某舰炮射击振动对开闩抽壳过程影响的仿真与实验研究

王琳琳，秦奋起，赵飞，佘博

(1.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015；2.海军工程大学 兵器工程学院，湖北 武汉 430000)

火炮开闩抽壳机构是发射系统的重要组成部分，其作用是在火炮射击过程中完成闭锁、击发、开闩、抽壳等动作[1-2]。某大口径舰炮采用复进开闩抽壳的方式，开闩和抽壳分别采用一套独立的模板来控制，通过安装在摇架上的两套模板的位置关系来匹配开闩抽壳的时机，抽壳后依靠抽筒子挂住闩体，等待下一发弹进膛。

由于开闩抽壳机构不可靠，该大口径舰炮在射击时多次发生提前关闩故障(抽壳后抽筒子未挂住闩体)，针对该问题，邵中年等[3]、付彩越等[4]找出了部分零件状态变化的原因；苏执阳等[5]通过运动学分析，研究了抽筒子与闩体在挂闩过程中相对位置和时间的匹配关系，从根本上找到了薄弱环节，提出了抽壳模板加长的改进方案；胡胜海等[6]采用动力学理论，定量地推出了抽筒系统的运动规律及碰撞载荷，谭波等[7]、倪路瑶等[8]、孙鹏等[9]对抽壳力和抽壳速度进行了仿真分析，但以上研究均未进行实验验证。

总的来说，现有的研究都未涉及射击振动对开闩抽壳过程的影响分析，实际火炮射击振动对各机构可靠性的影响不可忽视[10]。笔者采用仿真与实验相结合的方法，揭示了该舰炮射击振动对开闩抽壳机构的重要影响，研究方法和结论对新型舰炮的研制有较大的参考价值。

1 开闩抽壳原理及研究方法

1.1 工作原理

开闩抽壳机构如图1所示。

抽壳机构由安装在炮尾上的抽筒子、摇臂两套轴系及抽壳模板组成，开闩机构由安装在炮尾上的闩体、开闩传动轴系及开闩模板组成，抽壳模板及开闩模板分别固定在摇架的下方及侧面，开闩抽壳过程如下：

1)炮尾复进，开闩模板曲线槽通过开闩传动轴系，带动闩体向下运动开闩。

2)开闩到位后，炮尾继续复进，抽壳模板撞击摇臂，摇臂带动抽筒子快速翻转抽出药筒，抽壳后的抽筒子保持在翻倒位置，等待闩体。

3)炮尾继续复进，离开开闩模板后，在关闩弹簧的作用下，闩体向上运动。

4)闩体上的挂块撞击抽筒子，由于作用面自锁，抽筒子挂住闩体，使闩体保持在开闩位置。

1.2 研究方法

由于提前关闩只在射击过程中出现，发生的概率很低，通过实弹射击研究射击振动的影响成本很大；另一方面，实验室条件下难以完全复现实际的振动响应。针对以上矛盾，采用仿真与实物相结合的研究方法，如图2所示。在仿真模型中引入实测的射击振动响应，仿真研究射击振动对开闩抽壳过程的影响；建立模拟实际复进规律的专用实验台架，在非射击条件下开展开闩抽壳机构实验，一方面验证仿真的准确性，另一方面通过非射击振动条件下的可靠性实验，反向验证射击振动对开闩抽壳机构的影响。

2 仿真分析

2.1 振动数据采集

结合某样机的射击试验，使用振动加速度传感器采集射击振动数据，考虑抽筒子、闩体、摇臂等机构全部安装在炮尾上，测点布置在炮尾上部靠近闩体导轨处，测点位置如图3所示。

由于提前关闩故障发生概率很低，在多次专项射击试验测试中，只出现1次提前关闩故障，故障时显示后坐长620 mm，振动响应如图4所示。图5为后坐长约620 mm的正常射击时的振动响应。

在火炮结构一定的情况下，实际射击时受连发数、射速、弹药、药室及环境温度变化等因素影响，激励有较大的随机性，使每发射击的振动响应有一定差异，从图4、5的时域振动数据上看，整体趋势基本相同，故障时振动响应的峰值更大。

2.2 建立动力学模型

采用ADAMS软件，根据开闩抽壳机构原理建立运动副，运动副摩擦系数0.12，动力学模型拓扑结构图如图6所示。

根据现有的机构设计，关闩簧及扇形板簧簧力如表1所示。

表1 弹簧设置

在开闩模板与开闩滚轮、闩体、炮尾、抽壳模板、抽筒子、摇臂相互作用处设置3D接触，采用碰撞函数(IMPACT-Function-based contact)的接触算法，按照钢材料设置接触特性及材料属性，接触参数设置如表2所示。

表2 接触设置

加载实际采集的沿闩体运动方向的振动加速度时域数据，加载位置与实际测试位置一致，炮尾运动速度为后坐长620 mm时的理论复进速度。建立动力学模型，如图7所示。

2.3 动力学仿真

为了对比分析，针对无射击振动、故障时射击振动、非故障射击振动3种情况进行了仿真，仿真过程中除加载的振动加速度外，其余条件相同。

图8、9分别为仿真得到的抽筒子的角位移及闩体的位移变化曲线，可以看出，无射击振动时抽筒子、闩体的运动平滑；加入射击振动后，在向后翻转等待挂闩的过程中，抽筒子与闩体均出现振荡现象；与正常射击振动相比，出现故障时的振荡幅度和周期明显不同，在加载故障时的射击振动的仿真过程中，也复现了未挂住闩体的情况。

仿真故障时的闩体位移与抽筒子角位移曲线如图10所示。抽壳模板通过摇臂控制抽筒子姿态，抽壳模板强制作用段只有约20 ms，20 ms后抽壳模板的强制作用消失，仅扇形板弹簧依靠使抽筒子保持在翻到位置，扇形板弹簧不能有效包容射击振动引起的抽筒子及闩体的振荡，导致挂闩未能在抽壳模板强制作用段完成，即挂闩的匹配时机变化，使抽筒子不能挂住闩体。

3 实验研究

3.1 实验装置组成与原理

实验装置主要组成如图11所示，采用液压动力，通过行程开关反馈控制电磁阀动作实现逻辑控制，复进机、驻退机、开闩抽壳各机构结构、位置尺寸与该舰炮实际设计相同。

实验装置原理是通过人工后坐油缸推动炮尾后坐至指定长度，架体上的扳机将炮尾锁住，使复进机处于储能状态，待人工后坐油缸返回后，扳机打开，炮尾复进。

扳机上设置有调整垫片，通过调整垫片厚度，控制炮尾被扳机卡住的位置，模拟不同后坐长的复进过程，通过在模拟炮尾上调整配重，模拟后坐部分质量，使复进规律与实际复进规律一致。实验时的动作循环过程如下：

1)关闩后，在液压站的动力下，两个后坐油缸活塞杆伸出，推动模拟炮尾向后运动。

2)模拟炮尾运动到扳机处，炮尾推动扳机抬起，模拟炮尾越过后，扳机在弹簧的作用下自动落下复位。

3)越过扳机后，通过电磁换向阀控制油路换向，后坐油缸活塞杆返回至初始位。

4)模拟炮尾失去后坐油缸推力后，在复进机作用下返回，碰到扳机后，被扳机卡住，使模拟炮尾保持在待复进状态下。

5)架设测试设备，控制扳机油缸拉动扳机，使扳机打开释放模拟炮尾，在复进机、驻退机的作用下模拟炮尾完成复进过程。

3.2 实验装置的验证结果

由于该实验装置开闩抽壳机构的位置尺寸与该炮完全一致，只要具备与该炮相同的复进规律，就可以模拟实际的开闩抽壳过程。使用实验装置对后坐长620 mm的复进速度进行了测试，与理论计算的复进速度进行了对比，如图12所示。可以看出，最大复进速度略大于理论值，基本规律与理论值基本相同，实验装置可以模拟实际的复进规律。

调整扳机上的垫片，模拟故障时的后坐长620 mm，进行实验与测试，结果如下：

1)对闩体位移进行了测试(受限于空间，抽筒子的角位移难以测试)，与无射击振动时的仿真结果进行了对比，如图13所示，可以看出，由于仿真时对运动副阻尼进行了简化，仿真曲线波动略大于实测值，实测的闩体位移曲线整体平滑，整体与仿真值拟合性很好，说明了仿真结果的准确性。

2)设定自动控制程序，每组复进35次，共进行了281组实验，共计9 835次，开闩抽壳动作正常，未出现提前关闩现象，说明在不考虑射击振动的条件下，开闩抽壳机构可正常工作。

4 结束语

采用仿真与实验相结合的方法，设计了一套模拟实际复进规律的实验装置，结合动力学仿真分析，针对某舰炮射击振动对开闩抽壳过程的影响进行了系统研究。结果表明，现有的开闩抽壳结构设计没有充分考虑该舰炮的射击振动，不能有效包容射击振动的影响，射击振动会使抽筒子的姿态及闩体产生振荡，使挂闩时机不匹配，造成挂闩不可靠。