新型复合结构滑动式弹带设计与仿真研究

冯可华,杨 莹,章若晨,宋付军,徐 丹

(江苏永丰机械有限责任公司,江苏 南京 210014)

弹丸弹带挤进膛线过程作为线膛火炮发射的起始过程,其受力过程十分复杂,因此在整个内弹道过程中占有重要地位。对于线膛火炮的发射过程,弹带沿膛线运动并形成刻痕,为弹丸的旋转提供导向作用,并且沿膛线运动时密闭火药气体。常用的金属弹带对炮膛磨损较大,为减少磨损,降低制造成本,研制用塑料弹带代替金属弹带。对于某型无后坐力线膛炮武器系统研制配用的尾翼稳定破甲弹,如果该弹丸采用固定式弹带在膛线导向下会产生很高的转速,尽管这有利于保证弹丸的飞行稳定性,但是从破甲战斗部威力发挥方面考虑,转速过高,会导致金属射流离散,降低战斗部的破甲威力,因此,需要对弹丸进行减旋,使其转速能够稳定且不大于2 000 r/min。目前常采用滑动式弹带结构来对线膛炮发射的弹丸进行减旋,其减旋原理为:当弹丸沿膛线导转时,弹带外侧嵌入膛线旋转,同时弹带内侧与弹丸在摩擦力的作用下旋转,从而使弹丸转速大大降低。

程斌等将尼龙材料作为气体炮使用的弹带,并通过有限元分析不同宽度以及不同条数的弹带挤进过程,相关研究表明,双排弹带的结构设计优于单排。许耀峰等运用数值模拟方法分析了大口径火炮膛线结构对滑动弹带弹丸膛内运动的影响,确定了大口径火炮膛线结构对滑动弹带弹丸膛内运动的影响关系。唐春红等对武器发射弹体内塑料弹带强度进行分析,建立了有限元模型,并对其进行优化设计。马明迪等建立了弹丸身管耦合系统动力学模型,结果表明,仿真与实弹射击的弹带变形一致性较好。综上所述,目前较少涉及双层或多层弹带作用过程的研究。

1 弹带结构设计

某型无后坐力线膛炮属编配于步兵班的轻型武器系统,要求质量轻、寿命长,火炮采用了新型轻质材料,根据现有膛线结构参数以及弹丸初速等条件,经理论计算,弹丸转速高达4 000 r/min。因此,需采用滑动式弹带以降低弹丸转速,保证战斗部威力,同时也有利于保证火炮设计要求。

目前,滑动式弹带结构以单层金属或塑料弹带为主。而金属弹带嵌入膛线后对火炮身管磨损严重,会降低火炮寿命,且火药气密性差。因此,在滑动弹带设计的初期,设计人员采用了单层塑料滑动式结构,先后选用了尼龙1010、增强尼龙610材料,并调整了弹带和弹带槽的宽度等结构尺寸。试验过程中出现了弹带强度不足、变形严重,弹丸减旋效果差、跳动大、飞行不稳定,低温时出现漏气等现象。单层塑料弹带减旋后的弹丸平均转速为2 000～2 500 r/min,极差大且不满足转速小于2 000 r/min的设计要求。

经分析,单层塑料弹带产生的严重变形导致弹丸减旋效果不理想。针对这种情况,设计人员拟采用双层塑料滑动式弹带的改进方案(见图1)。双层塑料滑动式弹带由内层和外层组成,内层弹带套装在弹体上,外层弹带与内层弹带间隙配合,可周向旋转。

图1 双层滑动式弹带结构(半剖图)

2 双层塑料滑动式弹带的试验及仿真

塑料滑动式弹带对弹丸减旋的影响因素主要有弹带材料与身管材料的摩擦系数、摩擦作用时间、弹带承受压力与滑动速度之积等。

根据摩擦机理分析,外层弹带带动内层弹带并由内层弹带带动弹丸转动。外层弹带与内层弹带转动初始时发生的是干摩擦,随着弹带的继续挤进,摩擦作用时间不断增加,滑动速度不断加大,滑动速度与承受压力的乘积不断变大,外层弹带表面与内层弹带表面之间出现较薄的熔化层,此时,外层弹带与内层弹带之间由干摩擦转变为滑动摩擦,摩擦系数变小,双层弹带的受力减小,变形改善,从而使弹丸的减旋显著。

2.1 试验验证

对图1双层塑料滑动式弹带进行试制与试验。试验弹为填砂弹,采用弹道炮发射,药温(20±2)℃。双层塑料滑动式弹带的内弹带选用聚丙烯材料,外弹带选用含油尼龙材料。距炮口一定距离布置天幕靶测速和马粪纸靶测转速。试验后回收的滑动弹带见图2。试验结果见表1。

图2 试验回收的滑动弹带

表1 双层含尼龙弹带环方案的试验数据表

试验弹共3发,平均转速为1 949 r/min,转速极差为110 r/min。试验结果基本满足了该无后坐力线膛炮发射尾翼稳定破甲弹的要求。观察回收的弹带,发现外层弹带的外表面有较大的磨损和不均匀的黑色部位。经分析,弹带挤入膛线后,尽管外层弹带与内层弹带之间出现了较薄的熔化层,但外层弹带的受力依然偏大,使得外层弹带发生了变形,并产生了烧蚀。针对这种情况,设计人员对双层塑料弹带挤进膛线时进行了受力仿真分析,为后续的改进方案提供参考依据。

2.2 仿真模拟方案

1)身管有限元模型建立和网格划分。

以某型无后坐力线膛炮(无坡膛)为研究对象,选用SIMULATION软件,综合考虑网格尺寸的敏感度,网格大小为1.4 mm,采用四节点四面体单元,单元数为67 534个,根据受力情况对身管施加相应载荷,并进行计算。身管膛线图如图3所示。弹丸在挤进过程中受力复杂,有弹带的塑性变形阻力、弹带与身管之间的摩擦力、弹底所受的火药燃气压力等。仿真过程中将身管作钢体处理,并取膛线一小段建立身管模型。其中炮管材料为PCrNi3MoVA,弹体材料为35CrNiMoVA,弹带选择塑料中的一种尼龙材料,材料模型及参数采用文献[5-6,9-12]。弹带初始状态与坡膛紧贴,弹带与身管同轴,达到挤进压力后弹丸弹带开始挤进。

图3 身管膛线图

2)弹带网格划分和模型建立。

弹带采用了双层塑料滑动式设计(见图4),外层弹带材料为含油尼龙,内层弹带分别采用聚丙烯材料。弹丸减旋和其在整个身管内的运动有关,一方面在膛内由起始发射逐步到炮口加速到最大初速,另一方面随着弹带挤入膛线,弹丸在膛内旋转并受弹带作用产生减旋。本文主要研究弹带的减旋过程,弹带挤进膛线后即产生减旋作用,在弹丸向炮口的运动过程中,外层弹带与内层弹带之间由干摩擦转变为滑动摩擦,总体受力情况处于相对稳定状态。比较后认为,弹带在挤进膛线时产生的变形是影响弹丸减旋效果的最主要因素。因此,对整个身管段作简化处理,仅选取弹带在挤进身管时的一小段作应力应变分析。在SIMULATION分析中,主要考虑弹带挤进时受到的火药气体推力、膛线与弹带之间的摩擦力、作用过程中环境温度。设置火药气体压力为50 MPa,摩擦系数为0.15,环境温度15 ℃,身管与弹带之间的接触定义为允许贯通。对弹带进行网格划分,采用四节点四面体单元,单元数量为19 456个,根据弹带受力情况添加相应的载荷并进行计算。滑动弹带网格划分图见图5。

图4 双层塑料滑动式弹带图

图5 双层塑料滑动式弹带网格划分图

2.3 仿真结果分析

含油尼龙外环的双层塑料滑动式弹带在火炮膛内应变、应力云图如图6、图7所示。

由图6可以看出,弹丸运动过程中,弹带与身管膛线接触,随着弹丸的运动,弹带被压入膛线,膛内发生挤压变形。外层弹带为主要受力件,所受应力较大,在弹丸内弹道过程中应变不稳定。

图6 含油尼龙外环滑动式弹带膛内应变情况

为进一步验证其结果,现将内层弹带与外层弹带分别进行应变情况仿真分析。由图7可知,与上述分析情况相吻合,外层弹带所受应力较内层弹带要大。

图7 双层塑料内层弹带与外层弹带所受应力情况

因此,该设计对弹丸出膛后转速及其稳定性仍存在一定影响。外层弹带采用含油尼龙材料,虽然能够改善与火炮身管之间的润滑效果及降低摩擦系数,但由于外层弹带为主要受力件,受到的应力较大,导致其变形量仍然较大,与回收的滑动弹带膛线印痕明显相符。因此,需进一步改善外层弹带结构。

3 方案改进设计与分析

3.1 改进设计

由前述仿真和试验结果可知,外层弹带为主要受力件,变形较大。考虑进行结构优化,增加弹带层数,以降低受力,进而减小弹带变形。在借鉴双层弹带结构方案及试验验证的基础上进行调研、分析,设计了一种3层复合结构滑动式弹带(见图8),由塑料外层弹带、塑料内层弹带和金属内衬弹带组成。金属内衬弹带选用30CrMnSi材料,镶嵌到内层弹带里与其组合成一体,内层塑料弹带选用聚丙烯材料。内层弹带和外层弹带间隙配合,并涂抹硅油润滑,外层塑料弹带选用含二硫化钼固体润滑剂的尼龙材料,内、外层弹带径向间隙在0.15～0.3 mm。改进设计的主要目的是利用塑料材料良好的延展性和较小的动摩擦系数,能够进一步降低弹带对火炮膛线的磨损和减小弹丸的炮口转速;同时,利用金属材料的高强度、耐磨性和高、低温机械稳定性,也可以进一步改善高、低温条件下的弹炮间隙,减小弹丸初速跳动。

图8 3层复合结构滑动式弹带

3.2 改进方案的仿真分析

3层复合结构滑动式弹带,膛内应变如图9所示。

图9 3层复合结构滑动式弹带膛内应变情况

由图9可知,3层复合结构滑动式弹带在弹丸运动过程中所受膛线的应变明显小于双层滑动式弹带。其原因是由于3层复合结构滑动式弹带中镶嵌的金属内衬在弹丸运动过程中成为了主要的受力件,有效降低了外层弹带所受的应力。为进一步验证其分析结果,将3层复合结构滑动式弹带方案的各弹带层进行仿真对比。由图10可知,与上述分析情况相吻合。

图10 3层复合结构滑动式弹带各层弹带的应力情况

4 结束语

经对不同材料及结构的滑动式弹带进行仿真分析与试验验证,双层塑料滑动式弹带使弹丸转速由原4 000 r/min下降到1 949 r/min,降低了51.3%。转速极差为110 r/min,转速稳定性得到明显改善,基本满足了某型无后坐力线膛炮发射尾翼稳定破甲弹的要求。

在双层塑料滑动式弹带的基础上设计了3层复合结构滑动式弹带方案,仿真结果表明,在弹丸运动过程中弹带所受应变明显小于双层结构滑动式弹带方案,达到了优化的目的。