炮口振动与立靶散布特性试验研究

王宝元, 许耀峰， 周发明， 衡 刚， 洪丽娜

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

炮口振动与立靶散布特性试验研究

王宝元, 许耀峰， 周发明， 衡 刚， 洪丽娜

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

针对某高炮武器立靶散布中心明显发生侧偏现象，采用问题再现、原因分析、措施提出和效果验证等过程的试验研究方法，通过射击试验，测试炮箱浮动位移确定弹丸出炮口时间，用位移传感器得到炮口振动位移响应曲线，采用图像式立靶密集度测试系统得到立靶散布坐标，对炮口振动位移曲线进行频谱分析得到炮口振动固有频率，研究炮口位移响应影响立靶散布的规律。结果表明，由于火炮结构固有特性与射频不匹配，引起炮口共振，使得弹丸出炮口时刻出现在炮口振动位移最大位置，形成立靶散布中心侧偏现象。通过加强结构刚度，消除了炮口共振现象，立靶散布中心侧偏现象基本消失。

高炮；炮口振动；立靶密集度；动态特性；试验研究

立靶密集度是高炮武器型号研制中的关键指标之一，也是体现火炮武器性能优劣的关键参数。随着现代作战模式的快速变化，对高炮立靶密集度性能要求越来越高，世界军事大国非常重视提高立靶密集度课题研究。由于影响立靶密集度因素复杂、过程随机，提高高炮立靶密集度方法研究一直是火炮型号研制中的关键技术之一，立靶密集度性能指标能否顺利实现也是影响高炮型号研制进程的关键制约因素[1]。文献[2]应用随机模拟技术，从车、炮、弹、药系统出发，根据内弹道，自动机、火炮振动、起始扰动、外弹道、土壤力学和设计参数灵敏度分析等理论，用计算机模拟火炮发射全过程，预测射弹立靶散布。文献[3]针对密集度试验中无法区分火炮、弹丸和装药等各分系统对密集度的影响，归纳了影响密集度的主要因素，指出了密集度试验应测试的参数。文献[4]分析了大中心距、多管自动火炮立靶密集度试验中有少量脱靶弹存在时，不剔除脱靶弹数据的立靶密集度试验数据处理方法，推导出了密集度及其误差计算公式。文献[5]在推导射击冲击所致脱靶弹数学模型的基础上，给出了可表征相关性的、战斗炮立靶密集度的状态方程。文献[6]进行了火炮振动与射击密集度实验方法研究，提出了火炮摇架俯仰角位移是联系火炮振动与密集度的可检测实验测试敏感量的观点，给出了实验测试方法和步骤。文献[7]利用工作模态分析试验技术完成了自行火炮全炮试验模态分析，得到了所选火炮全炮模态频率分布及其模态振型。文献[8]研究了高炮振动与密集度的关系。文献[9]提出了一种带弹序立靶密集度测试方法及测试系统，通过了靶场射击验证。尽管如此，上述文献均未涉及火炮立靶散布中心侧偏现象研究。火炮立靶散布分为方向散布和高低散布，在方向上，立靶散布中心明显偏离立靶上的瞄准中心现象本文称其为侧偏现象。

由导气式自动机组成的某小口径单管火炮在射击试验时人们发现，其200 m立靶明显发生侧偏现象,如图1所示。图中，z表示方向，y表示高低，o点为瞄准中心，但散布中心距瞄准中心距离h值明显大于设计值。为了快速查找原因，论文作者进行了立靶散布中心侧偏原因分析专项试验研究。经过问题再现、原因分析、措施提出、效果验证等环节，最终使问题得到圆满解决。

图1 立靶散布侧偏示意图Fig.1 Sketch map of deflection on Vertical target dispersion

1 立靶散布中心侧偏原因分析

1.1 问题再现

弹丸立靶散布中心明显发生侧偏现象是典型的火炮结构动态特性与立靶密集度性能不匹配技术问题。为此，首先进行靶场射击试验，同时，通过振动测试，得到火炮振动响应规律。振动测试内容包括：

(1) 炮箱浮动位移曲线；

(2) 炮口方向振动位移曲线；

(3) 炮口高低振动位移曲线；

(4) 弹丸出炮口时间信号；

(5) 弹丸着靶坐标、弹序和200 m立靶密集度。

在后面的分析中，先做如下约定：

(1) 炮口振动位移坐标原点取在射击前的静平衡位置，方向正值表示炮口向右运动，方向负值表示炮口向左运动。

(2) 200 m立靶密集度射弹散布中心坐标原点取在炮口瞄准中心(靶面上)，方向正值表示弹孔在瞄准中心右边，方向负值表示弹孔在瞄准中心左边。高低正值表示弹孔在瞄准中心上边，高低负值表示弹孔在瞄准中心下边。

经过射击试验和振动测试，得到了振动测试结果和立靶散布结果，散布中心明显偏离瞄准中心。图2是典型的炮口方向位移共振曲线，其横坐标为时间，单位为s，纵坐标为炮口位移，用电压表示，通过标定，可以得到位移值(下同)。随着射弹数的增加，炮口方向位移逐渐变大，引起过大的弹丸起始扰动，使射击精度变差。在图3中，上层曲线为炮箱位移测试曲线，下层曲线为炮口方向振动位移测试曲线，炮箱位移曲线特征点给出弹丸出炮口时刻。从图3可以看出，每当弹丸出炮口时刻，炮口方向振动位移达到最大值。炮口发生共振，则炮口振动位移逐发放大，又都在炮口振动到同一侧位移最大时刻弹丸出炮口，这样，就形成了散布中心侧偏现象。

图2 典型的炮口方向位移共振曲线Fig.2 Typical resonance curve of directional displacement at muzzle

图3 炮口方向振动位移测试曲线Fig.3 Measuring curve of directional displacement at muzzle

1.2 原因分析

根据射击试验研究和理论分析，弹丸散布中心发生侧偏原因有两点：

(1) 由于炮口振动方向一阶固有频率和射击频率基本重合，引起炮口共振，弹丸出炮口的时机基本都出现在炮口偏离到较大位移时；

(2) 身管和摇架刚度较弱又放大了炮口方向振动位移幅值，或者说，身管和摇架刚度较弱又助长了炮口共振现象的进一步发展。

影响弹丸立靶散布中心位置的影响因素包括：

(1) 射击频率和炮口振动固有频率的匹配；

(2) 摇架刚度；

(3) 身管刚度。

火炮射击试验时，通过对炮口方向振动位移测试曲线进行频谱分析，得到了炮口方向振动一阶固有频率，由于射击频率和火炮固有频率重合，这时引起炮口共振。试验实际情况也是如此，图3中，7条竖直的点划线表示弹丸离开炮口时刻(也就是箭头所指的位置)，可以清楚地看出，除第一发弹外，其余6发弹离开炮口的时刻基本都是炮口方向振动位移曲线运动到最大时刻。因此，弹丸也就明显偏离了瞄准中心。试验结果和分析结果一致，图4是200 m立靶散布图，弹孔坐标和分布是采用图像式立靶密集度测试系统得到的，弹孔中的数字是用高速数字摄像机拍到的实际弹序，坐标刻度“a”代表一个长度单位，下同。

摇架是支撑身管的基础，摇架刚度的大小，直接影响炮口的牵连位移的大小。大的摇架刚度会明显抑制炮口共振位移幅度，但大的摇架刚度不会消除炮口共振现象。弱的摇架刚度会放大炮口共振位移幅度。

这就是立靶散布中心明显偏离瞄准中心的根源。

图4 炮口共振条件下的立靶散布图Fig.4 Vertical target dispersion under resonance condition at muzzle

原因分析时，还进行了不同质量炮口制退器对炮口振动位移、立靶散布中心位置和立靶密集度性能影响对比试验。选择4种不同质量的炮口制退器，进行射击试验，测量炮口振动位移和立靶散布坐标。当炮口制退器质量从大到小变化时，立靶散布中心侧偏位移分别减小了10%、59%和96%，弹丸出炮口时刻炮口振动位移分别下降了26%、37%和90%。结果表明，炮口制退器质量最大时，炮口发生共振现象，立靶散布中心侧偏距离最大。产生上述现象的原因是质量的变化会改变固有频率，改变了频率的匹配关系。

2 减小立靶散布中心侧偏措施

2.1 技术措施

根据影响弹丸散布中心侧偏现象的原因，首先，应加强摇架刚度，它主要能减小支撑身管的基础变形，同时，又能部分改变炮口振动一阶固有频率；其次，应加强身管刚度，它能显著改变炮口振动一阶固有频率，减小炮口振动位移响应，对避免共振有重要作用。加强摇架刚度，能显著减小炮口振动位移，抑制炮口共振现象。

综上所述，解决弹丸散布中心侧偏现象的措施有3条：

(1) 加强摇架结构刚度；

(2) 加强身管刚度；

(3) 炮口振动一阶固有频率和射击频率合理匹配。

摇架刚度加强措施包括补充增加自动机前导轨支撑结构，以提高摇架刚度，身管刚度加强措施包括沿身管全长增加身管外径尺寸等。

2.2 效果验证

针对上述原因，提出结构修改方案和解决措施，进行了射击试验验证。试验过程中，采用实验测试的方法记录炮口方向和高低振动位移响应曲线、炮箱浮动位移响应曲线、弹丸出炮口时间，用图像式立靶密集度测试系统获得射弹散布坐标、射弹散布中心和密集度数值。

图5 刚度加强与炮口位移最大值关系Fig.5 Relation between stiffness and max. displacement at muzzle

图6 刚度加强与炮口方向振动位移关系Fig.6 Relation between stiffness and directional displacement of muzzle

图7 刚度加强与散布中心关系Fig.7 Relation between stiffness and vertical target Dispersion center

图8 刚度加强与密集度关系Fig.8 Relation between stiffness and vertical target Dispersion

图5-图8给出了刚度加强与炮口位移最大值关系，刚度加强与炮口方向振动位移关系，刚度加强与散布中心关系和刚度加强与密集度关系，是原结构与刚度加强后的试验结果对比，图中符号“b”、“c” 和“d”均表示单位长度。而符号“e”表示单位角度,这些图清楚地表明了摇架刚度加强和身管刚度加强的显著效果。摇架刚度和身管刚度加强后，炮口位移最大值、弹丸出炮口时刻炮口振动位移明显减小，弹丸方向散布中心与瞄准中心之间的距离差成倍缩小，同时，立靶密集度也提高了。

图9-图11是摇架刚度和身管刚度加强前后炮口方向振动位移曲线，从图中可以清楚地看出，当刚度未加强时，炮口方向振动位移曲线不仅位移振幅大，而且曲线呈现出典型的共振特性，它是引起炮口较大位移、并使方向散布中心与瞄准中心之间发生较大偏差的主要原因。当刚度加强后，不管采用摇架刚度或身管刚度加强方案，炮口方向振动位移振幅大大减小，在火炮发射过程中，炮口方向振动位移曲线基本呈现出等幅振动特性。3个曲线图纵坐标刻度相同。经过试验模态分析，得到了起落部分一、二阶振型，见图12和图13所示，摇架刚度和身管刚度加强后，一、二阶固有频率分别提高了2.03 Hz和5.3 Hz，更远离激励频率。

图14和图15给出了摇架和身管刚度加强后200 m立靶散布图。刚度加强前，方向散布中心侧偏现象明显，刚度加强后，方向散布中心侧偏现象明显减弱。图中的小十字线表示散布中心，坐标原点是炮口瞄准中心(立靶上)，3个散布图坐标轴刻度相同。

摇架和身管刚度加强后，不仅立靶密集度提高了，而且炮口振动固有频率也远离了射击频率，刚度加强效果得到验证。

将包括有身管和摇架的起落部分建立有限元变形计算模型，在炮口施加100 kg横向载荷时，摇架和身管刚度加强后，炮口横向变形减小了32%，刚度加强效果明显。

图9 刚度未加强时的炮口方向振动位移曲线(共振)Fig．9Measuringcurveofdirectionaldisplacementatmuzzlebeforestiffnessstrengthened(resonancecurve)图10 摇架刚度已加强后的炮口方向振动位移曲线Fig．10Measuringcurveofdirectionaldisplacementatmuzzleaftercradlestiffnessstrengthened图11 身管刚度已加强时的炮口方向振动位移曲线Fig．11Measuringcurveofdirectionaldisplacementatmuzzleaftertubestiffnessstrengthened

图12 起落部分一阶振型图Fig.12 First mode of elevating parts

图13 起落部分二阶振型图Fig.13 Second mode of elevating parts

图14 摇架刚度加强后立靶散布图Fig.14 Vertical target dispersion after cradle stiffness strengthened

图15 身管刚度加强后立靶散布图Fig.15 Vertical target dispersion after tube stiffness strengthened

图16 未采取刚度加强措施时的立靶散布图Fig.16 Vertical target dispersion before stiffness strengthened

3 结 论

采用制式弹药时，炮口振动响应是影响小口径火炮立靶密集度的首要因素。当炮口振动固有频率与射击频率相等时，会发生共振现象，随着射弹数的增加，炮口振动位移逐渐变大，引起过大的立靶散布。对于本研究对象，当发生炮口共振现象时，弹丸出炮口的时机基本都出现在炮口偏离到较大位移时，最终引起明显的散布中心侧偏现象。通过加强摇架刚度和身管刚度，使炮口振动固有频率远离射击频率，消除了炮口共振现象，减小了炮口振动响应，散布中心侧偏现象显著减小，立靶密集度性能达到了设计要求。由于研究对象高低散布中心距瞄准中心距离满足设计要求，故本文未涉及高低散布。

致谢：张国平，王光华，陈彦辉，何宗颖，钟红晓，陈永刚，黄凯，刘朋科，邵小军，喻华萨也参加了本文的研究工作，为论文的完成付出了辛勤劳动，在此表示感谢。

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Effect of muzzle vibration on vertical target dispersion

WANG Bao-yuan, XU Yao-feng, ZHOU Fa-ming, HENG Gang, HONG Li-na

(Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099，China)

In order to investigate excursion phenomena of the dispersion center of vertical target of an anti-aircraft gun, a series of test methods were adopted, such as fault representation, cause analysis, measure-taking and results verification. In firing tests, the projectile leaving instant from a muzzle was determined by measuring the floating displacement of a receiver, and the displacement curves of muzzle vibration were obtained with displacement sensors. Furthermore, the vertical target dispersion coordinates were detected with a graphic vertical target dispersion testing system, and the natural frequencies of muzzle vibration were acquired with frequency spectral analysis of the displacement curves of muzzle vibration. Based on the above, the effect of muzzle vibration on the dispersion laws of vertical target was analyzed. It was shown that as the nature frequencies of the gun structure are close to firing frequencies, the muzzle resonance appears, the projectile leaving instant from the muzzle is the same as that when the maximum displacement of muzzle vibration occurs, so the excursion phenomenon of the dispersion center of vertical target is observed. Through optimizing the structural stiffness, the phenomenon of muzzle resonance was eliminated. Finally, the excursion phenomenon of the dispersion center of vertical target basically disappeared.

anti-aircraft gun; muzzle vibration; vertical target dispersion; dynamic characteristic; experimental study

2013-02-07 修改稿收到日期：2013-04-08

王宝元 男，硕士，研究员级高工，1959年9月生

TH113

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.015