某炮身长后坐式自动炮后坐力研究

杨海川,马咏梅,董志强,贺 东

(1.四川大学 成都 610065； 2.长安工业集团公司,重庆 400023 )

炮身长后坐式自动炮结构较简单，可靠性高，同时，该炮体积小，射频低，可实现单发、连发射击。与浮动自动炮不同，炮身长后坐式自动炮的炮箱和摇架是固定连接，供弹口位置基本不变，供弹可靠性比较高。但是，由于该自动炮是利用炮闩和炮身的液压缓冲簧来实现缓冲的，所以在不同温度和不同射角时，其后坐力有很大不同。在进行摇架和托架设计时，如何减小后坐力、提高摇架和托架设计可靠性是一项重要的研究课题[1]。

本文以某炮身长后坐式自动炮为研究对象，应用ADAMS软件，建立了自动炮虚拟样机，分析了不同环境下自动炮的后坐力，并为此类自动炮如何减小后坐力提供了有效的方法。

1 自动炮工作循环过程

炮身长后坐式自动炮工作原理如图1所示。炮身长后坐式自动炮主要由炮身、液压缓冲簧、炮闩卡锁、炮闩闭锁器、炮闩、炮闩复进簧和炮箱等组成，其中液压缓冲簧是由液压器和环形缓冲簧构成的复合缓冲装置。炮身和炮闩都是活动构件，击发后，炮身和炮闩一起后坐，后坐位移略大于炮弹长。开始复进时，炮闩被炮闩卡锁卡在后方为止，炮身先复进完成开锁、开闩、抽壳等动作，炮身复进终了时，通过解锁器解脱炮闩，炮闩便在复进簧作用下输弹入膛，并进行闭锁和击发[2]。

该自动炮的工作温度区间为-30℃～60℃，俯仰范围为-20°～60°。为了实现该自动炮能够在-30℃低温、-20°低射角实现连发射击功能，在60℃高温、60°高射角实现后坐力要小，从而达到提高射击的密集度和提高炮箱、摇架疲劳寿命的目的，因此就要寻求后坐部分质量、射速与后坐力之间的匹配关系，通过调整后坐部分质量，在确保自动炮能够后坐到位并顺利挂机的前提下，有效降低后坐力。

2 自动炮动力学建模

2.1 内弹道计算

内弹道受环境温度的影响较大，取3个典型温度：低温-30℃、常温20℃、高温60℃。根据内弹道计算手册，取燃速指数n为0.83，通过调整燃速系数u1，计算自动炮在3个典型温度条件下的内弹道，分析弹丸初速和膛内压力，如表1所示。

表1 内弹道计算结果表

根据内弹道计算结果，可以得到不同时期炮膛合力。

弹丸膛内运动时期合力为：

后效期合力为：

式中：p为平均膛压;ω/m为装药质量与弹丸质量之比;φ为次要功系数;φ1为弹丸旋转和摩擦次要功系数;S为炮膛横截面积;pg为炮口压力;tg为弹丸在膛内运动时间;b为时间常数。不同温度条件下炮膛合力曲线如图2所示。

根据自动炮的结构组成及工作原理，把自动炮简化成由炮箱、炮身、抛壳臂、抛壳器基座、阻铁基座、阻铁、反跳锁、炮闩、闩座、炮闩卡锁、后坐挡块、关闩锁、拨弹臂、拨弹滑架、炮弹、弹壳、液压缓冲簧前筒、液压缓冲簧后筒等18个零部件组成的多体系统。根据零部件的相互运动关系，利用ADAMS软件，建立动力学仿真模型，模拟液压缓冲簧和炮闩缓冲簧的刚度特性。

2.2 液压缓冲簧

液压缓冲簧由液压缓冲器和环形缓冲簧组成的复合缓冲装置。在炮身后坐时，环形缓冲簧先起作用，当环形缓冲簧压缩到极限位置时，液压缓冲器起作用，阻止环形缓冲簧继续压缩[3]。在复进行程过程中，由于液压缓冲器恢复速度低，对炮身复进作用很小，可以忽略不计，炮身主要依靠环形缓冲簧储存力完成复进。

在后坐时，环形缓冲簧受力为：

在复进时，环形缓冲簧受力为：

式中：x为后坐行程;F1h、F1f分别为缓冲簧后坐力和复进力;F01为缓冲簧压缩时的初力;F02为缓冲簧伸张时的初力;k1h为缓冲簧压缩时的刚度;k1f为缓冲簧释放时的刚度;x10为后坐部分压缩缓冲簧之前的后坐行程。

在炮身后坐时，液压缓冲器的阻力为：

式中：K为阻尼系数;ρ为液体密度;A为工作面积;ax为漏口面积;v为后坐速度。

在炮身复进时，液压缓冲器的阻力为：

F2f=0

炮闩缓冲簧力为：

F2=(x20+x2)K2

式中：F2为炮闩缓冲簧力;x20为炮闩缓冲簧预压缩量;x2为炮闩缓冲簧压缩量;K2为炮闩缓冲簧的刚度。

3 仿真结果及分析

该自动炮后坐部分总质量是40.7 kg,射角范围是-20°～60°。经过仿真分析，模拟了在不同温度、不同射角情况下自动炮的循环特性，分析了后坐部分质量的改变对后坐力的影响[4]。

3.1 常温0°角的后坐力

在常温0°角射击是此类火炮的常用工作模式，其内循环计算结果见图3。由图3可以看出，随着后坐部分质量的增加，后坐速度和最大后坐位移略微减小。

图4所示为完成一个射击循环过程中炮箱所受到的后坐力，后坐部分质量不增加时，缓冲簧和液压缓冲器均起到缓冲作用，后坐力会出现一个尖峰值，增加后坐部分质量4 kg后，只有缓冲簧起缓冲作用，液压缓冲器不起缓冲作用，后坐力的峰值明显降低。

表2为常温0°角时后坐质量对后坐力的影响。可以看出，增加后坐部分质量后，最大后坐行程减少，后坐力降低。

表2 常温0°角时后坐质量对后坐力的影响

3.2 低温负角的后坐力

在低温负角度射击的仿真结果见图5和图6，由于低温条件下内弹道压力小，重力对自动炮后坐有迟滞作用，会降低后坐过程的速度和后坐位移量，过小的位移量会导致炮闩无法被炮闩卡锁卡住，降低自动炮运动可靠性。

表3为低温负角时后坐质量对后坐力的影响，和常温相比，在低温负角时，最大后坐行程减少，但增加的后坐部分质量超过4 kg后，后坐行程已经接近最小后坐行程319 mm。

表3 低温负角时增加后坐质量对后坐力的影响

和图3及图4对比可知，低温负角度的后坐位移和后坐速度明显低于常温0°角，后坐位移随着后坐部分质量的增加逐渐变短，另外由于撞击液压缓冲器而产生的后坐力也在逐渐降低。当后坐部分质量增加4 kg后，最大后坐长低于320 mm，液压缓冲器不工作，最大后坐力小于6 t。

3.3 高温高角的后坐力

在高温高角条件下，由于内弹道压力大，同时后坐部分还受到重力的影响，所以后坐力较大，计算结果见图7和图8。可以看出，在高温高角射击时，后坐位移和后坐速度明显大于常温0°角，由于后坐行程较长，即使当后坐部分质量增加4 kg后，环形缓冲簧和液压缓冲器仍能起到缓冲作用。而且，增加后坐部分质量可以降低最大后坐力。由此可以得出，适当提高后坐部分质量对降低后坐力是有益的。

表4为高温高角时后坐部分质量对后坐力的影响，和常温相比，在高温高角时，后坐力大得多，但增加的质量超过4 kg后，减小后坐力的效果不明显。

表4 高温高角时增加后坐质量对后坐力的影响

4 结论

建立了某炮身长后坐式自动炮的动力学仿真模型，分析了常温0°角、低温低角、高温高角射击条件下自动炮的内循环和后坐力。结果表明，适当增加后坐部分的质量，可以在不影响自动炮内循环前提下，有效地降低后坐力。

参考文献(References)

[1] 谈乐斌，侯保林，陈卫民.降低火炮后坐力技术概述[J].火炮发射与控制学报. 2006(4):69-72.

TAN Le-bin, HOU Bao-lin, CHEN Wei-min. Gun recoil force reduction technology[J]. Journal of Gun Launch & Control. 2006(4):69-72.(in Chinese)

[2] 毛保全，邵毅.火炮自动武器优化设计[M].北京：国防工业出版社.2007.

MAO Bao-quan, SHAO-yi. Optimal design of gun automatic weapon[M]. Beijing: National Defence Industry Press,2007.(in Chinese)

[3] 张月林，林均毅，高树滋,等. 火炮反后座装置设计[M]. 北京：国防工业出版社.1984.

ZHANG Yue-lin, LIN Jun-yi, GAO Shu-zi,et al. Design of the recoil of gun[M]. Beijing: National Defence Industry Press.1984.(in Chinese)

[4] 苑海威，薄玉成，王惠源,等.身管式短后坐浮动自动炮动力学仿真[J].火炮发射与控制学报.2010(1):52-55.

YUAN Hai-wei, BO Yu-cheng, WANG Hui-yuan,et al. Dynamics simulation of floating automatic mechanism applied in short recoil barrel weapon[J]. Journal of Gun Launch & Control. 2010(1): 52-55.(in Chinese)