楔式炮尾火炮改变抽壳速度方法的研究

周 成，顾克秋，付 帅，景鹏渊

（1.南京理工大学工程训练中心，江苏南京 210094；2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

楔式炮尾火炮改变抽壳速度方法的研究

周 成1，顾克秋2，付 帅2，景鹏渊2

（1.南京理工大学工程训练中心，江苏南京 210094；2.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

由于药筒制造工艺的误差，每次火炮发射后药筒和药室间的摩擦力不同，使得抽壳阻力也不同，这会对抽壳速度有着不同的影响。以虚拟样机ADAMS为平台，建立了某大口径火炮的抽壳动力学模型，建模时采用三段函数的方法拟合药筒受到的摩擦力，研究药筒与药室间摩擦力对抽壳速度的影响关系。在此基础上研究了3种可以改变抽壳速度的方法，通过这些方法，可以找到合适的抽壳速度，既完成抽壳动作，又不至于使药筒速度过大，落到地面造成过大的反弹。研究结果可以为后期寻找最优抽壳速度提供一定的参考，为全炮动力学提供一定的借鉴。

药筒；抽壳速度；动力学；仿真分析

1 动力学模型建立

1.1 抽壳动作过程［1］

在闩体关闭状态时，抽筒子的工作凸轮面和身管后端面相切，内耳轴在闩体定型槽直线段的下部，外耳轴在炮尾定型弧形槽的后部，如图1所示。后坐部分复进，凸轮开始撞击开闩板，迫使凸轮后转，带动曲轴后转，曲轴通过花键带动曲臂，曲臂轮下压闩体，开始开闩。开闩时，闩体定型槽随闩体下滑，直线定型槽部分迫使抽筒子内耳轴向前移动，由于抽筒子外耳轴还在炮尾弧形槽内，而且工作凸轮面还和身管后端面相切接触，接触点慢慢向下移动，这时，抽筒子会向后摆动一定距离，所以，当开闩到一定位置时，抽筒子会把药筒抽出一定的小距离，因为是慢慢抽出，速度很小。在后期，闩体定型槽由直线槽进入到弧形槽，这样会使抽筒子剧烈迅速向后转动，以较大的速度，猛烈地抽出药筒。

在整个抽壳过程中，初始阶段时闩体直线槽迫使抽筒子向前运动，所以，直线槽对内耳轴有往前的力N，药筒对抽筒子的反力作用在抽筒子爪上，这样可以得到较大的抽筒力P，如图2所示。开始抽壳时，由于火药燃烧后药筒和身管药室内壁贴合，需要用较大的力来克服摩擦力，但速度不要求太大，后期剧烈抽壳时，摩擦力大大地下降，仅需很小的力就可以克服摩擦力，把药筒抽出来，而且药筒抛出速度比较大。

1.2 模型假设

1）为了简化模型，假设全炮为固定炮架模型，身管在摇架上无振动地沿炮膛轴线滑动。

2）假设从后坐最大位移处复进开始计算，不考虑后坐运动过程［2］。

3）复进机力、制退机力及相关摩擦力均是广义坐标、广义速率和结构参数的函数［3］。

4）忽略各构件的弹性变形。

5）将抽壳部分结构简化成左由抽筒子、右抽筒子、闩体、身管、炮尾、曲臂、关闩杠杆等物体组成的多体系统。

1.3 模型拓扑关系

设定全局坐标系为：原点位于ADAMS／VIEW平台的缺省坐标原点（0，0，0），在模型中为炮尾后端面圆的圆心。x轴沿射角0°时的炮膛轴线，且指向炮口为正，y轴沿铅垂向上为正，z轴按右手定则确定。模型拓扑关系如图3所示。

主要拓扑关系如下：炮尾和地面采用移动副联接h1，开启杠杆和炮尾采用转动副联接h2，开启杠杆和拉杆采用转动副联接h3，拉杆和曲柄采用转动副联接h4，曲柄和曲轴采用固定副联接h5，曲轴和炮尾采用转动副联接h6，曲轴和曲臂采用固接副联接h7，曲轴和关闭杠杆采用固接铰联接h8，支筒和关闭杠杆建立接触联接h9，在支筒和炮尾之间建立拉压弹簧阻尼器，并采用移动副联接h10，闩体和炮尾建立移动副联接h11，左、右抽筒子分别和炮尾、闩体建立接触联接h12、h13，左、右抽筒子和身管建立接触连接h14，身管和炮尾采用固接副联接h15，曲臂和左、右曲臂轮采用转动副联接h16，左、右曲臂轮和闩体采用接触联接h17，开闩板和曲柄采用接触联接h18，开闩板固定在地面上h19，药筒分别和身管、左、右抽筒子、闩体建立接触碰撞连接h20、h21、h22。

1.4 药筒与药室间摩擦力模拟

抽壳顺利与否主要体现在抽壳阻力的大小上。抽壳阻力是一个非常复杂的力，这个力可能在比较大的范围内变化，因为影响该力的因素非常多，而且比较复杂，其中最主要的就是药筒与药室之间的摩擦力。由于制造的工艺误差以及火药燃烧后药筒和药室内壁贴合程度不同，会使药筒和药室内壁间的摩擦也不同。在动力学计算时，尚无数学方法模拟药筒受到的摩擦力。

根据对以往的试验数据进行统计处理，认为可以采用三段函数的方法拟合药筒受到的摩擦力。即初始缓慢抽筒阶段假设摩擦力不变，函数表达式为F＝Fmax（Fmax为最大摩擦力），在剧烈抽壳阶段采用二次函数y＝ax2+bx+c模拟摩擦力曲线，在抽壳的最后阶段，摩擦力不再剧烈下降，采用一次函数y＝kx+d模拟摩擦力曲线。根据试验数据，药筒速度突然变化剧烈的时候，认为是剧烈抽壳阶段，然后找出速度剧烈开始变化时刻药筒被抽出的距离，该点就是二次方程的顶点。当抽壳速度变化不大的时候，就是直线点的开始，以同样的方法确定一次函数的开始点，根据试验数据，分别求出二次函数和一次函数的表达式。以最大摩擦力10 k N为例，通过函数拟合获得的摩擦力随药筒被抽出距离变化的曲线如图4所示。在动力学建模时，将摩擦力随药筒被抽出距离变化的曲线作用于药筒上。

2 改变抽壳速度方法的研究

2.1 抽壳速度分析

火炮发射之后，需要自动把药筒抽出。由于每次抽壳时药筒受到药室摩擦力的不同，抽壳速度（药筒出膛时相对于身管轴线的速度）也会不同，研究不同摩擦力时的抽壳速度，以4种工况来近似模拟摩擦力和抽壳速度的变化关系。工况1：理想工况，即无摩擦力；工况2：最大摩擦阻力为4 k N；工况3：最大摩擦阻力为8 k N；工况4：最大摩擦阻力为10 k N。图5与图6分别为理想工况和工况3的药筒运动速度曲线。4种工况对应的抽壳速度如表1所示。

由表1可见，工况1下的抽壳速度可以达到2 091.3 mm／s，随着摩擦力的增大，抽壳速度会下降，在工况4的情况下，抽壳速度为20.3 mm／s，在重力的作用下，无法实现抛出的过程，因此，可以认为在工况4时，抽筒子无法正常工作，不能实现抛壳。

2.2 改变抽壳速度的方法

为减小药筒落地反弹，应尽量减小抽壳速度，但抽壳速度过小，又不能实现抛壳。因此，需要找到一个合适的药筒出膛速度，使其既能完成抽壳动作，落地又不会发生太大的反弹［4］。

笔者在最大抽壳摩擦阻力为8 k N的情况下着重研究3种方法对抽壳速度的影响。

方法1：改变开闩凸轮圆弧圆心竖直距离l，旨在改变机构的传动比。初始模型中，l为66.88 mm，如图7所示。

方法2：前后移动开闩板的位置，相当于使开闩凸轮和开闩板提前撞击，提高了撞击时刻的复进速度。

方法3：使开闩板可以滑动，并给开闩板加一适当的缓冲弹簧［5］，能够增加开闩凸轮和开闩板的接触时间。

针对以上3种方法分别建立动力学模型并进行分析计算，得到的抽壳速度如表2所示。

通过表2分析可得，增大开闩凸轮圆弧圆心竖直距离可以增大抽壳速度，减小会使得抽壳速度变小；前移开闩板，能够增大撞击时的复进速度，可以增加最大抽壳速度，后移开闩板，减小撞击时的复进速度，可以降低最大抽壳速度；添加缓冲器弹簧，同样可以降低最大抽壳速度。

3 结束语

笔者以虚拟样机ADAMS为平台，建立了某155 mm口径牵引火炮抽壳动力学模型。动力学计算建模时，采用三段函数的方法模拟药筒受到的摩擦力，该方法能够近似给出摩擦力曲线。通过改变开闩凸轮圆弧圆心竖直距离、前后移动开闩板的位置、给开闩板加一适当的缓冲弹簧等方法均能改变抽壳速度。研究结果可以为抽壳速度的研究提供一定的参考。

（References）

［1］方怡宏.火炮结构教程［M］.南京：华东工学院，1991：200- 202.

FANG Yihong.Artillery structure tutorial［M］.Nanjing：China East of Engineering College，1991：200-202.（in Chinese）

［2］付帅.某火炮开闩动力学特性分析及可靠性研究［D］.南京：南京理工大学，2014.

FU Shuai.Artillery opened a latch dynamics analysis and reliability research［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2014.（in Chinese）

［3］周成.轻量化牵引火炮动力学分析与优化研究［D］.南京：南京理工大学，2011：24.

ZHOU Cheng.Kinetic analysis and optimization research of lightweight towed howitzer［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2011：24.（in Chinese）

［4］侯保林，钱林方，于子平.大口径火炮抽筒故障分析［J］.弹道学报，2002，14（2）：52- 55.

HOU Baolin，QIAN Linfang，YU Ziping.Failure analysis for the breech mechanism of a big caliber howitzer［J］.Journal of Ballistics，2002，14（2）：52- 55.（in Chinese）

［5］石明全.基于ADAMS的某火炮抽筒抛壳过程分析［J］.中国制造业信息化，2004，33（3）：94- 96.

SHI Mingquan.The process analysis on the opening block and ejecting container based on ADAMS gun［J］.China Manufacturing Information，2004，33（3）：94- 96.（in Chinese）

Research on the Methods of Changing Extraction Velocity of Sliding Wedge Breech Mechanism Gun

ZHOU Cheng1，GU Keqiu2，FU Shuai2，JING Pengyuan2

（1.Engineering Training Center，NUST，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2.School of Mechanical Engineering.NUST，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Due to the fabrication errors of cartridge case，the friction force between cartridge case and powder chamber was different with each firing.And this makes the extraction resistance of the cartridge case be different，which has different effects on the extracting velocity.A relatively complete dynamic model of the extractor which was used in large caliber gun was constructed based on the virtual prototyping software ADAMS.The dynamic simulation model was established with the method of three segment function to fit the friction force for the study of the influence of the friction force between cartridge case and powder chamber on extracting velocity.Through the model depicted above，a study is made of the three kinds of measures that could transform the extracting velocity，and that could be used to find the appropriate extracting velocity to complete the extraction and keep the velocity of cartridge from being too high to avoid excessive rebound.The research results can provide references for the optimization of extracting velocity.This result also has reference value in the analysis of dynamics of whole artillery.

cartridge；extraction velocity；dynamics；simulation analysis

TJ301

A

1673-6524（2015）03-0023-04

2014- 12- 17；

2015- 05- 01

武器装备预先研究项目（40404050401）

周成（1986－），男，硕士，工程师，主要从事火炮系统仿真技术研究。E-mail：zhoucheng0727＠163.com成抽壳动作。笔者运用虚拟样机软件ADAMS，研究某155 mm口径牵引火炮在不同抽壳阻力下的抽壳速度，分析造成药筒卡壳的原因，并且根据卡壳原因，寻找改变抽壳速度的方法，使抽筒子能够正常工作、顺利抽壳。

楔式炮尾火炮发射后，在后坐部分复进过程中，开闩板撞击凸轮，闩体下滑，从而使抽筒子完成抽壳动作。由于火药燃烧后，药筒和身管药室内膛贴合，摩擦阻力较大，可能会造成药筒卡壳，无法完