变径炮塔拆装台架结构设计与分析

邵 帅，闫鹏程，孙江生，张连武，邱文昊

(1.军械技术研究所，河北 石家庄 050000； 2.军械工程学院车辆与电气工程系，河北 石家庄 050003)

变径炮塔拆装台架结构设计与分析

邵 帅1,2，闫鹏程1，孙江生1，张连武1，邱文昊1,2

(1.军械技术研究所，河北 石家庄 050000； 2.军械工程学院车辆与电气工程系，河北 石家庄 050003)

针对自行火炮炮塔维修拆装台架种类冗杂、通用性不强和野战性能差等问题，提出了一种导轨式变径炮塔拆装台架设计方案。采用SolidWorks对拆装台架进行了总体设计，并对拆装台架的变径方案进行了具体设计；采用有限元分析方法对受力最大的台架托盘进行了应力分布和变形情况分析，验证了台架的强度、刚度等静力学性能。通过试验对台架功能和性能进行了验证，结果表明：该台架能够满足设计和使用需求。

炮塔； 拆装台架； 混合变径； 结构设计； 有限元分析

炮塔拆装台架是对自行火炮炮塔进行维修与保养的重要承载设备之一，主要用于炮塔水平与倾斜2种工况下的支撑任务。随着诸多新型号自行火炮列装部队，若基于型号开发炮塔拆装台架，则会造成种类冗杂、野战性能差以及占用大量维修空间等问题。因此，设计满足各种型号炮塔放置、倾斜以及身管后抽等功能的通用性拆装台架具有重要意义。

笔者在充分了解各类自行火炮炮塔尺寸和质量的基础上，为解决拆装台架通用性问题，对拆装台架进行变径设计，通过有限元分析方法对设计方案中受力最大的变径托盘进行应力、应变分析，为验证拆装台架设计的合理性提供理论依据[1]。最后，通过试验对台架的功能和性能进行验证。

1 拆装台架的总体设计

采用SolidWorks对拆装台架进行总体设计，拆装台架由六角式变径托盘、底座和偏置式固定支座组成。直导轨与斜导轨通过导轨间的连接组成六角式变径托盘，通过导轨间的相对滑动改变托盘的口径大小；底部槽钢平行放置，并通过调整槽钢连接构成工字型台架的底座。调整槽钢包括2段，分别与2根底部槽钢固定连接，2段调整槽钢开放端借助于螺栓连接，并且2段调整槽钢之间安装调整油缸，利用调整油缸对底部槽钢之间的距离进行配合调节，使其左右支架间的距离调节更方便、快捷；利用调整油缸与调整槽钢配合导轨滑动，共同实现台架的系统联动，完成台架的整体变径；设计了4组托板及上座圈托座(在图中并未显示)，满足所有现役火炮炮塔的放置、座圈保养以及身管后抽的需求。

为实现台架水平与倾斜2种工况下的平稳支撑，每根底部槽钢的两端分别竖直安装支撑油缸和限位支撑，在支撑油缸和限位支撑的中间偏置安装支撑支架，支撑构件与六角式变径托盘的对应侧2个长直导轨铰接，通过支撑油缸的升降带动限位支撑上下运动，使六角式变径托盘从平置到倾斜都能稳固地支撑炮塔。拆装台架总体设计如图1所示。

图1 拆装台架总体设计

2 拆装台架的变径设计

由于拆装台架的托盘直接与炮塔接触并对其进行支撑，因此，拆装台架若要适用于多种型号的炮塔，首先就要实现托盘的变径。参考机床导轨的设计，笔者提出将托盘设计为滑动导轨的形式，通过滑动导轨之间的相对滑动来实现托盘内径的变化。导轨按截面形状不同，可分为V形导轨、矩形导轨、圆柱形导轨和燕尾形导轨等。各类型导轨的优缺点如表1所示。

变径托盘的导轨类型不同于普通机床导轨，托盘所受力为炮塔对其导轨施加的侧向力，且受力较大。通过比较表1中4种导轨类型，笔者选择以闭式矩形导轨为基础进行改进。为增大接触面积、减小导轨所受应力，将导轨侧面倾斜一定角度，同时倾角又不宜过大，这是由于竖直分量不变，倾角过大会造成接触面受力过大，因此，将导轨设计为倾角20°的倒梯形形状[2]，如图2所示。

表1 各类型导轨的优缺点

图2 导轨截面形状

在进行导轨设计时，应尽量减小导轨所受的倾斜力矩，即减小推力与导轨轴线的倾角，这样才能使摩擦力减小、灵活性提高。假设推力F与导轨轴线平行，并且距离为h，如图3所示。其中：Fa为摩擦阻力；N1、N2为导轨在两端点处的正压力；f为摩擦因数。

图3 导轨受力图

根据平衡条件可得

(N1+N2)f+Fa-F=0，

(1)

N1-N2=0，

(2)

(3)

式中：d为运动件导轨厚度，由于其值较小，因此可以忽略不计。

联立式(1)-(3)，解得

(4)

若使运动件能够运动，则须使

即

(5)

由式(5)可知：当f为定值时，只有尽量减小h、增大L，才能减小运动件在运动过程中所受的阻力[3]。由于导轨运动以推力为主，因此应适当加长导轨面长度。最终设计的导轨形状如图4所示，将导轨两端进行延长并设有螺孔，既有利于减小运动过程中所受的阻力，又有利于与导轨槽进行固定。

图4 导轨形状

变径托盘由4个滑动导轨、带有滑槽的2个长导轨、2个短导轨，以及4个托板1和2个托板2组装而成，其主要结构尺寸设计为：长导轨长L1=1 700 mm；短导轨长L2=1 640 mm；滑动导轨长L3=1 126 mm，宽b=160 mm；两侧矩形导轨成直角，钢材厚t=10 mm，用于支撑内径1 388～2 402 mm的炮塔。变径托盘组装图如图5所示。

图5 变径托盘组装图

托盘实现了台架上半部分的变径，底部调整油缸与调整槽钢如图6所示，将左右支架连接起来，通过油缸伸缩与槽钢螺孔固定位置的变化来改变左右支架间的距离，实现整体台架的变径，能够满足12种炮塔的需求。

图6 调整油缸与调整槽钢

最终设计的六角式倒梯形滑槽液压炮塔通用拆装台架具备以下5个特点：

1)设计的六角式倒梯形槽滑轨切向滑动和托板径向滑动(如图5中双向箭头所示)的变径结构实现了有级、无级混合变径调节，其中，滑轨切向滑动为有级调节，可实现大直径差调节，托板径向滑动为无级调节，可实现小直径差调节，调节范围满足12种炮塔的直径要求，实现了台架的通用性。

2)设计的双固定支座微偏置中点支撑、单侧油缸升降倾斜(如图1中双向箭头所示)的偏置式固定支座结构不仅支撑稳定性好，而且倾斜托盘时油缸推力小、行程短、操作轻便。

3)设计的倒梯形滑槽结构(如图2所示)在六角式托盘变径时能够自动定心，且定心精度高，拆装调整方便。

4)设计的六角式倒梯形滑轨变径托盘支撑托板多，支撑力均匀；托板承载面平面度较高，支撑精度高。

5)设计的底座变径调节采用液压缸动力变径的方式(如图6所示),更加方便、省力。

3 变径托盘的有限元模型

在对自行火炮炮塔进行维修与保养时，整个火炮质量全部施加在六角式变径托盘上，若火炮尺寸较大，则易产生应力集中，最易发生事故。为验证变径托盘刚度和强度是否满足要求，建立了变径托盘的有限元模型。

3.1 材料参数和尺寸的确定

在有限元分析中，材料特性参数的准确性将对仿真效果和计算结果的真实性产生很大影响[4]。45钢为结构钢，综合力学性能良好，硬度不高，易切削加工，具有较大强度，韧性和塑性较好，焊接性能较差，广泛应用于各种重要的结构零件。由于拆装台架承载数吨重炮塔，对材料力学性能要求较高，因此该设备结构采用45钢。

3.2 网格划分

利用ANSYS Workbench进行应力、应变分析时，无需对单元类型进行定义，软件会自动对所导入结构形状进行单元类型选择[5]。网格尺寸“Sizing”控制平均单元边长50 mm，进行自由网格划分，共有节点225 985个、单元116 159个。变径托盘网格模型如图7所示。

图7 变径托盘网格模型

3.3 约束与载荷的确定

变径托盘受力分静止与顶升2种情况。变径托盘在被液压缸顶升时速度缓慢，其动力特性对结构的影响远小于边界条件的改变对结构的影响，故分析时变径托盘任一时刻的受力可看作静态受力[6]。拆装台架分为水平与倾斜2种承载状态，其最重承载为某型6.5 t炮塔，笔者对其进行静力学分析。

变径托盘长导轨与支撑油缸、支撑支架、支撑柱通过螺栓进行连接，如图8中A、B、C处所示，为简化计算，在其连接点处施加固定约束，使自由度完全约束。

图8 水平工况受力图

台架所受载荷主要包括炮塔载荷与自重载荷2部分。炮塔直接与托盘6块托板接触，由于炮塔重心偏向前部，后面2块托板受力极小，因此可以忽略不计；在前部和中部托板上施加载荷，由于变径托盘质量较大，因此自身载荷不可忽略。在进行有限元分析时选择Standard Earth Gravity，ANSYS Workbench会按照9.806 65 m/s2的重力加速度在变径托盘的各个单元上施加均布载荷[7]。将上述载荷与约束施加到变径托盘上，得到其水平与倾斜2种工况下示意图,分别如图9、10所示。在水平工况下，经计算，某型火炮水平放置载荷分布情况如表2所示。

图9 水平工况施加约束与载荷示意图

图10 倾斜工况施加约束与载荷示意图

序号施加位置载荷/N1滑动导轨上托板(2处)11350.282长导轨上托板(2处)20499.713自重载荷10194

在倾斜25°工况下，炮塔通过螺栓固定于托盘上托板，由于炮塔倾斜产生的下滑力会造成额外载荷，分为垂直于托板的正应力与平行于托板向下对螺栓的剪应力。由于托盘倾斜角度较小，且托板与炮塔之间存在静摩擦，因此剪应力值较小，为简化，计算其正应力与剪应力的合力，即炮塔重力所产生的竖直方向的力所产生的载荷，经计算，某型火炮倾斜放置载荷分布情况如表3所示。

表3 某型火炮倾斜放置载荷分布情况

4 拆装台架静力学分析

由于静力学分析是结构分析的基础，因此笔者对拆装台架水平与倾斜25°两种工况进行有限元静力学分析。

1) 水平工况分析

通过Workbench后处理器对台架处于水平工况时进行有限元静力学分析，得到应力、位移云图分别如图11、12所示。由于导轨连接处所有力都集中在滑块与导轨槽接触处，因此，此处产生最大应力128.47 MPa，如图13所示。由于45钢的屈服强度δs=355 MPa，对于塑性材料，取安全系数为2，计算许用应力[δ]=355/2=177.5 MPa。经试验分析，当拆装台架变形量小于1 mm时符合弹性变形条件，因此，最大变形量应小于1 mm。由于最大应力δmax=128.47 MPa<[δ]，因此台架的设计满足强度要求[8]。从图12可以看出：最大位移发生在前侧短导轨中间部分，约0.751 mm，小于变形量1 mm的要求，因此台架的刚度满足要求，是安全的。

图11 水平工况应力云图

图12 水平工况位移云图

图13 滑动导轨应力云图

2)倾斜25°工况分析

台架倾斜25°工况时应力、位移云图分别如图14、15所示，与水平工况类似，最大应力与最大位移处位置不变。但由于火炮重心偏于前侧，加之下滑力影响，因此倾斜25°工况下最大应力与位移稍大于水平工况。在此工况下，由于最大应力δmax=133.18 MPa<[δ]，因此台架的设计满足强度要求；最大位移约0.792 mm，小于变形量1 mm的要求，因此台架的刚度满足要求，是安全的。

图14 倾斜25°工况应力云图

图15 倾斜25°工况位移云图

由以上分析结果可知：该设计方案在承载该型火炮炮塔工况下，应力与位移均在合理范围之内，满足承载要求。

5 试验验证

为验证所设计台架的性能与功能是否满足设计要求，笔者对其进行了承载模拟炮塔工装额载试验以及实装功能试验。为了准确掌握台架的应力分布情况，验证有限元计算结果，在水平、倾斜25°两种工况下，对台架进行静态电测试验[9]，选择出台架的31个关键测试点，如图16所示。

将电阻应变片黏结在这些测试点，进行承载模拟炮塔工装额载6.5 t、承载12 h的应力测试[10]，如图17所示，台架在外力的作用下会产生变形，此时，电阻的应变值会产生相应的变化，利用电阻应变仪测出电阻的改变并换算成应变值显示出来。

通过计算，得出各测试点应力情况如表4所示。

图16 关键测试点

图17 承载模拟炮塔工装额载试验

可以看出：水平工况下最大应力为140.3 MPa，倾斜25°工况下最大应力为149.9 MPa，均小于材料的许用应力177.5 MPa，满足材料的静力学性能。最后，对该变径炮塔拆装台架进行了实装功能试验，结果表明：该拆装台架能够满足各种自行火炮炮塔的放置、倾斜以及身管后抽等功能需求。

表4 各测试点应力情况 MPa

6 结论

为了满足不同型号自行火炮炮塔维修与保养的需求，笔者设计了一种导轨式变径炮塔拆装台架，对受力最大的台架托盘进行了静力学分析，结果表明：所设计的台架静态刚度和强度满足要求。对台架进行了承载模拟炮塔工装额载试验以及实装功能试验，结果表明：所设计的台架能够满足不同型号炮塔维修保障需求，达到了设计要求，解决了以往台架通用性不强、机动性差等问题，为其他维修设备的设计与改进提供了参考。

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(责任编辑: 尚彩娟)

Design and Analysis of Adjustable Turret Disassembly Platform Structure

SHAO Shuai1,2,YAN Peng-cheng1,SUN Jiang-sheng1,ZHANG Lian-wu1,QIU Wen-hao1,2

(1.Ordnance Technical Research Institute,Shijiazhuang 050000,China;2.Department of Vehicles and Electrical Engineering,Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

To solve the problems of miscellaneous type,poor versatility and field performance for turret maintenance disassembly platform of the self-propelled gun,a design scheme of rail type adjustable turret disassembly platform is put forward.SolidWorks is used for the overall design of the platform and variable diameter solutions of the disassembly platform are developed for the details.The stress distribution and deformation of the pallet with the largest force are analyzed by the finite element analysis method.The static mechanical property of the platform is verified.Function and performance of the platform are verified through the test,and the result shows that the bench can meet the design and operation requirements.

turret; disassembly platform; mixed variable diameter; structure design; finite element analysis

1672-1497(2017)01-0055-06

2016-12-05

军队科研计划项目

邵 帅(1993-)，男，硕士研究生。

TJ307

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.012