某低射速自动炮缓冲装置浮动特性研究

田楠，刘宗超，王凯，刘杰，韩如锋

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古 包头 014033)

射击精度是自动炮重要的战术技术性能指标之一。但随着自动炮威力的提高，射击稳定性和射击精度下降，如何在保证威力前提下提高自动炮射击精度成为一项重要研究课题。

浮动技术是利用复进击发的原理，使自动炮在复进中击发。采用浮动技术可以大幅度减小后坐力，并且使自动炮后坐力方向一致，从而提高射击精度。因此采用浮动技术可以较好地解决自动炮威力与精度的矛盾[1-2]。

目前国内对缓冲装置浮动技术的研究较为深入。其中文献[3]针对大口径高射速步兵自动武器用弹簧液压式浮动机，提出了一种浮动机结构参数的优化设计方法，优化后的浮动机可大幅度降低武器的后坐力，浮动较为稳定；文献[4]为研究大口径高射速机枪浮动技术，针对其弹簧式浮动机构，建立其虚拟样机模型，通过浮动自动机动力学参数的合理匹配，使其具有稳定的浮动性能及良好的减后坐力效果；文献[5]针对高射速大口径机枪提出了一种弹簧式浮动机构，通过设置独特的复进打断装置实现浮动过程中稳定的前冲击发，建立机枪枪身的虚拟样机模型，并与试验结果进行对比，结果表明机枪浮动机能实现稳定的浮动，可减少武器射击时的碰撞，减弱射击振动，并且减后坐力效果明显；文献[6]提出了一种应用于身管短后坐式武器的浮动自动机技术，建立了其动力学模型，并对浮动过程进行了模拟仿真，实现了高稳定性的浮动，有效提高射击精度和射击密集度；文献[7]建立了浮动自动机的动力学优化模型，通过浮动自动机动力学参数合理匹配，实现了稳定的浮动射击；文献[8]针对某中口径自动机缓冲器，采用环形弹簧实现浮动，减小了后坐力并且使火炮受力方向始终保持向后不变，显著提高了自动机的射击密集度。

上述浮动技术工作开展都是以高射速武器为前提，没有对低射速武器浮动技术进行研究。笔者提出一种环形弹簧-液压装置，建立其动力学仿真模型，研究低射速浮动对自动炮后坐力影响。

1 液压-环形弹簧缓冲装置结构原理

环形弹簧在工作时由于接触表面产生很大的摩擦力，较大部分后坐能量会被摩擦力转换为热能耗散掉，因此其复进刚度(卸载刚度)比后坐刚度(加载刚度)小很多；液压缓冲装置能吸收更多的能量，并将吸收航炮射击时的大部分后坐能量转化为热能散失到空气中，其复进阻尼系数远大于其后坐阻尼系数[9-12]。因此笔者利用液压-环形弹簧缓冲装置实现自动炮低射速浮动。液压-环形弹簧缓冲装置主要由前连接头、单向活门、液压筒、环形缓冲弹簧、后连接头、活塞杆和复位簧组成。具体结构如图1所示。

前连接头和身管通过圆柱销连接，后连接头通过圆柱销与摇架连接。自动炮击发时，在火药燃气作用下，自动炮后坐，固定其上的液压筒向后运动，推动活塞前腔的液体流向活塞后腔，总共有两股液体流：一股推开单向活门，经单向活门流向后腔；另外一股经活塞杆内腔流液孔流向活塞后腔。液压工作同时压缩环形弹簧，自动炮后坐能量由液压阻力耗散和环形缓冲弹簧吸收，环形缓冲弹簧的弹簧力是自动炮后坐时的主要阻力。后坐过程结束，自动炮在环形缓冲弹簧作用下复进，推动液压筒向前运动，此时，单向活门在复位簧和液体压力作用下关闭，后腔液体经活塞杆内腔流液孔流向前腔。复进时，液压机构产生较大的液压阻力，同时环形弹簧复进刚度相比其后坐刚度较小，因此自动炮复进时间较长，在第1发复进未结束时，第2发已经开始击发，实现自动炮浮动射击。

2 液压-环形弹簧缓冲装置动力学建模

2.1 基本假设

根据当前液压-环形弹簧缓冲装置结构的特点和工作过程，建立其动力学模型，主要假设如下：

1)弹簧阻尼忽略不计；

2)不考虑自动炮内部机构运动对缓冲性能影响；

3)假设自动炮质心在身管轴线上；

4)不考虑自动炮垂直于后坐方向的运动对缓冲装置性能影响。

根据以上假设，将自动炮缓冲装置简化成为一个非线性振动的弹簧-阻尼-质量系统，其所建立的物理模型如图2所示。

2.2 液压-环形弹簧缓冲装置数学模型

自动炮缓冲装置在其连续发射过程振动响应问题最终归结为非线性有阻尼受迫振动方程[13]。振动微分方程可表示为

(1)

以自动炮初始的质心位置为起始点建立坐标系，规定力的方向向后为正方向，向前为负方向；位移离开平衡位置向后为正，向前为负。

对于非线性受迫振动系统，自动炮运动的微分方程为：

(2)

式中：m为自动炮后坐质量；x为自动炮后坐位移；θ为火炮高低射角；Fpt(t)为自动炮炮膛合力；c1为液压后坐阻尼系数；k1为环形弹簧后坐刚度(加载刚度)；H0为环形弹簧预压缩量；Ff为密封装置间的摩擦力与摇架和导轨的摩擦力之和。

(3)

式中：c2为液压复进阻尼系数；k2为环形弹簧复进刚度(卸载刚度)。

(4)

(5)

环形弹簧加载刚度k1和卸载刚度k2关系为

(6)

式中：β为环形弹簧的圆锥角，结合环形弹簧接触面的加工精度取值为14°；ρ为环形弹簧的摩擦角，结合环形弹簧接触面的加工精度和承受载荷取值为9°。

(7)

式中：φ为次要功计算系数；P为火药气体的平均压力；ω为装药量；S为炮膛断面面积；Pg为后效期开始炮口压力；χ为炮口制退器冲量特征量；b为时间常数；t为内弹道开始的计算时间；tg为炮口时间点；tk为后效期结束时间点。

3 优化仿真计算与结果对比分析

3.1 优化仿真计算工况

笔者仿真计算的是射角为0°时的后坐力，设置自动炮的射速为300 发/min，射长为7连发。自动炮射击时所受的炮膛合力如图3所示。

3.2 缓冲装置约束条件及优化模型建立

通过对液压-环形弹簧缓冲装置设计参数进行分析，发现对后坐过程影响显著的参数主要有环形弹簧加载时的刚度k1，环形弹簧的预压量H0，液压后坐阻尼系数c1，液压复进阻尼系数c2，因此以上述参数作为自动炮缓冲装置设计变量[13-16]。

自动炮缓冲装置参数设计需满足以下要求：

1)预压力除能减小后坐力外，还能保证自动炮恢复并保持在平衡位置，故在设计时应使预压力大于摩擦力及全炮在使用过程中承受的过载与本身质量乘积之和。全炮在使用过程中承受的过载一般取

k1H0≥Ff+(3～4)mg.

(8)

2)自动炮最大后坐长过大会影响供弹机构工作可靠性，一般最大后坐长控制在35 mm以内，即

x≤35.

(9)

3)自动炮射击全阻振时间T应小于其一个工作循环的时间，否则会导致后坐力叠加，缓冲器因过载而损坏。

T≤TA，

(10)

式中，TA为自动炮一个工作循环的时间，为0.2 s。

4)考虑缓冲装置结构合理布局与尺寸参数设计，环形弹簧加载时的刚度系数k1(N·mm-1)，环形弹簧的预压量H0(mm)，液压后坐阻尼系数c1(N·s·mm-1)，液压复进阻尼系数c2(N·s·mm-1)，各取值需在式(11)范围内。

(11)

基于构建的优化数学模型，笔者选用第二代带有精英保留策略的非支配排序的遗传算法(NSGA -Ⅱ)对航炮缓冲装置参数进行优化。取航炮后坐力最小为目标函数，优化的数学模型可描述为

minFR(t)，

(12)

(13)

通过遗传算法，利用Matlab软件编程得到液压-环形弹簧缓冲装置结构参数的最优解[17-18]，如表1所示。

表1 自动炮缓冲装置设计参数优选结果

3.3 缓冲装置计算结果分析

普通弹簧-液压缓冲装置设计参数取值与液压-环形弹簧缓冲装置相同，但普通弹簧-液压缓冲装置中弹簧卸载刚度和加载刚度相同，而液压-环形弹簧缓冲装置中环形弹簧卸载刚度为加载刚度的1/5。

仿真得到自动炮液压-环形弹簧缓冲装置和普通弹簧-液压缓冲装置7连发射击时的后坐位移如图4所示。在后续介绍中自动炮液压-环形弹簧缓冲装置简称缓冲装置1，普通弹簧-液压缓冲装置简称缓冲装置2。

由图4可以看出，缓冲装置1和缓冲装置2的后坐位移仿真曲线在后坐工作阶段走势基本相同，在其他工作阶段相差较大。其中缓冲装置1在低射速时实现浮动，且浮动稳定，此时只有后坐和复进两个工作阶段，而缓冲装置2有后坐、复进、前冲和返回4个工作阶段。由图4得到缓冲装置1和缓冲装置2仿真后坐位移曲线结果对比如表2所示。

表2 缓冲装置1和缓冲装置2仿真后坐位移结果对比

由表2可以看出，缓冲装置1和缓冲装置2仿真最大后坐位移基本相同，但由于缓冲装置1通过高耗能的液压和环形弹簧介质把自动炮射击时产生的大部分后坐能量吸收，使自动炮实现浮动射击，其前冲位移为0，使得自动炮不会发生复进到位时的撞击现象，极大减少了射击时自动炮的振动。

缓冲装置1和缓冲装置2仿真的后坐力曲线如图5所示。

由图5可以看出，缓冲装置1和缓冲装置2后坐力仿真曲线在后坐工作阶段走势基本相同，在其他工作阶段相差较大。其后坐力曲线结果对比如表3所示。

表3 缓冲装置1和缓冲装置2仿真后坐力结果对比

由表3可以看出，缓冲装置1和缓冲装置2仿真最大后坐力基本相同，缓冲装置1前冲力为0，自动炮受力方向始终保持向后不变，而缓冲装置2前冲力为13.652 8 kN，其后坐力在后坐和复进阶段向前，在前冲和返回阶段向后，在射击循环中，车体受交变力作用，极易引起自动炮的振动，影响自动炮射击稳定性和射击精度，降低自动炮零件的使用寿命。

4 结论

通过建立液压-环形弹簧缓冲装置的动力学模型，对其后坐位移和后坐力进行仿真计算，并和原普通弹簧-液压缓冲装置对自动炮后坐力影响效果进行对比，可以得出以下结论：

1)通过合理的动力学参数匹配，液压-环形弹簧缓冲装置可以实现自动炮在低射速下的浮动，并且浮动较为稳定。

2)在内弹道和动力学设计参数相同条件下，液压-环形弹簧缓冲装置和原普通弹簧-液压缓冲装置最大后坐位移和最大后坐力基本相同，但前冲位移和前冲力都为0，不会发生复进到位撞击现象，减少了射击时自动炮的振动，且由于没有前冲力，自动炮受力方向始终保持向后不变，对提高自动炮射击稳定性和射击精度极为有利。