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      炮射彈藥滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      2021-07-30 02:56:52潘明然高志斌郭明珠倪慶杰
      關(guān)鍵詞:膛線導(dǎo)帶圓孔

      劉 猛,潘明然,高志斌,郭明珠,楊 瑩,倪慶杰

      (1 沈陽工學(xué)院,沈陽 110000;2 遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司,沈陽 110045)

      0 引言

      隨著精確打擊彈藥在戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位不斷提高,美俄等軍事強(qiáng)國以中大口徑身管火炮為平臺(tái),大力發(fā)展可兼容射擊的制導(dǎo)彈藥[1],由于較高的離心過載對(duì)制導(dǎo)炮彈采用的敏感測(cè)量器件、電控器件影響較大,對(duì)制導(dǎo)控制影響也較大,因此目前的制導(dǎo)炮彈均采用滑動(dòng)導(dǎo)帶減旋技術(shù),減小彈丸的出炮口轉(zhuǎn)速,采用尾翼穩(wěn)定裝置來保證彈丸飛行穩(wěn)定。制導(dǎo)炮彈滑動(dòng)導(dǎo)帶減旋技術(shù)是常規(guī)彈藥制導(dǎo)化的關(guān)鍵技術(shù)之一,其穩(wěn)定工作是武器系統(tǒng)制導(dǎo)、控制部件正常作用的前提?;瑒?dòng)導(dǎo)帶環(huán)由滑動(dòng)導(dǎo)帶體和鑲嵌在導(dǎo)帶體上的導(dǎo)帶組成。發(fā)射時(shí),嵌入膛線的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)做高速旋轉(zhuǎn),彈體在與滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)接觸面的摩擦力矩作用下微旋,滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)同時(shí)閉住高壓火藥氣體,避免對(duì)火炮身管內(nèi)膛和彈丸導(dǎo)帶前部的沖刷。

      滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)工作環(huán)境及工作過程相對(duì)制式彈藥的導(dǎo)帶復(fù)雜很多,且目前國內(nèi)尚無成熟、完善的工作過程理論分析及計(jì)算方法。文中對(duì)線膛火炮發(fā)射彈藥的三圓孔式滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)結(jié)構(gòu)形式、作用原理進(jìn)行分析研究和試驗(yàn)驗(yàn)證,提出了滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)設(shè)計(jì)需要關(guān)注的幾個(gè)問題。

      1 三圓孔式導(dǎo)帶環(huán)的結(jié)構(gòu)形式及作用原理

      1.1 結(jié)構(gòu)形式

      三圓孔式導(dǎo)帶環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。三圓孔式導(dǎo)帶環(huán)由滑動(dòng)導(dǎo)帶體和銅質(zhì)導(dǎo)帶組成,滑動(dòng)導(dǎo)帶體內(nèi)徑由3個(gè)直徑不同的圓柱體組成[2]?;瑒?dòng)導(dǎo)帶體選用高強(qiáng)度合金鋼,環(huán)上鑲嵌銅質(zhì)導(dǎo)帶。根據(jù)減旋需要,滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)前端面可涂不同的潤滑涂層,以減小滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體之間的摩擦力,達(dá)到降低彈丸轉(zhuǎn)速的目的。

      三圓孔式導(dǎo)帶環(huán)主要有兩個(gè)作用:其一為閉氣,同時(shí)在滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)內(nèi)徑與彈體間形成氣室,減小滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體的相互碰撞;其二為減旋,需要圓環(huán)內(nèi)徑與彈體留有一定的間隙,以達(dá)到減旋效果;同時(shí)要控制好圖1中的B,C面以及G,D面的尺寸間隙,保證可靠閉氣。

      圖1 三圓孔式彈帶環(huán)結(jié)構(gòu)圖

      1.2 工作原理

      內(nèi)圓柱設(shè)計(jì)成三段式是保證滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體間進(jìn)入火藥氣體。彈丸入膛時(shí),滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的H面嵌入膛線,此時(shí)火藥還沒作用,滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)向后移動(dòng),C面接觸。發(fā)射藥開始作用,隨著壓力逐漸增大,推動(dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng),此時(shí)導(dǎo)帶已經(jīng)進(jìn)入膛線,導(dǎo)帶的軸向剪切力逐漸減小,作用在滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)上的力主要有火藥氣體的推力、滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的直線后座力以及導(dǎo)帶與火炮膛線的摩擦力,從設(shè)計(jì)上要保證火藥氣體的推力大于滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的直線后座力以及導(dǎo)帶與膛線的摩擦力,滑動(dòng)導(dǎo)帶向前運(yùn)動(dòng),A面接觸,通過摩擦力矩帶動(dòng)彈體旋轉(zhuǎn)。這樣就避免滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)在膛內(nèi)擠進(jìn)及運(yùn)動(dòng)過程中與彈體接觸,從而對(duì)彈體產(chǎn)生撞擊,減小彈丸的飛行抖動(dòng)。

      2 仿真分析

      2.1 滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)強(qiáng)度分析

      導(dǎo)帶擠進(jìn)膛線時(shí),滑動(dòng)導(dǎo)帶體受力最大,此時(shí)要保證滑動(dòng)導(dǎo)帶體的強(qiáng)度滿足要求,銅質(zhì)導(dǎo)帶的強(qiáng)度要滿足導(dǎo)轉(zhuǎn)的要求。

      2.1.1 計(jì)算導(dǎo)帶擠入膛線的壓力

      銅質(zhì)導(dǎo)帶的擠進(jìn)壓力是校核導(dǎo)帶環(huán)強(qiáng)度的基礎(chǔ)。導(dǎo)帶擠進(jìn)壓力有試驗(yàn)測(cè)定和工程計(jì)算兩種方法[3]?;瑒?dòng)導(dǎo)帶環(huán)的導(dǎo)帶擠進(jìn)壓力計(jì)算沒有成熟方法,文中以某產(chǎn)品為例,利用文獻(xiàn)[2]給出的常規(guī)炮彈導(dǎo)帶壓力計(jì)算公式,計(jì)算滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的導(dǎo)帶擠入膛線[4]的壓力。

      滑動(dòng)導(dǎo)帶所受局部載荷Pb1與滑動(dòng)導(dǎo)帶變形ω0的關(guān)系式為:

      Pb1=A0+B0ω0

      (1)

      式中:A0,B0是與滑動(dòng)導(dǎo)帶材料有關(guān)的系數(shù),分別為:

      (2)

      (3)

      其中系數(shù)0.94是對(duì)目前各種榴彈適用的系數(shù);K值為由殼體理論推導(dǎo)出來的變形與載荷關(guān)系的系數(shù),在導(dǎo)帶不是彈底位置情況下:

      (4)

      式中β由彈性理論得出:

      (5)

      其次求出導(dǎo)帶壓力的傳遞關(guān)系。由導(dǎo)帶的大變形規(guī)律可以導(dǎo)出:

      Pb-Pb1=A1+B1ω0

      (6)

      式中A1,B1是與導(dǎo)帶材料有關(guān)的系數(shù)。

      (7)

      (8)

      最后再求滑動(dòng)導(dǎo)帶壓力與導(dǎo)帶變形的關(guān)系。假設(shè)導(dǎo)帶充滿火炮膛線,可得:

      Pb=A2-B2ω0

      (9)

      其中A2,B2也是與導(dǎo)帶尺寸、材料有關(guān)的系數(shù)。

      (10)

      (11)

      綜合上述公式,求得:

      (12)

      式(1)~式(12)中的符號(hào)分別表示:r0為導(dǎo)帶區(qū)滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)中間半徑;h0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)導(dǎo)帶區(qū)壁厚;E0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)彈性模量;λ0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的強(qiáng)化參數(shù);δs0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的屈服強(qiáng)度;ω0為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)壓縮變形,半徑上的位移量;ra1為導(dǎo)帶內(nèi)半徑;rb1為導(dǎo)帶外半徑;h1為導(dǎo)帶厚度;b為導(dǎo)帶寬度;E1為導(dǎo)帶彈性模量;λ1為導(dǎo)帶的強(qiáng)化參數(shù);σs1為導(dǎo)帶的屈服強(qiáng)度。

      根據(jù)以上計(jì)算公式,代入相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算某彈滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的擠進(jìn)壓力為Pb=289 MPa。

      2.1.2 滑動(dòng)導(dǎo)帶體強(qiáng)度仿真分析

      已知導(dǎo)帶的擠進(jìn)壓力,利用ANSYS軟件對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)帶體進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析。計(jì)算模型如圖2所示。

      圖2 滑動(dòng)導(dǎo)帶體仿真模型

      假設(shè)條件:滑動(dòng)導(dǎo)帶體前端面壓在彈體上;某產(chǎn)品的導(dǎo)帶擠進(jìn)壓力為289 MPa,火藥氣體壓力取起動(dòng)時(shí)的壓力40 MPa。

      經(jīng)過仿真分析,滑動(dòng)導(dǎo)帶體最大變形量為0.18 mm,最大等效應(yīng)力為980 MPa,因此要求滑動(dòng)導(dǎo)帶體的屈服強(qiáng)度大于980 MPa,結(jié)果如圖3、圖4所示。

      圖3 滑動(dòng)導(dǎo)帶體形變圖

      圖4 滑動(dòng)導(dǎo)帶體前端面應(yīng)力圖(前端面與彈體接觸)

      2.1.3 銅質(zhì)導(dǎo)帶的強(qiáng)度校核

      作用在導(dǎo)帶上的壓力為:

      (13)

      式中:N為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力;Bts為導(dǎo)帶受力面積。

      對(duì)于等齊膛線

      (14)

      經(jīng)換算得:

      (15)

      導(dǎo)帶的抗壓強(qiáng)度條件為:

      σ≤[σ]

      (16)

      式中:[σ]為導(dǎo)帶的抗壓強(qiáng)度許可值。

      導(dǎo)帶凸起部受到的剪切應(yīng)力為:

      (17)

      對(duì)于等齊膛線

      (18)

      導(dǎo)帶的剪切強(qiáng)度條件為:

      τ≤[τ]

      (19)

      式中[τ]為導(dǎo)帶的抗壓強(qiáng)度許可值。

      代入某彈的數(shù)據(jù),銅質(zhì)導(dǎo)帶的膛內(nèi)強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知,導(dǎo)帶滿足擠進(jìn)及剪切強(qiáng)度要求。

      表1 導(dǎo)帶膛內(nèi)強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果 單位:MPa

      2.2 滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體的接觸力分析

      為了實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)導(dǎo)帶的減旋效果,要保證滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),前端與彈體接觸。這樣在結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)時(shí),需保證火藥氣體對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的推力大于滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的直線后座力和摩擦力之和。

      滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體之間的相互作用力Q的計(jì)算公式為[1]:

      (20)

      F=f·N

      (21)

      式中:rcp為考慮火炮膛線時(shí),炮膛斷面的換算半徑;P為膛壓;ra為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)內(nèi)表面半徑;m為彈丸質(zhì)量;mb為滑動(dòng)導(dǎo)帶質(zhì)量;F為導(dǎo)帶對(duì)火炮膛壁的摩擦力(即由導(dǎo)帶側(cè)壓和導(dǎo)帶壓力所產(chǎn)生的總摩擦力);f為摩擦系數(shù),本產(chǎn)品為鋼與銅的摩擦系數(shù),取0.21;N為導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力,公式為:

      (22)

      式中:Jx為彈丸的極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;n為膛線條數(shù);α為火炮纏角。

      以某產(chǎn)品的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)為例,代入相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算出相互作用力為Q=924 658 N。

      2.3 彈丸轉(zhuǎn)速估算

      采用彈丸轉(zhuǎn)速計(jì)算公式,計(jì)算由摩擦力矩產(chǎn)生的彈丸轉(zhuǎn)速。

      根據(jù)滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體之間的作用力Q引起的摩擦力矩M為:

      (23)

      式中:rh為彈底壓螺外半徑;f1為滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體間的摩擦力。鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)為0.15,根據(jù)需要,可以增加潤滑涂層,摩擦系數(shù)可以達(dá)到0.05以下。

      (24)

      為了便于積分,近似取平均膛壓Pcp及平均摩擦力Fcp代替公式中的P和F,從而有:

      (25)

      式中,tg為彈丸沿炮膛運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

      (26)

      式中,lg為彈丸沿炮膛運(yùn)動(dòng)的全行程。

      (27)

      以某彈的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)為例,計(jì)算彈丸的最小炮口轉(zhuǎn)速[5]為:

      ωmin=7.1 r/s

      由計(jì)算結(jié)果可知,如果滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)設(shè)計(jì)理想,理論上該彈的炮口最小轉(zhuǎn)速可以達(dá)到7 r/s左右。但由于有其它因素的影響,尤其代入計(jì)算的Fcp與真實(shí)的數(shù)據(jù)有出入,滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體接觸面的光潔程度也有差別,目前測(cè)得實(shí)際的轉(zhuǎn)速要比計(jì)算的略高。

      3 試驗(yàn)驗(yàn)證

      某產(chǎn)品的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)設(shè)計(jì)成三圓孔式結(jié)構(gòu)。在初速為500 m/s時(shí),理論計(jì)算的最小炮口轉(zhuǎn)速為7 r/s,實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速為15.4 r/s,滿足制導(dǎo)控制要求。檢查回收的滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán),前端面有與彈體的摩擦痕跡,滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)內(nèi)及前端面無火藥氣體沖刷痕跡,說明閉氣效果良好,如圖5所示。

      圖5 試驗(yàn)用滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

      4 結(jié)論

      給出了該產(chǎn)品滑動(dòng)導(dǎo)帶體強(qiáng)度與銅制導(dǎo)帶強(qiáng)度的計(jì)算方法,并且介紹了轉(zhuǎn)速的理論計(jì)算方法,通過計(jì)算與仿真,得出該滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,減旋與閉氣效果滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):1)滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)滿足擠進(jìn)膛線時(shí)的強(qiáng)度要求以及膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的正確性要求。2)保證三圓孔結(jié)構(gòu)的配合間隙尺寸,使滑動(dòng)導(dǎo)帶環(huán)與彈體之間有氣室存在,避免滑動(dòng)導(dǎo)帶與彈體磕碰,減小彈丸的飛行抖動(dòng)。3)通過調(diào)整起始接觸面和表面涂覆種類進(jìn)行交叉組合對(duì)比驗(yàn)證得出,滑動(dòng)導(dǎo)帶前端面起主要轉(zhuǎn)速影響作用。4)滑動(dòng)導(dǎo)帶閉氣效果與各部分的尺寸間隙設(shè)計(jì)有關(guān),驗(yàn)證了前期理論計(jì)算與仿真的正確性。

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