火箭炮闭锁力数值分析与试验验证

刘 威, 宋向华

(中国船舶重工集团公司第710研究所, 湖北宜昌 443003)

0 引言

火箭炮闭锁机构是指产生闭锁力和起到阻止火箭弹脱落的机构[1-3]。火箭弹点火后推力产生,火箭弹克服摩擦力发生运动。实践验证表明:若火箭弹在运动开始前被统一施加闭锁力,减小了由于离轨速度散差造成落点角偏差[4-6]。火箭炮采用的闭锁机构基本上有4种:摩擦式闭锁机构、弹簧式闭锁机构、杠杆式闭锁机构、剪切销式闭锁机构[1-3]。弹簧式闭锁机构结构简单紧凑,装弹和发射时闭锁和开启操作简单,定位准确可靠,能保证点火装置接触良好,此类闭锁机构应用广泛。

国内外对于弹簧式闭锁机构研究及应用主要有两种形式:1)利用闭锁体本身的弹性将弹锁住,例如卡弹式闭锁机构,应用于苏式БM-21火箭炮、国产PHL03火箭炮。陈四春[7]、姜勇[8]等基于ABAQUS平台采用瞬态动力学方法分析了卡弹式闭锁机构在瞬态冲击载荷作用下的性能和运动规律。2)利用弹簧能量使闭锁体将弹锁住,例如通用型弹簧式闭锁机构,广泛应用于国产H-212、H-211、H-221,苏式БM-14、БM-14Г、БM-24等火箭炮上。吴茂林[9]等以某弹簧式闭锁机构为基础,对火箭弹在发射管内运行进行了分析、计算和solidworks仿真,得出了在不同闭锁力下,火箭弹离轨速度的大小。

分析以上国内研究成果可知,目前对于弹簧式闭锁机构产生闭锁力的数值分析仍较少,针对此问题,有必要对闭锁机构的闭锁力生成过程进行研究。文中对某型弹簧式闭锁机构进行研究,对该型弹簧式闭锁机构的闭锁力进行数值分析,并通过实物试验测试了多组闭锁机构的闭锁力,给出了数值分析结果和试验结果,为弹簧式闭锁机构的闭锁力特性分析和研究提供参考。

1 弹簧式闭锁机构数学模型

1.1 闭锁机构组成及工作原理

弹簧式闭锁机构主要由座体、闭锁体、弹簧、调整垫、上盖、把手等组成。弹簧式闭锁机构剖视图如图1所示,其工作原理:火箭弹装填入炮管后,在弹簧作用下闭锁体伸出炮管内壁,卡入火箭弹尾部,将火箭弹精确的锁定在炮管内;火箭弹点火后,发动机推力逐渐增大,火箭弹尾部螺环沿闭锁体的斜面压迫闭锁体上行,迫使弹簧被压缩,闭锁体缩入炮管内壁后,火箭弹克服闭锁机构的闭锁力后飞离炮管。

1.2 闭锁机构数学模型

取火箭弹为受力对象,忽略定向器对火箭弹的摩擦,其受力图如图2。F为闭锁力临界值,Fs为闭锁体对火箭弹尾部螺环反作用力,α为闭锁体倾斜角,f1为闭锁体与火箭弹尾部间的摩擦因数,f1Fs为Fs对应的临界摩擦力。

各力在弹轴方向上的平衡方程为:

F-Fssinα-f1Fscosα=0

(1)

再取闭锁体为受力对象,忽略其重力。结合弹体的运动趋势分析可知,火箭弹对闭锁体作用力Fs和摩擦力f1Fs共同作用下闭锁体有逆时针转动的趋势,考虑到加工过程中闭锁体与座体之间存在间隙,分析其受力图如图3,F1、F2为座体对闭锁体反作用力,f2为闭锁体与座体间的摩擦因数,f2F1、f2F2为对应的摩擦力,F弹簧为弹簧对闭锁体施加的弹簧力,F0为安装时弹簧对闭锁体施加的预压力。L1、L2分别为闭锁体下部、上部的长度,d为闭锁体上部柱体直径。

各力沿闭锁体轴线的平衡方程为:

Fscosα-f1Fssinα-f2(F1+F2)-F弹簧-F0=0

(2)

垂直于该轴线的平衡方程为:

Fssinα+f1Fscosα+F2-F1=0

(3)

临界状态时A点作用到闭锁体结构最下沿,以B点为参照点,闭锁体力矩平衡方程为:

(Fssinα+f1Fscosα)L1-(Fscosα-f1Fssinα)d/2+

f2F2d+(F弹簧+F0)d/2-F2L2=0

(4)

闭锁力临界值F由式(1)～式(4)联立求得:

(5)

2 闭锁机构的闭锁力数值计算

闭锁机构在闭锁体沿座体孔壁上行过程中,弹簧对闭锁体施加弹簧力随着闭锁体上行距离增大而增大,其弹簧刚度K1=79 N/mm,闭锁体最大上行距离ymax=6.5 mm,对闭锁体施加的预压力F0=150.1 N,闭锁体倾斜角范围α=30°～60°,查得《机械设计计算手册》钢与钢之间有润滑动摩擦因数f1=f2=0.05～0.1。由于闭锁体倾斜角范围α和动摩擦因数f1、f2取值变化,需计算参数值变化范围内F变化曲线。

闭锁力过大、过小均会对火箭炮带来不良影响,且考虑到闭锁力散布的影响,闭锁力取弹重的2.5倍,某型弹重m=80 kg,可知其所需闭锁力F=2.5mg=1 962 N。

图4中给出了不同闭锁体、倾斜角时随摩擦系数变化时F变化曲线。可见,闭锁体倾斜角α不变时,闭锁力F随着摩擦系数的增大而增大;摩擦系数不变时,闭锁力F随着倾斜角α的增大而增大。

考虑到机械加工精度的限制和使用时火药燃气对闭锁体的冲刷,闭锁机构运动过程中摩擦系数大于理论值,因此选定f=0.1作为参考摩擦系数。表1给出了摩擦系数f=0.1时不同α对应闭锁力F,可见所需闭锁力F=1 962 N在闭锁体倾斜角α=50°附近。

在闭锁体倾斜角α=50°附近展开计算,以确定闭锁体倾斜角α值,图5给出了不同闭锁体倾斜角随摩擦系数变化时F变化曲线。

表1 摩擦系数f=0.1时不同α对应闭锁力

表2给出了摩擦系数f=0.1时不同α对应闭锁力F,可见为满足所需闭锁力F=1 962 N时,选定闭锁体倾斜角α=51°。

表2 摩擦系数f=0.1时不同α对应闭锁力

3 闭锁机构闭锁力仿真分析

3.1 闭锁机构有限元模型建立

以某型火箭炮闭锁机构为例,基于ANSYS Workbench 14.5软件平台,建立有限元模型如图6所示,共形成44 188单元和79 646节点。

火箭弹点火后,火箭弹尾部螺环沿闭锁体的斜面压迫闭锁体上行过程是包含接触问题的瞬态动力学工作过程[10]。为了保证模型计算结果收敛,简化模型为4个零件:闭锁体、座体、火箭弹尾部螺环及炮管体,合理建立零件间接触行为。在ANSYS Workbench 14.5中,接触问题主要类型包括:绑定接触、不分离接触、无摩擦接触、粗糙接触和摩擦接触[11-13]。结合制止体上行过程中各零件间相互运动关系来确定有限元模型的接触关系,闭锁体与座体和火箭弹尾部螺环摩擦接触,座体和炮管体绑定接触,火箭弹尾部螺环与炮管体无摩擦接触。

3.2 仿真分析

对火箭弹尾部螺环施加跟随时间变化线性变化作用力,模拟发动机推力,力加载曲线见图7。当推力增加到某特定数值时,火箭弹尾部螺环刚好脱离闭锁体,此刻的推力可以确定为该型闭锁机构闭锁力。为了保证模型计算结果收敛,在闭锁体与火箭弹尾部螺环之间引入弱弹簧,其弹簧刚度K2=10 N/mm。下面对极限情况进行分析。

闭锁体与火箭弹尾部螺环之间为摩擦接触,摩擦系数取0.1,闭锁体与座体之间为摩擦接触,摩擦系数取0.1,其他接触为无摩擦接触,弹簧对闭锁体施加弹簧力预压力F0=150.1 N,闭锁体上行位移和火箭弹尾部螺环位移数据见表3。

由表3可得出,在0.692 5 s时,闭锁体上行过程发生突变,火箭弹尾部螺环刚刚脱离闭锁体,闭锁体上行距离为y=6.491 4 mm,火箭弹尾部螺环移动距离为z=-7.85 mm,闭锁力:

F=3 000×0.692 5-z×K2=1 999 N

(6)

表3 闭锁体上行位移和火箭弹尾部螺环位移

通过理论计算数据与仿真数据对比,可得:

a)仿真数据中,极限状态下的火箭弹尾部螺环刚脱离闭锁体时的闭锁体上行距离y=6.491 4 mm,符合闭锁体最大上行距离ymax=6.5 mm,该闭锁机构有限元模型分析方法较为真实模拟了闭锁力生成工作过程;

b)摩擦系数f=0.1时,理论计算的闭锁力范围为1 961 N,而仿真数据中闭锁力为1 999 N。仿真计算数值与理论计算较为符合。

4 闭锁力试验测试

4.1 试验方案设计

为了验证理论计算方法与有限元仿真计算方法闭锁力求解的有效性,设计了测量某型闭锁机构闭锁力试验设备[14-15],具体试验方案见图8。

拉力传感器选用温州山度的SH-5K数显推拉力计,最大试验负荷5 000 N,分度值为1 N,示数误差为±0.5%;液压拉力机构通过液压泵站实现液压缸伸缩,并对伸缩速度可控,本次试验液压杆速度为(100±10) mm/s。试验炮管、弹尾螺环和某型闭锁机构相对安装位置真实模拟实际应用情况,具体实物如图9所示。

4.2 测力试验数据分析

由于闭锁机构工作过程是复杂摩擦接触问题,接触材料、表面润滑剂、表面粗糙度、温度、摩擦物体间的相对速度均都对测力结果产生影响。为了消除摩擦产生随机性,在常温条件下,分别对同一生产批次中5件闭锁机构进行了10组闭锁力数据测试,具体数据如表4所示。

表4 5件闭锁机构测力数据表 N

表4中数据波动范围为1 563～2 970 N,闭锁机构的闭锁力受多项因素影响,力变化范围大,剔除最大值、最小值各一个,计算其平均值为2 037.21 N,可见其值与理论计算结果和仿真结果较为符合。

5 结论

文中以火箭炮闭锁机构为研究对象,基于理论力学推导出闭锁机构计算公式,获得了闭锁体在临界位置的平衡方程,求解出了闭锁力在不同闭锁体倾斜角和摩擦系数时变化曲线,并采用软件仿真和试验实测对其进行验证,得到如下结论:

1)闭锁体倾斜角α不变时,闭锁力F随着摩擦系数的增大而增大;摩擦系数不变时,闭锁力F随倾斜角α的增大而增大;并根据某型弹重m=80 kg所需闭锁力F=1 962 N选定闭锁体倾斜角α=51°。

2)依据闭锁机构数学模型,建立有限元模型,在ANSYS Workbench 14.5中软件根据数学模型参数输入初始条件,计算得到闭锁力F=1 999 N,与理论计算结果较为符合。

3)设计闭锁机构试验方案,通过对同一生产批次中5件闭锁机构进行了10组闭锁力数据测试,记录测试数据,计算得到其平均闭锁力F=2 046.38 N,可见其值与理论计算结果和仿真结果较为符合。

由此即可得知文中给出的理论公式能够较为准确的计算火箭炮闭锁机构闭锁力,同时通过理论计算、仿真计算和试验测试互相验证,给出了一套完善的闭锁机构设计方法,为火箭炮闭锁机构设计提供参考。

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