转管炮弹簧-金属橡胶缓冲器后坐特性研究

李回滨，袁志华，韩 铁，胡 明

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.中国人民解放军92840部队，山东 青岛 266405)

转管炮弹簧-金属橡胶缓冲器后坐特性研究

李回滨1，袁志华1，韩 铁2，胡 明1

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.中国人民解放军92840部队，山东 青岛 266405)

转管武器由于射速高、后坐特性复杂，所以减小后坐阻力、提高射击精度成为提高转管武器系统性能的重要研究课题。设计了一种采用新型材料金属橡胶作为主要阻尼材料，具有高效缓冲性能的环形弹簧作为主要弹性元件的转管炮缓冲器，建立了转管炮后坐运动微分方程，利用MATLAB对缓冲器金属橡胶在不同形状因子情况下对后坐的影响进行仿真分析，得到金属橡胶形状因子与其刚度系数成反比。仿真结果表明：加载金属橡胶的缓冲器能更好地减小转管炮后坐阻力，金属橡胶对于提高转管炮射击精度和稳定性具有一定意义。

兵器科学与技术；转管炮；缓冲器；金属橡胶；后坐阻力

后坐力的大小直接影响武器的射击精度和射击稳定性，减小后坐阻力对减轻武器自身质量和提高作战机动性具有十分重要的意义[1]。转管武器由于采用了转管发射的原理，具有较高射频[2]，因此与同口径非转管武器相比，其后坐阻力会大很多，架体受力和变形也相应增大。尤其超高射速的转管自动机在射击时，经常会出现后坐位移很小并伴随着后坐位移叠加的现象，减小其后坐阻力显得十分困难。减小火炮后坐阻力的核心工作是设计性能优良的缓冲器，缓冲器的性能是影响火炮后坐阻力大小的关键因素。优良的缓冲器能够有效地缓冲火炮发射时产生的反作用力[3]，使火炮在射击时保持较好的后坐运动规律，提升火炮的战技性能和使用寿命。现有的缓冲器在降低后坐阻力方面的发展空间有限，已经无法满足转管炮的发展需求，逐渐成为提升转管炮武器性能的瓶颈。针对这一问题，在弹簧组合式缓冲器基础上，分析其设计结构，对比其在结构及性能方面存在的优缺点，设计了基于23 mm转管炮的新型弹簧-金属橡胶缓冲器，通过对缓冲器在转管炮射击过程中产生的后坐阻力和后坐位移进行优化分析[4]，重点研究了金属橡胶对于转管炮后坐特性的影响，得出了金属橡胶影响转管炮后坐特性的规律。将金属橡胶应用于转管炮缓冲器，增强缓冲器缓冲效果，对于大幅提升转管炮武器性能具有一定意义。

1 缓冲器结构及工作原理

弹簧-金属橡胶缓冲器主要工作部件由环形弹簧、金属橡胶、摩擦块及缓冲器壳体等组成，其结构图如图1所示。

缓冲器壳体部分与转管炮炮架相连，连杆通过耳环和火炮后坐部分相连。转管炮射击时，后坐部分带动连杆向后运动，调节螺母离开右端垫片，连杆通过垫片压缩环形弹簧，同时压缩金属橡胶。环形弹簧和金属橡胶在挤压过程通过摩擦消耗大量能量，同时储存部分能量。后坐过程摩擦块由于锥型套的挤压与缓冲器内壁发生摩擦，也消耗部分能量。火炮复进时方向发生变化，环形弹簧和金属橡胶释放储存的能量，摩擦块和金属橡胶起到减振作用。

2 转管炮后坐运动微分方程

转管炮射击时后坐部分所受主动力、约束反力和阻力构成了一个空间力系[5]。建立运动方程时，需要进行简化，现对转管炮做如下基本假设：

1)忽略弹丸作用于膛线导转侧力矩Mx，该力矩只在弹丸在膛内运动时期起作用，且在后坐方向运动较小。

2)射击时所有力均作用在射击平面内。

3)忽略自动机内部摩擦、撞击等能量的耗损。

4)后坐部分和炮架均为刚体，且炮架部分固定不动。

5)转管炮射击时只沿直线后坐和复进，不会前后摇摆。

6)膛底合力作用在炮管中心线上。

7)缓冲弹簧力作用在缓冲器中心线上。

在这些假设下，后坐部分运动便成为平面力系内刚体动力学问题。以炮膛轴线为x轴，受力图如图2所示。

根据牛顿第二定律推导出后坐运动微分方程为

(复进 ,x>0,v<0)

(1)

(复进,x>0,v<0)

(2)

(前冲,x<0,v<0)

(3)

(返回,x<0,v>0)

(4)

(5)

(6)

Fm=Fz+Ft

(7)

式中：m为后坐部分质量；k为弹簧刚度；x为后坐位移；F0是弹簧预压力；Fpt是炮膛合力；mg是后坐部分重力；kx是弹簧阻力；Fm是后坐时的摩擦力的合力;Fz是摩擦块与缓冲器尾体的摩擦力；Ft是反后坐装置与导轨的摩擦力；Fx是金属橡胶力；Es为金属橡胶材料弹性模量；ρ*为金属橡胶材料密度；ρs为金属丝材料密度；S为金属橡胶受压面积；X为金属橡胶压缩量；L为金属橡胶原高度；K为金属橡胶刚度系数；A、B、C为修正系数，是通过大量试验拟合的参数，由形状因子α(即试件高度与承载面积之比L/S)确定。金属橡胶形状因子α和各项系数可准确预估力-位移的关系。空心圆柱形金属橡胶13种形状因子和各系数的关系可参考文献[6]。

3 金属橡胶形状因子对后坐特性影响

3.1 加载金属橡胶对缓冲器的影响

对金属橡胶缓冲器的单向性能试验数据分析[7]，如图3所示。

试验表明, 使用没有金属橡胶的缓冲器，火炮后坐阻力变化剧烈，炮身后坐位移最大行程180 mm，复进至80 mm停止，且未能完全复进到位。使用加载金属橡胶的缓冲器后后坐阻力变得平缓，后坐位移最大行程35 mm，重复性较好。对比试验数据可发现，使用的金属橡胶缓冲器能够有效承受较大冲击载荷，大幅度减小后坐位移。

3.2 金属橡胶形状因子对后坐特性的影响

根据前面推导出的后坐运动微分方程可以看出，环形弹簧、金属橡胶对转管炮后坐的影响很明显，根据环形弹簧和金属橡胶的材料特性，可以得出对缓冲器性能产生影响的因素有：环形弹簧刚度k、弹簧预压力F0和金属橡胶形状因子α。要研究金属橡胶对缓冲器后坐的影响规律，可设定k和F0这2个参数不变的情况下，分析金属橡胶形状因子变化时对转管炮后坐特性影响。

针对6 000发/min的高射速转管炮，最大后坐阻力不超过40 kN，后坐位移不超过20 mm，用MATLAB软件编写计算程序，求解模型，得到主要参数为：k=400 N/mm,F0=1 500 N,α=0.026 6。

根据上述参数，在α=0.026 6左右选择形状因子数值进行分析，参数设置如表1所示。

表1 金属橡胶形状因子

根据求得的后坐运动微分方程编写MATLAB仿真程序，金属橡胶因子分别为0.011 8，0.023 6，0.026 6，0.039 7时的后坐阻力-时间、后坐位移-时间曲线仿真结果如图4～7所示。

根据上面不同金属橡胶形状因子对后坐运动的影响，分析数据如表2所示。

表2 金属橡胶因子对后坐特性影响

从表2中数据可看出，转管炮后坐位移随着金属橡胶形状因子的增大而增加，这是因为随着形状因子增加，金属橡胶刚度系数减小。后坐阻力则随着金属橡胶形状因子增加而减小。当α=0.039 7时，最大后坐阻力反而增大，且稳定后两者相差不大，然而当α≤0.026 6时，从仿真数据来看，后坐位移的变化比较平稳，后坐阻力的变化也比较明显，因而当α≤0.026 6时，用于缓冲器时的缓冲效果最好。但是金属橡胶形状因子太大时，会使炮身在后坐初期受到较大冲击力[8]，后坐特性不符合设计要求；金属橡胶形状因子太小时，金属橡胶就起不到缓冲作用。

4 结论

通过用MATLAB软件编写程序对所设计的转管炮弹簧-金属橡胶缓冲器进行仿真分析研究发现：

1)金属橡胶应用于转管炮缓冲器上，可使后坐阻力变得平稳，并能有效减小后坐位移。

2)金属橡胶刚度与其形状因子成反比，形状因子增加，后坐位移增加，后坐阻力减小。

3)需要进一步研究金属橡胶的阻尼特性，以及探索金属橡胶与其他弹性元件组合作为小口径火炮缓冲器应用前景。

References)

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[6]李宇燕，黄协清.形状因子变化时金属橡胶结构的静态力学性能分析[J].应用力学学报，2009，26(1)：82- 86. LI Yuyan,HUANG Xieqing. Static characteristics for metal-rubber structure with different shape factor[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2009，26(1)：82-86. (in Chinese)

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[8]李玉龙，何忠波，白鸿柏，等.金属橡胶的研究及应用进展[J].兵器材料科学与工程，2011，34(1)：103-108. LI Yulong, HE Zhongbo, BAI Hongbai, et al. Advance in research and application of metal rubber[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2011，34(1)：103-108. (in Chinese)

Research on the Recoil Characteristics of the Spring-metalRubber Buffer of the Gatling Gun

LI Huibin1, YUAN Zhihua1, HAN Tie2, HU Ming1

(1. School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University,Shenyang 110159 , Liaoning , China；2. Unit 92840 of PLA , Qingdao 266405, Shandong, China )

For the Gatling weapon,due to its high firing rate and the complex characteristics of recoil,reducing the recoil resistance and enhancing firing precision becomes an important research topic for the improvement of the performance of Gatling weapon system.Designed was a buffer which makes use of new materials in metal rubber as the main damping material and the circular spring which has effective cushioning performance as the main elastic element with the recoil motion differential equation of the Gatling gun established.On the basis of the equation, with MATLAB used to simulate and analyze what happened when the shape factor of metal rubber was changed,it was derived that the shape factor of metal rubber is inversely proportional to its stiffness coefficient.The simulation results show that the buffer which loads the metal rubber can better reduce the Gatling gun recoil resistance.Consequently,there is a great significance for metal rubber to improve the firing precision and stability of the Gatling gun.

ordnance science and technology;Gatling gun; buffer; metal rubber; recoil resistance

2016-05-05

辽宁省教育厅高校科研基金(L2014076)

李回滨(1994—)，男，硕士研究生，主要从事武器系统设计及应用研究。E-mail：lhb1011040110@163.com

10.19323/j.issn.1673- 6524.2017.02.002

TJ303+.4

A

1673-6524(2017)02-0006-05