某多管火箭炮高低锁杆支撑效应分析

王惠方，詹晶晶，梁晓扬

（1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099；2.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094）

目前，多管火箭炮采用了液压式高低机，发射时，液压锁锁紧液压回路，高低机将发射系统固定在要求的射角，进行发射。但火箭发射时，由于燃气流对发射系统的冲击，使发射系统剧烈振动。这种急剧变化的冲击外载可能导致液压锁在开闭间转换，出现振动和锁不住的现象［1－2］，使液压高低机工作性能不稳定，射角变位。

对大口径、远射程火箭武器来说，因管数少，发射间隔长，系统振动衰减下来后才进行下一发发射，因此对后续弹发射影响不大，甚至可以进行瞄准诸元修正后再发射。而对于中口径火箭武器系统来说，因发射管数多，发射间隔短，燃气流冲击产生的振动完全有可能影响液压高低机的稳定性和可靠性，因此需要采取技术措施辅助高低机液压锁将发射系统起落部分固定，保证射击状态的一致性，提高射击密集度。

1 锁杆工作原理

某多管火箭炮在液压高低机两侧对称布置两个高低锁杆以辅助支撑起落部分。高低锁杆结构如图1所示，其工作原理是：调炮到位锁紧时，高压油由液压孔注入，液体推动两边活塞向外侧运动，活塞挤压铜质内环和碟形弹簧，使得内环与支撑杆之间紧密接触，产生弹性变形。内环与支撑杆之间的摩擦力限制支撑杆运动。因内环材料为铜，挤压过程中会产生较大接触变形，增大摩擦力，进而起到锁紧作用。调炮时，液压卸载，两活塞之间液压腔内的高压油流出，活塞外侧的碟形弹簧伸张，推活塞向内侧运动，松开内环，使支撑杆可自由运动。

碟形弹簧的作用主要是高低锁杆解锁时，确保能推开活塞，松开内环。高低锁杆锁紧时，碟形簧的弹簧力可抵消一部分液体压力，相当于液压油压力减小。但碟形簧刚度较小，抵消的压力有限，对计算结果影响较小，所以建模时进行了忽略。

2 高低锁杆刚柔耦合分析模型

2.1 锁杆结构建模

采用刚柔耦合多体动力学方法可对锁杆作用进行仿真分析。特别是铜质内环，因挤压过程中会产生较大接触变形，增大接触面积、摩擦力，因此必须按柔性体处理，才能较真实地反映其工作状况。

高低锁杆分析模型可简化为支撑杆、活塞（2个）、内 环（2 个）、限 制 环（2 个）等 部 分，如 图2所示。

锁杆外部两端通过铰链分别与起落架和回转体相连。锁杆内部约束关系为：内环外表面和活塞、限制环之间简化为固定副，将接触面耦合在一起；内环内表面和支撑杆之间为接触碰撞关系，添加接触contact，摩擦系数取0.15；活塞与限制环之间、支撑杆和限制环之间为移动副。添加约束后的锁杆分析模型如图3所示。

2.2 锁杆内环柔性化处理

将内环三维模型导入ANSYS 软件中划分网格，采用六面体实体单元建立有限元模型，如图4所示，生成内环模态中性文件，再导入ADAMS软件中［3］。内环有限元模型中的关联点将外表面各单元节点耦合在一起，用于与活塞和限制环建立固定副。

加载锁紧时，液压通过活塞与内环的耦合面传递给内环。内环外侧受限制环限制不能移动，只能产生变形。因液压加载锁紧过程均匀、平稳，是一准静态过程，所以本模型将内环外表面和活塞、限制环之间接触的表面耦合在一起，简化为固定副。内环简化为柔性体，受挤压后沿中部径向方向变形。

3 火箭炮发射动力学分析模型

3.1 有、无高低锁杆火箭炮模型

分别建立无高低锁杆与有高低锁杆两种方案下的三维实体模型，在ADAMS软件中对各部件进行简化合并。简化后的模型主要包括火箭弹、发射箱、起落架、回转体、车体和千斤顶，在各部件之间添加相关约束，得到火箭炮全炮的拓扑关系如图5所示，有、无高低锁杆火箭炮局部模型分别如图6和图7所示。

3.2 施加约束和载荷

1）火箭炮车体通过前轮胎和千斤顶支撑在地面，后轮胎基本不起作用，可省略。前轮胎和路面关系采用ADAMS／Tire模块建立，轮胎采用UA模型，根据轮胎实际型号定义各参数；路面采用ADAMS中的2DFlat模型，定义路面各参数［3］。

千斤顶简化为一移动副加一弹簧，移动副模拟千斤顶缸体和活塞之间的相对运动，弹簧模拟支撑力。弹簧等效刚度是在液压缸完全封闭条件下和稳态工作时，根据压缩工况与拉伸工况导出的［4－5］。千斤顶的柔性主要来源于两方面的影响，其一是液压油的可压缩性；其二是顶杆的弹性变形。最终千斤顶的刚度是二者串联的刚度

式中：Kg为发射状态下千斤顶顶杆的刚度；Ky为发射状态下千斤顶液柱的刚度；Kq为发射状态下千斤顶的刚度；A为回油腔活塞面积；V为回油腔液体体积；EV为液压油的体积弹性模量，EV＝1×109N／m2；Ed为千斤顶顶杆材料的弹性模量，2.06×1011N／m2；Ad为千斤顶顶杆的横截面面积；L为千斤顶顶杆长度。

经过计算确定千斤顶等效弹簧刚度系数为5.0×104N／mm，阻尼系数参照相似火箭炮计算取值100N·s／mm［6］。

2）回转体相对车体有转动自由度，施加铰接副模拟回转运动，用大刚度扭簧模拟发射时回转部分的制动效果。参照相似火箭炮试验结果［6］扭簧参数取值，刚度系数为9.65×109N·mm／rad，阻尼系数为9.17×107N·mm／rad。

3）回转体和起落架之间通过耳轴连接，在左右耳轴处分别施加铰接副，忽略摩擦阻力。

4）起落架通过液压高低机支撑以保持确定的射角。液压高低机一般采用弹簧阻尼系统来模拟，即简化为一移动副加一弹簧，移动副模拟液压缸和活塞之间的相对运动，弹簧模拟支撑力。弹簧的等效刚度根据油液和油缸参数通过相关公式计算得到［4－5］，高低机等效弹簧刚度系数为4.5×104N·mm／rad。阻尼系数影响振动消减的快慢，阻尼系数参照相似火箭炮计算［6］取值650N·mm／rad。

5）储运发射箱和起落架之间用固定副锁紧固定。

6）锁杆两活塞内侧面施加数值等于油压的分布力，模拟油压作用。高压油挤压活塞，活塞对内环产生挤压作用，内环挤压支撑杆，在contact中设定摩擦力，进而起到锁紧作用。

7）发射之前，火箭弹和定向管通过固定副约束；当发动机推力超过闭锁力后，固定副解锁，火箭弹开始运动。在火箭弹3 个定心部和定向管内壁之间、定向钮和定向管导向槽之间分别添加接触碰撞关系contact（约束期和半约束期）；火箭弹后定心部离开定向管口部后自由运动。

8）火箭发动机推力通过AKISPL函数添加，第i发火箭弹的推力函数表达式为：

－IF（TIME－（T＿sta＋T＿jge＊（i－1））：0，0，IF（TIME－（T＿sta＋T＿jge＊（i－1）＋T＿last）：AKISPL（TIME－ （T＿sta＋T＿jge＊（i－1）），0，tuili，0），0，0））。

火箭弹推力曲线如图8所示。

9）燃气流冲击力按照图9所示的A、B、C 区域划分，通过燃气流场计算得到3个区域典型冲击力曲线，如图10所示，将其施加在发射箱前端面相应位置。

4 发射动力学仿真及结果分析

添加约束和载荷后，编写脚本程序控制火箭炮模型按规定时序发射，分别对有、无锁杆两种方案进行动力学仿真分析。设定火箭炮方向角为0°，射角为53°，发射间隔为0.5s，仿真发射40 枚火箭弹。其中有锁杆情况下仿真分析时得到内环应力分布云图如图11所示，内环和支撑杆之间的摩擦力变化曲线如图12所示。

由图12内环和支撑杆之间的摩擦力变化曲线可以看出，火箭炮发射时，摩擦力数值在0～6.6kN之间变化。火箭炮受燃气流冲击时，高低锁杆产生的锁紧力（即锁杆摩擦力）瞬时增大，最大时两个高低锁杆产生的锁紧力可达13.2kN，再加上液压高低机的作用，可以将起落部分可靠、稳定地固定在要求的射角上。

火箭炮发射时，定向器管口的振动运动会传递给火箭弹，使火箭弹产生起始扰动，影响射击密集度。有、无锁杆两种方案动力学仿真分析得到的定向器管口振动参数如图13～16所示。

根据仿真结果可以看出，在高低机两端增加高低锁杆后，定向器管口高低、偏航方向振动参数均明显减小，其中减幅最大的是高低方向线位移曲线，幅值平均减小42.61%；其次是高低方向角位移曲线，幅值平均减小28.43%；减幅最小的是偏航方向角位移曲线，幅值平均减小9.72%。

火箭弹后定心部离开定向器管口时的各振动参数确定了火箭弹起始扰动数值的大小，因此可以确定增加锁杆后的火箭炮发射时火箭弹起始扰动会明显减小，有利于提高射击密集度。

5 结论

通过动力学分析，结果表明高低锁杆产生的锁紧力与液压高低机配合，可以将起落部分可靠地支撑固定在要求的射角上。同时，增加高低锁杆后，火箭弹后定心部离开定向器管口时的振动参数幅值均有所下降，使火箭起始扰动减小，有利于提高射击密集度。试验结果也表明，使用高低锁杆后的某多管火箭炮射击密集度水平较高，从侧面证明了高低锁杆所起的作用，说明这种高低锁杆结构合理，可以推广应用到其他多管火箭炮上。

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