高平机特性仿真分析与验证

赵 凡，李宜丁，房世义

(山西北方机械制造有限责任公司，山西 太原 030009)

0 引言

车载榴弹炮为了避免后坐时后坐部分与地面或车体碰撞，将后坐部分相对耳轴向前布置，起落部分重心位于耳轴前，于是产生了一个使炮口向下的重力矩。平衡机的作用是提供一个相对于耳轴的平衡力矩来克服火炮起落部分的重力矩，保证高低机操作时打高轻便、打低平稳[1-3]。高平机兼具高低机和平衡机的双重作用，本文建立全炮动力学模型，得到高平机在不同射角下的受力特性，通过计算和测试结果分析高平机的性能。

1 高平机结构原理

采用液体气压式高平机，在MATLAB中建立了以整个射角范围内的最大不平衡力矩为目标函数的数学模型，利用MATLAB优化工具箱对初始设计方案进行优化，降低了起落部分不平衡力矩，根据优化设计后参数完成液体气压式高平机的结构设计[4-7]。

高平机结构见图1，其中内筒、中筒和下铰支构成了上行腔，中筒和外筒构成下行腔，上螺母、内筒和外筒构成平衡腔并与蓄能器联通。

内筒采用中空的形式，一方面减轻了高平机的重量，有利于高平机减重，而又不影响高平机稳定性；另一方面液压油可以通过内筒进入高低机的上行腔，在结构上不必在下端开设液压油口，可以有效减小高平机总体结构尺寸。

中筒通过下铰支与上架铰接，相对于上架只有旋转运动。中筒左端的活塞与内、外筒接触，中筒内壁与内筒外壁留有相对运动间隙，内侧有起支撑作用的导向件，以提高高平机稳定性。

外筒左端通过连接螺母与内筒固定连接在一起，即相对内筒没有运动。上铰支的位置设定在外筒的中间位置，以焊接方式连接，以满足结构上的要求。

1-上端盖；2-上螺母；3-内筒；4-活塞；5-上铰支；6-外筒；7-密封端盖；8-下螺母；9-下铰支；10-中筒

2 动力学模型建立

以全炮为对象，对全炮系统动力学响应进行模拟计算分析[8-12]，以获得火炮发射时高平机的受力特性。计算工况包括：①火炮方向射角为0°，高低射角为70°；②火炮方向射角为45°，高低射角为0°。全炮三维模型如图2所示。

图2 全炮三维模型

2.1 基本假设

实际情况下，火炮系统的发射是一个运动和受力非常复杂的过程[13]，火炮系统所有的零部件都是弹性体或弹塑性体，且火炮各零部件之间都存在着配合间隙。为了研究高平机对火炮发射过程的影响，本模型中不考虑弹丸运动的影响，在火炮系统虚拟样机模型的建立和仿真分析时，进行以下假设：

(1) 全炮除轮胎外皆视为刚体，对高平机进行了简化，用弹簧代替。

(2) 后坐部分相对摇架沿炮膛轴线方向做后坐和复进运动。

(3) 摇架相对上架绕耳轴做转动。

(4) 上架相对车架做转动。

(5) 车轮相对车架做上下运动。

2.2 全炮拓扑关系

基于以上基本假设建立车载炮发射动力学模型，模型拓扑关系如图3所示。

图3 全炮拓扑关系

图3中，h表示部件与部件之间的连接关系和力作用关系，h1、h2、h3、h4分别为前轮、千斤顶、后轮、大架与地面间的作用力(包括垂直和水平分量)；h5、h7代表悬挂，即车架与轮胎间联接，包括滑移铰和等效线性弹簧阻尼器；h6为车架与千斤顶的联接及作用力；h8为车架与大架间的联接及作用力；h9为上架与车架间的联接及作用力；h10为摇架与上架间的联接及作用力；火炮发射时，后坐部分相对摇架沿炮膛轴线方向做后坐和复进运动，即具有一个平动自由度，h11表示滑移副以及后坐部分与摇架间的反后坐装置力、摩擦力。

2.3 受力分析

本模型中不考虑弹丸运动的影响。

(1) 炮身部分：炮身后坐时与反后坐装置相互作用，作用在后坐部分的力有炮膛合力、驻退机液压阻力、复进机力、导轨摩擦力和后坐部分重力。

(2) 摇架部分：作用在摇架部分的力和力矩除摇架自重外，还有导轨摩擦力、驻退机力、复进机力、高平机力、上架对耳轴的反作用力及对应的力矩。

(3) 上架部分：摇架耳轴对耳轴支架的作用力、高平机反作用力、座圈支反力和上架自重。

(4) 车身部分：上架座圈对车体的作用力、轮胎对车架的作用力、大架对车体的作用力和车身自重。

(5) 轮胎部分：车架对轮胎的作用力、轮胎与地面的作用力。轮胎与地面间的作用力包括了轮胎与地面的摩擦及轮胎的滑移、侧偏、变形所产生的力和力矩。

(6) 大架、千斤顶部分：车架对大架的作用力、大架与地面的作用力。

3 锁定液压油柱刚度的确定

一般在液压系统中认为液压油是不可压缩的，但是，实际工作过程中当有很大的冲击载荷时液压油会像弹簧一样被压缩，因此需要用等效的刚度来描述液压油的弹性。

火炮射击时，高平机的上行腔和下行腔均处于闭锁状态，上行腔和下行腔工作面积相等，均为1 590.4 mm2。

液压油柱刚度计算公式为:

(1)

其中：K为油液的体积弹性模量，取K=-1.7×103MPa；A为高平机上行腔或下行腔工作面积，mm2；L为液压油柱高度，mm；dL为液压油柱高度变化量。当dL=1 mm时，由式(1)计算得到的即为被锁定的液压油柱的刚度，见表1。

表1 液压油柱高度和等效刚度

4 基本数据

采用某122 mm榴弹炮制式底凹弹全装药内弹道参数进行分析，炮膛合力-时间曲线如图4所示。

图4 全装药炮膛合力-时间曲线 图5 方向射角0°、高低射角靶场进行样机摸底射击试验图6 方向射角45°、高低射角 70°高平机油缸力 0°高平机油缸力

5 仿真结果

(1) 方向射角0°，高低射角70°，高平机油缸力如图5所示。

(2) 方向射角45°，高低射角0°，高平机油缸力如图6所示。

6 测试结果

在247厂靶场进行样机摸底射击试验，结合千米立靶密集度射击试验和强度考核射击试验进行了高平机内腔液压测试。

液压测试时，在测点位置安装液压传感器，将测点处的液压变化转化为电阻量的变化，通过测量电路的输出电压实现对测点处液压值的测量。液压测试系统组成框图如图7所示。

图7液压测试系统组成框图

液压测试测点位置：右高平机上腔和下腔。

射向45°，高低射角0°，射弹数6发，其测试结果见表2。射向0°，高低射角70°，射弹数2发，其测试结果见表3。

表2 0°高低射角高平机腔内液压测试数据(全装药)

表3 70°高低射角高平机腔内液压测试数据(强装药)

由表2可知：射向45°、高低射角0°射击试验中，右高平机上腔的初压力稳定在1.5 MPa左右，压力峰值的平均值在14 MPa左右；右高平机下腔的初压力稳定在3.5 MPa左右，压力峰值的平均值在12 MPa左右。

由表3可知：射向0°、高低射角70°射击试验中，右高平机上腔的初压力稳定在1 MPa左右，压力峰值的平均值在16 MPa左右；右高平机下腔的初压力稳定在1.5 MPa左右，压力峰值的平均值在22 MPa左右。

7 仿真结果与实测数据对比分析

(1) 图8为第5发射弹右高平机下腔测点的液压曲线。对比分析仿真结果和测试数据，高低射角0°时二者曲线变化一致，测试压力峰值接近12 MPa，受力为19 084 N，与仿真结果受力25 058 N偏差约为23%，在误差允许范围内，仿真结果可信，能够反映高平机工作特性。

图8 第5发射弹右高平机下腔液体压力曲线

(2) 射向0°、高低射角70°时测试压力峰值的平均值在22 MPa左右，与仿真结果偏差较大，分析原因主要有两点：一是高低射角70°射击时为强装药，而仿真初始膛压数据采用全装药内弹道参数；二是高低射角70°高平机下腔液柱短，此时用等效的刚度来描述液压油的弹性存在较大偏差。