接觸間隙對身管炮口振動(dòng)的影響
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柴 鋼1，郭保全1，張延平1，郭佼瑞1，劉國志1,2
（1．中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051;2．山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030009）
摘要：以多體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合發(fā)射動(dòng)力學(xué)，采用ADAMS軟件與Workbench的聯(lián)合仿真對火炮身管在發(fā)射過程中的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，綜合考慮了襯瓦和身管的配合間隙、高低機(jī)齒輪嚙合間隙和彈丸的質(zhì)心偏移這3個(gè)因素對炮口振動(dòng)的影響。通過大量的數(shù)值仿真，確定了多因素變量對炮口位移的影響程度。
關(guān)鍵詞：接觸間隙；炮口振動(dòng)；身管；質(zhì)心偏移中圖分類號(hào)：TJ303+.1
0 引言
接觸間隙對炮口振動(dòng)的影響很大，火炮的振動(dòng)最終反映在炮口上，從而影響射擊精度。劉寧通過在彈丸和身管之間添加接觸，分析了彈管之間不同接觸間隙對身管振動(dòng)的影響；何永分析了質(zhì)量偏心彈丸與身管彈性運(yùn)動(dòng)的耦合作用的振動(dòng)特性；鄧劍考慮了搖架前后襯瓦的距離對炮口振動(dòng)的影響，從而尋找減小身管振動(dòng)的最佳襯瓦位置。很多文獻(xiàn)對炮口振動(dòng)的特性進(jìn)行了研究，大部分文獻(xiàn)只考慮了單一因素，并沒有綜合考慮高低機(jī)齒輪齒弧間隙、搖架約束以及彈丸質(zhì)量偏心這3個(gè)因素對炮口擾動(dòng)的響應(yīng)。顯而易見，這與實(shí)際情況不符，難以全面揭示含間隙機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。本文主要考慮襯瓦和身管的配合間隙、高低機(jī)齒輪嚙合間隙和彈丸的質(zhì)心偏移這3個(gè)因素對炮口振動(dòng)的影響。
1 問題闡述
炮口振動(dòng)時(shí)在垂直方向的位移比較大，在水平方向的位移較小，幾乎可以忽略，因此，本文主要分析身管接觸間隙與彈丸質(zhì)心偏移的因素耦合作用對炮口振動(dòng)的垂直方向位移的影響。首先分析身管襯瓦接觸間隙和高低機(jī)齒輪嚙合間隙這兩個(gè)間隙對炮口振動(dòng)的影響；然后，綜合分析身管襯瓦接觸間隙、高低機(jī)齒輪嚙合間隙和彈丸質(zhì)心偏移量對炮口振動(dòng)位移的影響。彈丸出炮口時(shí)炮口振動(dòng)位移影響彈丸的射擊方向，因此，選取彈丸出炮口時(shí)刻的炮口振動(dòng)位移進(jìn)行分析。設(shè)除‘身管是柔性體外，其他部分皆為剛體；彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)完全由膛線的幾何形狀約束，不施加任何約束方程，忽略彈帶擠進(jìn)身管膛線的過程；高低機(jī)主齒輪與大地固定，不考慮跳齒現(xiàn)象；齒輪、齒弧時(shí)刻接觸，剛度足夠。
本文以122 mm榴彈炮為例，高低機(jī)齒輪齒弧配合精度公差為7級時(shí)，中心距的極限偏差為±0. 22 mm。為了揭示齒輪嚙合間隙對炮口振動(dòng)的影響，選出的高低機(jī)齒輪齒弧嚙合間隙為-0.2 mm、-0.1 mm、0 mm、0.1 mm和0.2mm。襯瓦與身管的配合公差為0.5 mm～1．0 mm，選取襯瓦身管間隙分別為：0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm和0.9 mm。實(shí)際制造加工中彈丸質(zhì)心會(huì)與中軸線有一定的偏差，或者在彈丸裝填時(shí)質(zhì)心與炮膛軸線有偏離。分別取彈丸質(zhì)心偏移量為0 mm、0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm和0.2 mm，分析對炮口振動(dòng)的影響。通過ADAMS仿真并利用MATLAB，繪制了考慮身管襯瓦接觸間隙和高低機(jī)齒輪嚙合間隙時(shí)炮口振動(dòng)位移，如圖1～圖5所示。其中，y為前、后襯瓦與身管的間隙，設(shè)前、后襯瓦的間隙相等；z為高低機(jī)齒輪嚙合間隙；s y為彈丸出炮口時(shí)炮口垂直方向位移。
2結(jié)果分析
圖1中，y z坐標(biāo)為(0,5，0)時(shí)，s y值為0.82 mm;y z坐標(biāo)為（0.5，-0.2）時(shí)，s y值為0.75 mm，幅值減小8%；y z坐標(biāo)為(0,9，0.2)時(shí)，s y值為1.20 mm，位移幅值增加60%；y z坐標(biāo)為(0.5，0.2)時(shí)，s y值為0.98 mm，幅值增加19. 5%；y z坐標(biāo)為(0.9，0)時(shí)，s y值為1.04 mm，幅值增加26. 8%�？梢�，隨著間隙增加，炮口垂直位移不斷增加，兩個(gè)間隙同時(shí)增加時(shí)，位移變化更加明顯；間隙越大，炮口垂直位移幅值增加的越大，振動(dòng)越加激烈。
圖2中，y坐標(biāo)不變時(shí)，坐標(biāo)z為-0.1時(shí)的s y值與z坐標(biāo)為-0.2時(shí)的s y值幾乎相等，說明高低機(jī)齒輪嚙合間隙已經(jīng)過盈配合，齒輪已經(jīng)卡死，再減小配合間隙，對炮口振動(dòng)的影響甚微。y坐標(biāo)為0.6，z坐標(biāo)為0時(shí)，間隙相對來說比較大，分析原因可能是增加襯瓦的間隙，襯瓦與身管之間接觸量減少，襯瓦受約束的程度減小，從而使炮口的振動(dòng)位移增加。
圖3～圖5中，s y的變化趨勢和前幾幅圖相似，從圖上看，間隙增加時(shí)，位移幅值圖向下斜坡的坡度增加，即幅值增加的速率變大，因此間隙越大，位移增加量也越大。
從圖1～圖5中可以看出：彈丸質(zhì)量偏心量為0mm時(shí)，炮口振動(dòng)位移曲面隨著間隙的增加而平滑地增加；彈丸質(zhì)量偏心量增加到0. 05 mm時(shí)，炮口振動(dòng)位移曲面隨著間隙的增加稍微波動(dòng)性增加，曲面中有凹坑和凸起的出現(xiàn)；彈丸質(zhì)量偏心量增加到0.1mm和0.2 mm時(shí)，凹坑和凸起更加明顯。說明炮口振動(dòng)是非線性的振動(dòng)，由于彈丸質(zhì)量偏心引起的離心力加劇了身管的非線性振動(dòng)。
3結(jié)論
本文綜合考慮了襯瓦與身管的配合間隙、高低機(jī)齒輪嚙合間隙和彈丸的質(zhì)心偏移3種因素對炮口振動(dòng)的影響。發(fā)現(xiàn)隨著接觸間隙和質(zhì)心偏移量的增加，炮口振動(dòng)越來越劇烈，因此，在工作情況允許的條件下，應(yīng)盡量減小配合間隙。3種因素在一定條件下會(huì)產(chǎn)生耦合影響，使炮口位移幅值變大。
