缓冲器比线性弹簧缓冲器的缓冲效率高，在较大冲量的冲击作用下缓冲器的缓冲效率更高。以上研究表明混合介质缓冲器因为其刚度非线性、承受载荷大的特点，能够较好地应用到舰船、道路车辆、武器平台等诸多重载领域的减振缓冲环境中。

笔者以某23 mm转管炮为例，针对转管武器要求后坐位移短、后坐阻力小的特点，设计了一种新型的液压与混合介质组合的缓冲器，其中混合介质为弹性元件，液压阻尼为阻尼元件。根据混合介质和液压阻尼的载荷特性，建立武器后坐运动模型来分析转管炮在组合缓冲器作用下的后坐运动特性。

1 缓冲器结构及原理

缓冲器由液压阻尼和混合介质串联组成，其中使用航空液压油和橡胶空心小球作为混合介质。以混合介质为弹性元件，吸收储存后坐能量；液压阻尼为阻尼元件，用于消耗武器后坐产生的能量和控制后坐阻力峰值。缓冲器结构如图1所示，主要由空心橡胶小球、液压油、活塞杆、液压活塞、带流液孔的阻尼活塞组成。

当火炮后坐时，混合介质腔中的活塞压缩混合介质液面，混合介质中的压力增大，橡胶球在外部液压油的压力下发生变形，压缩小球内的空气，储存能量；与此同时，液压腔中液体从活塞上的节流孔和流液孔流过，液体产生一定的流动阻尼，消耗大部分后坐能量，并以热量的形式散失掉。后坐结束时，橡胶小球内气体膨胀释放储存的能量，液压油向外挤压活塞推动火炮后坐部分复进。在复进过程，液压腔中的单向阀在弹簧的作用下关闭流液孔，仅节流孔工作，使复进时缓冲器的阻尼与转管武器的射频匹配。

2 转管武器后坐过程动力学模型

2.1 混合介质力学模型

混合介质缓冲器相当于一个类似气液弹簧的结构，工作原理如图2所示。当冲击载荷施加到活塞上时，由于活塞的运动挤压液体，液体将动压力传递到所有橡胶空心小球上，使其发生变形，吸收冲击能量。当活塞上的外激励变小时，小球内气体膨胀，通过液体向外挤活塞，使其向外运动，释放能量。

混合介质的非线性动力学特性由空心橡胶小球提供，其工作变形情况如图3所示。

图3中，R1、R2分别为变形前橡胶球的内、外半径；r1、r2分别为当前工作时橡胶球的内、外半径；Poil0和Poil分别为混合介质的初始压力和当前工作压力；Pair0和Pair为橡胶球初始内压和变形后内压。在载荷计算时，假设如下：

1)忽略混合介质中油液的可压缩性。

2)空心橡胶小球变形时，橡胶球上的质点仅仅沿着径向发生位移，即变形过程中橡胶球始终保持对称性。

已有的研究表明，当使用橡胶空心小球作为混合介质中弹性单元时，活塞上工作载荷为活塞位移的三次函数[6]：

F=(Poil0-Pair0)S+k0x+k1x2+k2x3,

(1)

S为活塞工作面积；n为小球数目；m为气体多变指数；E为小球的弹性模量。

由式(1)可知，混合介质缓冲器具有明显的非线性特征，其特性曲线如图4所示。

F0=(Poil0-Pair0)S+k0h0+k1h02+k2h03.

(2)

当选定预压力F0之后可通过式(2)反解出预压量h0，则考虑预压的混合介质力为

Fs=(Poil0-Pair0)S+k0(x+h0)+

k1(x+h0)2+k2(x+h0)3.

(3)

2.2 转管武器后坐运动微分方程

对于转管武器，通常自动机整体作为后坐部分参与后坐复进运动，其受力关系简化模型如图5所示。

如图5所示，后坐部分的受力有：炮膛合力Fpt，方向沿炮膛轴线向后；后坐部分重力mhg，沿后坐部分的质心垂直向下；摇架对后坐部分的约束反力Fn和导轨与后坐部分的摩擦阻力FT；缓冲器的作用力由混合介质力Fs和液压阻力FΦh组成。为了便于分析，将后坐部分视为一个整体，结合下述假设，可将后坐部分简化成一个单自由度的运动系统。基本假设如下：

1)后坐部分的质心在缓冲器中心轴的延长线上，且于炮膛轴线重合。

2)除橡胶小球和液压油，后坐部分和炮架全部是刚体。

3)忽略弹丸对膛线导转侧的旋转力矩。

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4)液压油不可压缩。

根据受力分析的结果可知，转管武器后坐部分在这些力的共同作用下，产生后坐、复进、前冲以及返回4个运动过程。以炮膛轴线为坐标x，后坐方向为正，应用牛顿第二定律可得后坐部分的运动方程为

(4)

式中：FR为后坐阻力，

(5)

式中：Fv为密封装置的摩擦力；x为后坐位移；v为后坐速度。

液压阻力为

(6)

式中，Rh、Rf分别为后坐、复进时的液压阻力系数。

3 仿真结果及影响因素分析

3.1 仿真计算

根据某23 mm转管炮后坐阻力要求，设计的缓冲器的主要参数如表1所示。

表1 缓冲器参数

根据所设计的缓冲器结构与参数，应用MATLAB软件编写程序对运动方程(4)求解，可得到转管炮在液压-混合介质缓冲器下的运动情况。转管炮在6 000发/min的射频、射角0°时的工况下，前40发后坐位移和后坐阻力曲线如图6所示。

根据后坐阻力和位移曲线，将该计算结果与文献[9]中后坐特征值进行比较，如表2所示。

表2 计算结果比较

由结果可知，最大后坐位移比文献[9]增加了0.6 mm，后坐阻力降低了10.6 kN.显然，使用了混合介质缓冲器后，射速稳定后的后坐阻力变化幅度较小，在后坐阻力曲线下方面积即后坐冲量相同的情况下，后坐阻力峰值降低。这表明混合介质缓冲器能够有效减小后坐阻力，从而减小武器平台振动，有利于提高射击稳定性。

3.2 混合介质参数影响分析

由混合介质的力学模型和转管武器的后坐运动微分方程可知，混合介质参数和液压阻尼系数对缓冲器的性能影响明显。改变混合介质和液压阻尼参数来控制缓冲器的特性，可通过调整橡胶球的数量、弹性模量以及活塞上流液孔来实现。

3.2.1 橡胶球数量的影响

通过在液压油中放置不同数量的橡胶空心小球，研究橡胶小球数量对缓冲性能的影响。选取小球数量n为150、165、180，得到后坐位移和后坐阻力曲线如7所示。

根据不同小球数量对后坐运动影响的计算，特性参数如表3所示。

表3 橡胶球数量对后坐特性的影响

从图7后坐特性曲线和表3中数据可以看出，橡胶球的数量对后坐位移影响较明显，对后坐阻力几乎无影响。随着小球数量的增多，后坐位移变大，这是由于小球数量增多，导致混合介质更易被压缩，其刚度变小。

3.2.2 橡胶球弹性模量的影响

选取材料特性不同的橡胶空心小球，研究橡胶小球材料弹性模量对缓冲性能的影响。选取弹性模量E为2.6、3.8、5.8 MPa，得到后坐位移和后坐阻力曲线如图8所示。

根据不同橡胶小球弹性模量值对后坐运动影响的计算，特性参数如表4所示。

表4 橡胶球弹性模量对后坐特性的影响

从图8后坐特性曲线和表4中数据可以看出，橡胶球弹性模量对后坐位移影响较明显，对后坐阻力影响较小。随着橡胶球弹性模量的增大，后坐位移变小，这是因为弹性模量增大，导致橡胶空心小球更难压缩，整体混合介质表现为刚度变大。

3.2.3 液压阻尼的影响

通过调整阻尼活塞上节流孔的直径及数量，研究不同液压阻尼对缓冲性能的影响情况。调整后的后坐液压阻尼系数Rh为10 567、19 900、32 851 kg/m，得到后坐位移和后坐阻力曲线如图9所示。

根据上面不同后坐液压阻尼对后坐运动影响的计算，特性参数如表5所示。

表5 后坐液压阻尼对后坐特性的影响

从图9后坐特性曲线和表5中数据可以看出，后坐液压阻尼主要影响后坐阻力波动峰值。因此，实际应用时应对液压阻尼优化，以减小后坐阻力的波动峰值。

4 结论

根据混合介质缓冲器的非线性载荷特性，提出了一种用于转管武器新型混合介质缓冲器结构方案，并对其缓冲器载荷和武器后坐部分动力学过程进行了分析，以某23 mm转管炮为例，分析了其在混合介质缓冲器作用下的后坐特性，得到了以下结论：

1)混合介质缓冲器能够满足转管武器发射载荷要求，能够有效地降低后坐力，有利于提高武器的射击稳定性和精度。相比于弹簧与气液缓冲器，刚度易调节、密封简单、维护方便。

2)分析了混合介质参数和液压阻尼系数对缓冲器性能的影响规律。工程应用时可通过增减橡胶球的数量或更换不同弹性模量小球来调节混合介质刚度，可在后坐阻力峰值基本不变的情况下来满足自动供输弹机构对后坐位移的要求。