弹性胶泥缓冲器结构分析以及与火炮的结合

2015-12-29山西中北大学机电工程学院王伟苏铁熊仝志辉芮亮

河北农机 2015年1期

关键词：聚硅氧烷胶泥缓冲器

山西中北大学机电工程学院王伟苏铁熊仝志辉芮亮

弹性胶泥缓冲器结构分析以及与火炮的结合

山西中北大学机电工程学院王伟苏铁熊仝志辉芮亮

本文以弹性胶泥的特性分析为基础，把弹性胶泥缓冲器与火炮后坐相结合，代替火炮传统的制退机和复进机设备，实现了单设备的缓冲减震，并对其进行有限元分析，了解重要部件的应力分布情况。

火炮反后坐；弹性胶泥；缓冲器；ansys

前言

火炮反后坐装置的定义：在炮身与架体之间安装的、用来耗散和储存火炮射击时后坐能量并使炮身复位的结构部件[1]。传统的火炮反后坐装置由两部分组成——制退机和复进机，都在很大程度上使火炮的重量、结构和制造成本增加。此外，由于活塞杆复进时，液体的流速很低，制退机的节流孔产生的液压阻力很小，对复进运动的作用有限，为了避免后坐部分在复进到位时的冲击，在多数火炮上还需设置专门的复进节制器[1]。基于此，新型胶泥缓冲器的出现弥补了以上的不足，不仅自身设备能实现缓冲减震的目的，而且还由于其设备小，能更大程度地提高火炮的机动性，增加火炮的威力。弹性胶泥缓冲器的市场竞争力具有明显优势，我国正处于研发阶段，因此有必要对其进行深入了解。

1 胶泥介质

弹性胶泥的介质材料是一种有机硅化合物，主要由未交联混合物组成，其中一些包括聚硅氧烷、阻燃剂、抗压剂等等。聚硅氧烷便是其中最主要的原料，它是一种高分子化合物，以硅氧键(或称硅醚键)为特征，这些键是由彼此间隙的硅原子和氧原子相联系而成的链或环[1]，由硅氧键组成的键可以达到相当大的程度，而且稳定性特别高，难以破坏。这样分子链或环在运动时产生高阻尼效应，消耗外部动能，以达到缓冲的目的[2]。聚硅氧烷的分子在某种程度上和天然硅酸盐的分子相似。因为它相当于用烃基取代了硅酸盐分子的氢原子和金属原子，坚固的si-o键决定了聚硅氧烷具有绝大部分硅有机和硅无机的化合物所具备的特性，在高温或者低温下就特别稳定，又因为si-o键的化学键的键能大，所以对各种化学试剂也十分稳定[3]。

2 弹性胶泥缓冲器的组成结构以及工作原理

2.1 结构组成分析

据大多数国内外数据资料分析，弹性胶泥缓冲器包括如图1所示的组成结构：活塞、活塞杆、缸盖、密封圈、活塞缸等。

图1 弹性胶泥缓冲器示意图

2.2 弹性胶泥缓冲器在火炮运用中的工作原理

活塞杆和火炮后坐部分固连在一起，两缸中都充满了硅胶泥，并且胶泥都有一定的预压力。预压力不能过小，若太小的话，就不能使火炮回复到最初位置。相反，如果初压力选取过大，会使得缓冲器的最大吸收率减小。火炮发射后，产生向后的冲击波，当大于预压力后，活塞缸里的胶泥被压缩，胶泥通过活塞上的小孔以及缸壁和活塞的环形间隙向另一侧流动。这一过程中发生的摩擦力以及胶泥本身的内在运动都要消耗一部分动能，阻碍活塞向后运动，另一部分动能储存在弹性胶泥里（此时相当于传统火炮反后坐装置中的制退机）。当冲击波减小或消失以后，胶泥里的弹性势能释放，两缸中的胶泥都要恢复到初始状态，推动活塞杆以及活塞一起向前运动，使火炮复位，再次达到平衡位置（此时相当于传统火炮反后坐装置中的复进机）。

3 弹性胶泥缓冲器重要部件的有限元分析

从前面对弹性胶泥缓冲器工作原理以及结构分析可以知道，弹性胶泥缓冲器的所有零件中，活塞杆与活塞的受力为最关键的部件，以下是对这个零部件的有限元分析。

考虑到活塞杆的强度和刚度，活塞杆的材料一般用45、40Cr[4]。这里我们选择45钢作为分析对象，长度为 150mm，直径为 20mm。其中 45钢 ρ=7.89× 103kg/m3，泊松比λ=0.3，杨氏模量E=2.09×1011pa[5]。

3.1活塞杆的有限元分析的前处理

在ansys的前处理分析中，活塞上的细孔处应力集中较为明显，为了不影响整体分析的效果，对活塞以及活塞杆的倒角，细长小孔做了简化处理。在ansys中直接建立模型，并对其进行了网格划分。划分结果如图2所示。

图2 活塞以及活塞杆有限元分析模型

3.2 活塞杆及活塞的初步分析

图3 节点位移云图以及模型受压变形图

本文中活塞杆与火炮反后坐固连在一起，活塞与弹性胶泥直接接触，因此我们把活塞与胶泥接触的断面全约束，把活塞杆与火炮接触的断面给予压强为1800pa的压力，然后进行求解仿真，得出如下结果。图3为节点位移图以及活塞受力变形图。通过对图形（c）的分析可知，当活塞杆受压时，z向的最大变形量为0.113×10-5mm，微量的位移变形则不会影响活塞杆的正常工作。由图（a）和图（b）可知，在受压时，活塞的变形较为显著，因此，设计活塞时要选用合适的材料和结构尺寸。

我们将有限元分析的模型结果导入到这里，如图4所示，并对应力图的结果进行必要的讨论。

图4 模型的应力云图

由于x方向和y方向一致，因此我们只观测x方向的应力云图，从图（e）和图（f）中我们可以看出，与胶泥接触的地方应力相对较小，这正是我们希望看到的结果，当预压力过大时，也不会发生刚性接触，但是在活塞与杆的连接处，存在应力集中现象。因此我们在设计活塞与杆的联系时，尽量采用圆滑的过度，减少应力集中的影响，避免降低活塞杆和活塞的强度。