火炮高低齿弧力的动态测试及分析

张世全

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)



火炮高低齿弧力的动态测试及分析

张世全

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

为准确计算和判断火炮高低齿弧的动态受力，减小工程类比计算产生的误差，避免出现设计强度不足的问题，以某火炮为对象，介绍了一种通过应变测试得出高低齿弧力的方法，给出了在后坐阻力、平衡性能和排空回方向等不同条件下高低机主轴扭转应变的动态响应测试曲线。测试结果表明：火炮后坐期间高低齿弧力曲线存在波谷与波峰的交替，最大值发生在后坐终止点；与测试算值相比较，传统计算值存在很大的误差；高低齿弧受力的动态测试值，可为确定火炮高低机射击载荷和优化结构设计提供可信数据。

火炮；高低机；齿弧力；动态测试

火炮射击时，高低齿弧在瞬态强冲击作用下所受动态力的大小和方向难以准确计算,严重时会发生高低机齿弧牙齿折断的现象[1]。工程实际中常采用传统算法或类比法计算齿弧力，但由于类比对象间的总体特性和结构参数存在差异，使计算结果产生很大误差并给结构设计带来了难度。

笔者以某火炮为对象，通过应变法所测数值来分析高低齿弧在后坐过程中的受力状态，并与传统计算法进行比较，为火炮高低机的设计提供参考。

1 传统算法

1.1 算法简述

高低齿弧力的传统计算以起落部分为分析对象，考虑了动力偶矩、后坐合力矩和不平衡力矩的影响而推导出来的。高低齿弧力F的计算公式为[2-3]：

(1)

式中：F为高低齿弧力计算值；Ppte为动力偶矩；FR为后坐合力，与后坐阻力数值大小相同；d为后坐部分质心与耳轴中心之间的距离；ΔM为不平衡力矩；Q0为后坐部分质量；X为后坐行程；ρ为高低齿弧节圆半径；φ为射角；γ为齿弧啮合压力角。

通常计算射角φ=0°及φ=φmax时最大膛压点、最大后坐阻力点和后坐终止点的F值，并取其最大者作为作用在高低齿弧上的最大载荷。

1.2 存在问题

传统算式的推导是建立在架体和地面绝对刚性、架体间无间隙接触、射击作用力处于射面内、全炮处于静止平衡状态等假设条件基础上，未考虑火炮射击稳定性和固定性对高低机的动载影响，也未考虑弹丸对不平衡力矩等的影响。即便在该假设条件下，采用式(1)计算也存在以下主要误差：

1)动力偶矩的理论值与实际值存在差异，计算中常采用修正系数。

2)e值的设计值和实际值存在差异，尤其对口径倍数较大的长身管，测试e值同样具有一定误差，且在水平和高角状态由于身管重力对e值的影响不同[4]，甚至e值很小时不同射角存在作用方向相反的情况。

3)d值与身管导向间隙和支撑位置等有关，同样存在数值误差。

4) FR值的实际值与设计计算值存在较大差异。

5)各力矩动态变化，在某一动态时刻的实时值难以准确求得。

2 测试方法

鉴于传统计算方法中诸多误差影响，笔者通过分析高低机主轴的应变类型，确定电阻应变贴片方式和组桥方式，测试高低机主轴的工作状态，根据测试数据获得高低齿弧力F的数值大小。

火炮在俯仰瞄准过程中，高低机主轴仅受到不平衡力矩产生的作用。而在射击过程中高低机主轴受弯曲、扭转和轴向力的合成作用。在扭转-弯曲-拉伸组合受力状态下，需测取扭转主应变时，应变片的布片如图1和图2所示。接桥方式如图3所示，电桥形式为全桥相邻臂，温度补偿为互为补偿，输出应变值为所测应变值的4倍[5-6]。

在高低机主轴受扭端圆周成180°方向各取2点，分别与轴线成±45°的方向上贴2个应变片，电桥输出为

(2)

式中：U1为电桥输出电压；U0为供桥电压；K为应变片灵敏系数；εY为应变仪读数。

由于拉压和弯曲应变已经由电桥自动消除，而在与轴线成45°方向上扭矩作用产生的实际应变εn与应变仪读数εY的关系为εY=4εn。

所测扭矩为

(3)

高低齿弧力的测试值为

(4)

式中, ρ′为高低机主轴啮合齿节圆半径。

3 测试结果及分析

试验时保持动力偶矩和射角不变，通过对不同后坐阻力值、不同平衡性能和不同排空回方向的影响分别测试并分析不同高低齿弧力的动态变化规律。

3.1 后坐阻力的影响

在单纯考虑后坐阻力的影响时，选择同样平衡性能的工况进行验证，测试了在不同后坐阻力规律作用下高低机主轴应变的变化情况。后坐阻力FR值(用制退机主工作腔压力曲线表示)与高低齿弧力(用高低机主轴的扭转应变εY表示)的对应变化曲线见图4。图中曲线1表示高低齿弧力作用于高低机主轴的扭转应变εY，曲线2表示制退机主工作腔压力。

从图4可以看出，膛内时期扭转应变曲线向下表示高低齿弧(前侧外啮合)相对高低机主轴向下运动(即高低齿弧力斜向上)。当制退机主工作腔压力(即后坐阻力)达到最大时，应变曲线达到谷值。之后应变曲线向上表示高低齿弧相对高低机主轴向上运动(即高低齿弧力斜向下)。当后坐终止时应变曲线向上运动达到峰值(即在此刻高低齿弧力达到最大值)。

图5表示了不同后坐阻力所对应的高低机主轴扭转应变曲线，其中曲线1表示炮口点低后坐阻力对应的膛内时期高低机主轴扭转应变曲线;曲线2表示炮口点高后坐阻力对应的膛内时期高低机主轴扭转应变曲线。从图5可以看出，两种不同炮口点后坐阻力，对高低齿弧力的影响在膛内时期存在差异，此后的变化趋势及数值的差异性不大(图中未列出曲线)。即炮口点后坐阻力大的，膛内时期高低齿弧力的变化幅度和对应数值也大。这一结论证实了降低炮口点后坐阻力对减小膛内时期高低齿弧受力和起落部分振动是有利的。

3.2 排空回方向的影响

在保持同样后坐阻力规律的条件下，验证排空回方向对高低齿弧力的影响。图6表示不同排空回方向对应高低机主轴扭转测试应变在膛内时期的变化情况，其中曲线1和2分别表示在过平衡条件下向下和向上排空回时高低机主轴扭转测试应变在膛内时期的变化情况。图7中的3条曲线分别表示在欠平衡条件下向上排空回和向下排空回对应高低机主轴扭转测试应变在膛内时期的变化情况。表1列出了几种不同条件下高低机主轴扭转应变的对照情况。

表1 不同条件下高低机主轴扭转应变的对照情况

可以看出，对外啮合齿弧式高低机来说，采用向上排空回时，不管平衡机的性能如何，膛内时期扭转应变的变化趋势基本相同，并存在明显的抖动现象。而采用向下排空回时扭转应变的变化相对平缓，尤其在过平衡状态下变化更加平稳。这一结论对指导火炮瞄准操作方式以提高射击精度有重要意义。

3.3 平衡性能的影响

选择同样后坐阻力规律的工况，测试在ΔM>0(过平衡)和ΔM<0(欠平衡)2种不同平衡性能条件下高低齿弧力的变化情况，其测试曲线如图6所示，其中曲线3表示欠平衡，曲线2表示过平衡。

由于欠平衡与过平衡在射前存在差异，如保持火炮排空回方式等操作相同的情况下，结合表1可以看出，2种不同平衡性能对高低机主轴应变(即高低齿弧力)的影响在后坐复进过程中几乎没有明显差异(图6曲线仅表示了膛内时期)。

3.4 测试算值与传统算值的对比

取某火炮的相关参数采用式(1)来计算欠平衡状态下的高低齿弧力，与测试后用式(4)得出值的对比如表2所示。

表2 高低齿弧力测试算值与传统算值对比

以不同炮口点后坐阻力和后坐终止点出现高低齿弧力最大值的几种情况进行对比具有一定代表性。从表2可以看出，测试算值与传统算值二者之间不仅在力的大小上而且在力的方向上均存在很大差异性；另外降低炮口点后坐阻力对炮口点高低齿弧力产生一定影响，但对最大齿弧力的影响不大。因此尽量取得试验测试值来减小结构设计的盲目性，以指导提高理论优化仿真的真实性。

4 结论

通过高低机主轴应变测试曲线及数值的分析，得出以下几点结论：

1)通过应变法测得高低机主轴的扭转应变进而得出高低齿弧力的方法是可行有效的。

2)在后坐期间高低齿弧力曲线存在波谷与波峰的交替，在后坐终止点达到最大值。证实了降低炮口点后坐阻力和合理的高低瞄准排空回方向对减小膛内时期高低齿弧力和火炮振动是有效的。

3)传统算值与测试算值相比较，存在很大的误差。因此在设计高低机时需注意计算的差异性，尤其在确定高低机缓冲装置的载荷时需进行必要的测试。

4)通过测试给出了高低齿弧受力的动态响应，即高低齿弧力值随后坐时间的真实变化规律，从而可以准确地指导高低机优化设计和部件工作的性能评估，也为系统分析火炮起落部分受力提供了可靠的动态载荷谱。

References)

[1]张玉峰，周仁斌.火炮高低机齿弧牙齿折断的焊接修复[J]. 焊接，1997(11)：23-24.

ZHANG Yufeng,ZHOU Renbin. Broken teeth of gun elevating arc repaired by welding[J]. Welding & Joining，1997(11)：23-24. (in Chinese)

[2]华恭，伊玲益.炮架设计[M].北京：国防工业出版社，1982：11-28.

HUA Gong，YI Lingyi. Carriage design of gun[M].Beijing：National Defence Industry Press,1982：11-28.(in Chinese)

[3]曾建民，谭人仁.某型迫榴炮高低齿弧的受力分析及强度计算[J].四川兵工学报，2005，26(5)：26-28.ZENG Jianmin，TAN Renren.Force analysis and stress calculation of elevating arc for a-model mortar-howitzer[J]. Journal of Sichuan Ordnance,2005，26(5)：26-28. (in Chinese)

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WANG Baoyuan，ZHOU Faming,WU Huimin,et al.Gravity effect on the measurement and calculation of dynamic arm of couple for gun system[J]. Journal of Test and Measurement Technology,2013, 27(3):208-212. (in Chinese)

[5]张洪润.传感器技术大全(下册)[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：1550-1620.ZHANG Hongrun.Encyclopedia of sensor technologies：Vo-lume Ⅱ[M].Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press,2007：1550-1620.(in Chinese)

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Analysis and Measurement of Elevating-arc Force in Gun Firing

ZHANG Shiquan

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

In order to accurately calculate and judge dynamitic load of the gun elevating mechanism and to reduce the error of engineering practice analogism as well as to avoid the inadequacy in strength design, a test method was introduced with a certain type of gun as an example to provide torque strain curves of elevating mechanism shaft in difference recoil resistances, equilibrator performances and engagement positions. The assessment results show that there exists the alternation of wave crest and wave trough in elevating-arc force curve during recoil of gun, and that the maximum value for force of the elevating mechanism appears at the end of recoil, and that there are errors between the traditional calculation values and measurement ones. The credible datum were got for determining firing loads and optimizing design of the elevating mechanism by analyzing test datum in recoil process.

gun; elevating mechanism; elevating-arc force; dynamic assessment

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.019

2015-06-08

张世全(1971—)，男，研究员级高级工程师，主要从事火炮总体技术研究。E-mail：zsq202202@sohu.com

TJ303

A

1673-6524(2016)03-0088-04