火炮反后坐快速回缩系统研究

王蕾，张尧禹，张雪峰，冯进良

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

随着科技的不断进步与发展，现代设计技术也不断与机械设计技术相结合。越来越多的现代检测系统应用于现代国防，航天、航空科技领域以及海上设备。本文主要针对火炮反后坐装置检测的要求，设计了确保施力安全的快速回退装置。系统通过弹性蓄能装置以及回缩牵引装置，保证在火炮复进时施力推杆速度大于火炮复进速度，保障设备安全以及后续检测的进行。

1 快速回缩系统组成

快速回缩系统组成如图1所示。此系统包括以下几个分系统：锁紧装置，弹性蓄能装置以及回缩牵引装置等。

图1 快速回缩系统组成图

1.1 锁紧与解脱装置

锁紧与解脱装置由基轴套、锁紧轴套、直线轴承、锁紧钢球、锁紧铜柱、弹簧、锁紧座法兰盘、导向定位坐、锁紧与解脱油缸等组成，如图2所示。

图2 锁紧与解脱装置结构图

锁紧钢球嵌入锁紧铜柱两侧的凹槽里，通过锁紧与解脱油缸的前后运动带动锁紧套前后运动，锁紧套的斜切面压缩外侧锁紧钢球，间接的压缩锁紧铜柱及内侧锁紧钢球，使内侧锁紧钢球嵌入锁紧轴筒的环形槽内，完成通过锁紧套的轴向运动带动锁紧钢球及锁紧铜柱的径向运动，达到锁紧的目的。解脱则相反。

1.2 回缩牵引装置

本文中设计回缩牵引装置与弹性蓄能装置蓄能时的动力装置为同一装置，在锁紧机构释放时启动，拖拽牵引施力推杆，使其保持大于火炮复进运动的速度缩回活塞杆空腔。回缩牵引装置包括异步电机、绕线轮、电磁离合器、惯性轮和逆止器几部分。回缩牵引装置拖拽钢丝带动施力推杆回缩。如图3所示。

1.3 弹性蓄能装置

惯性轮的应用起到消除电机启动时的短暂爬行时间的作用，但是回缩牵引装在锁紧解脱到正式产生牵引力仍存在时间间隙，系统无法消除，需在回缩系统中添加蓄能装置，使施力推杆在锁紧释放时获得初始加速度，保证火炮反后坐装置的检测能够顺利进行。此装置采用的是高刚度双芯拉伸弹簧，其回缩速度快，稳定性高，造价经济合理。

2 快速回缩系统的工作过程

施力推杆快速回缩装置各部分工作过程为：

（1）人工将施力推杆从液压活塞杆的空腔中拉出到达锁紧预定位置，但此时并未完全锁紧，并保证活塞杆、施力杆以及被测火炮身管的同轴度。

（2）液压站启动控制薄型油缸释放，完成施力推杆与液压活塞杆的锁紧工作。液压站控制液压活塞杆伸出，带动推杆对被测火炮实现人工后坐过程，达到预定位置时，活塞杆保持静止状态。此时可对火炮各参数进行测量和检查。

（3）当需要被测火炮自由复进时，对蓄能装置进行蓄能。基于安全性和可操作性考虑，采用人工蓄能方式。逆止器由棘轮和棘爪，锁紧螺母，直线电机等组成。锁紧螺母与绕线轮轴保证无相对运动，人工转动螺母带动绕线轮进行绕线。拉伸弹簧进行蓄能。直线电机启动，控制棘爪卡死棘轮，保持弹簧蓄能状态。

（4）电力控制机械工作进行，将EM235模块输出切换到变频器，并设置初始零状态；按下一键回缩键；准备工作完成。启动变频器同时延时8s，电机启动并逐步达到2295r/min转速。电机带动惯性轮高速旋转，当需要释放施力推杆，使火炮自由复进时，吸合电磁离合器，打开逆止器，绕线轮在电机的带动下高速收线，弹簧由拉伸状态瞬时恢复初始状态，弹性势能使得施力推杆获得较大回缩加速度。保证施力推杆回缩速度大于火炮自由复进速度。由此完成快速回缩过程。快速回缩系统示意图如图4所示。

图4 快速回缩系统示意图

3 技术难点与问题解决

3.1 技术难点与创新

锁紧与解脱装置设计：锁紧套上带有12°的倒角，锁紧轴筒上开有U型槽，锁紧铜柱和锁紧钢球以及弹簧放入基轴套上开的孔内，且锁紧铜柱的两侧各安放一个锁紧钢球，中间用弹簧相隔，锁紧铜柱、锁紧钢球以及弹簧可在基轴套上的孔内运动且不卡簧。当内侧钢球进入锁紧轴筒的U型槽，带倒角的锁紧套在锁紧和解脱油缸的带动下向右方运动，就会压紧外侧钢球以及弹簧，使得内侧钢球卡在U型槽内进行锁紧。而若想解脱，用锁紧和解脱油缸带动锁紧套向左运动，锁紧铜柱及锁紧钢球没有力的作用，可轻松的从锁紧轴筒的U型槽中退出，进行解脱。

设计中采用直径为12cm的淬火钢球对施力推杆进行锁止。当后坐施力达到最大250kN时，对淬火钢球进行受力校核，由结构分析得出受力示意图如图5所示。

图5 钢球推力大小计算

由图5可知，钢球所受的径向推力为：

其中，F—火炮后坐力；F1—施力杆对钢球的径向推力。在此受力状况下对锁紧钢球进行应力分析，分析结果如图6所示。

图6 锁紧钢球应力分析

由图6可知，当施力达到设计最大值250kN时，钢球所受的应力大小约为468.1MPa，钢球的形变最大为0.0035mm，其材料受力未达到其弹性极限，属于弹性变形，可以满足系统最大施力要求。

3.2 问题分析与解决

在回缩牵引装置进行安装时，务必保证各部件的同轴度，例如电磁离合器两部分的安装等。否则电机驱动装置时无法实现惯性轮、绕线轮的同步运转，当电机高速运转时会出现较大晃动，需要对于装置的稳定可靠性进行考虑。

施力推杆在快速回缩装置的带动下，沿直线轴承高速回缩，应设有缓冲装置。故当到达行程位置时，通过一级缓冲杆压缩缓冲弹簧进行缓冲；一级缓冲杆缩进后，由材料为聚氨酯的二级缓冲块继续缓冲，使施力推杆平稳缓冲，减小高速回缩杆对人工后坐装置本身的冲击。

转动速度分析：推杆后退速度指标是12m/s，绕线轮的直径设计为100mm，电机转速为：

因此，转速达到2293r/min的电机即可满足要求。

功率与能量分析：由于弹性势能器及惯性轮的能量积蓄，快速回缩装置中异步电机需提供维持施力推杆的回缩速度，其力矩与系统摩擦阻力有关。施力推杆回缩时沿直线轴承运动，为滚动摩擦，估算摩擦力为0.05kN，装置采用回缩绕线轮直径为100mm，则由此产生的力矩为：

施力推杆回缩速度的控制也是设计的重点之一。由于火炮身管与施力推杆间存在相互作用力，在满足回缩加速度的基础上，防止速度过大，对液压设备造成冲击伤害。

4 试验结果分析

最后对装置进行试验，采用英国进口的STM系列激光测速测长仪完成测试。按照人工后坐装置的工作流程进行操作，当施力推杆由锁紧状态释放时，对施力推杆的回缩速度进行测量，测试结果如图7所示。

由图7可知，施力推杆在没有火炮施加弹性势能的情况下可达到9.2m/s的回缩速度。经计算，若火炮提供施力推杆0.4kN的推力，克服施力推杆初始惯量，由快速回退执行装置提供后续能量，可满足系统要求。

图7 时间—速度曲线图

5 结论

由上述试验结果分析可知，施力推杆瞬时加速度很快，最高速度可达9.2m/s。在火炮发射时施加外力以及高刚度双芯拉伸弹性提供弹性势能的情况下，能够满足系统12m/s的速度指标。在对火炮反后坐装置检测时，足以保证设备的安全与检测的正常进行。实验结果证实了系统的可行性与可靠性。

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