考虑耳轴间隙的自动炮射击过程动态响应分析

苏忠亭，徐 达，张春林，胡俊彪，张学新

（1.装甲兵工程学院 兵器工程系，北京 100072；2.中国人民解放军驻5413厂军代室，河北 石家庄 050031；3.总装备部 装甲兵军事代表局，北京 100851）

射击精度是火炮的重要性能指标，炮口扰动是影响及表征射击精度的主要因素之一.文献［1－2］研究了车辆悬挂特性、后坐质量偏心、炮塔座圈接触刚度和高低机齿轮齿弧接触刚度等对火炮射击过程中炮口扰动的影响及规律.通过分析火炮射击载荷的传递路径可知，火炮摇架通过耳轴与炮塔连结，为使摇架俯仰灵活，耳轴采用某型滚柱轴承，内滚道与摇架固定并紧密连结，外滚道与炮塔固定并紧密连结，在俯仰力矩作用下，滚子可在内外滚道间滚动［3］，以实现自动炮高低俯仰.在自动炮射击过程中，在射击载荷的作用下，耳轴轴承滚子与内外滚道之间存在射击方向上的径向碰撞，由于滚子与滚道之间的间隙，使接触刚度存在非线性冲击，根据大量的火炮射击试验数据，可知耳轴轴承为射击载荷重要的承载件，耳轴接触非线性对射击精度有重要的影响.本文深入挖掘含间隙耳轴轴承滚子与滚道之间的接触特性，对轴承非线性进行参数辨识，分析其在自动炮发射过程中的动态响应特性，并对间隙特性对炮口扰动的影响进行了分析.

1 自动炮发射动力学仿真模型

1.1 基本假设

根据自动炮机构运动规律和停止间射击过程中各机构动力关系，作如下假设［4］：

（1）自动炮身管和主炮身管为柔性体，其余作刚性处理.

（2）不计弹炮耦合、动力系统、供输弹系统振动影响，将供输弹机构、火控系统、观瞄系统、通信系统、动力传动系统等部件简化为配重，将质量差值进行补偿.

（3）边界条件为主动轮制动，悬挂不闭锁，高低、方向射角0°、常温穿甲弹射击.

1.2 炮身管有限元模型

在Pro／E三维实体建模软件中建立自动炮和主炮的三维实体模型，作去除倒角、圆角、螺纹、轮廓线等简化处理［5］后导入ANSYS有限元分析软件，为控制网格划分效果和计算精度，应用Hex Dominant方式划分网格，得到如图1所示的有限元模型，单元数为109 577，节点210 626个.

图1 双炮身管结构有限元模型Fig.1 Finite element model of tube struture

1.3 主要力学模型

根据内弹道平均压力［6］，计算膛底合力为

式中：φ为次要功计算系数；mp为装药质量；m为弹丸质量；S为炮膛断面积；p为膛内时期火药气体的平均压力，由内弹道设计得到；t为弹丸运动时间；tg为弹丸膛内运动时间；Fpg为弹丸出炮口瞬间的炮膛合力；b为后效期时间常数.

定义后坐阻力为

式中：Fh为缓冲簧作用力；Ff为复进簧作用力.

1.4 自动炮整车刚柔耦合模型

根据步兵战车的结构组成和自动炮发射时的机构动作，将整车分为底盘系统、炮塔系统和自动机系统，自动炮身管与缓冲器、连接套筒添加刚－柔接触，其余接触为引发自动机构运动关系的刚体接触，通过添加固定副、移动副、旋转副、力等约束关系，建立某型步兵战车刚柔耦合模型如图2所示.

图2 步兵战车自动炮发射动力学模型Fig.2 Firing dynamic model of infantry combat vehicle auto－gun

2 耳轴轴承间隙非线性参数辨识

对于轴承法向接触力，ADAMS中应用Lankarani－Nikravesh模型的Impact函数求解［7］，法向接触力定义为

式中：K为碰撞体的等效刚度系数；n为幂指数；δ分别为两物体接触时的相对位移和相对速度；C为碰撞过程中的阻尼系数.

阻尼系数为

式中：ce为恢复系数；为两物体接触前的相对速度.

由式（4）可知，阻尼系数与刚度系数有关，因此碰撞力大小FN主要由等效刚度系数K确定.本文使用有限元方法合理地确定等效刚度.

应用Hex Dominant方法建立轴承有限元模型如图3a所示，外滚道外圆定义固定约束，内滚道内圆定义y轴径向初始速度为100mm·s－1，求得轴承接触压力和接触渗透量如图3b，c所示.

图3中接触压力最大值为3.482 5MPa，接触渗透量最大值为0.251 7nm.由图3可以看出，轴承在某一固定方向径向速度作用下，内外滚道与滚子之间碰撞特性比较明显，且由于轴承特有的结构特性，使得周向均匀分布的滚子在特定方向下的受力也比较均匀，在火炮射击载荷作用下，有效承载了后坐冲击，提高了轴承可靠性.根据式（4），取n＝1.1，可计算得出轴承法向接触刚度系数为63.235kN·mm－1.

图3 耳轴轴承接触特性Fig.3 Contact characteristic of trunnion

3 耳轴轴承非线性影响规律分析

步兵战车在使用过程中，随着轴承接触面的冲击与磨损，配合面间隙会增大，使非线性作用增强，为考察轴承间隙非线性对自动炮首发射击炮口动态响应特性的影响规律，在不影响实际应用的前提下，对轴承间隙s定义取值范围为0.30～0.35mm，分3个水平对自动炮整车非线性发射动力学模型进行仿真计算，可准确表征及分析耳轴轴承非线性因素对炮口扰动的影响规律，见图4.

图4中，0～0.158s是自动炮身管的后坐复进阶段，由图4可以看出：

（1）分别对图4a与b、图4c与d进行比较可以看出，由于双炮身管结构中主炮并联因素的影响，耳轴轴承对炮口垂向位移和炮口垂向速度的影响较炮口水平位移和水平速度影响大，从而影响了射弹散布.

（2）随着间隙的增大，垂向和水平向的炮口振动位移和速度幅值逐渐增大，表明耳轴轴承非线性对射击精度的影响程度比较大.

4 结语

本文对影响射击精度的众多因素中的耳轴轴承间隙非线性进行了参数辨识和建模分析，通过对自动炮射击过程中耳轴轴承的接触特性进行分析可以看出，应用有限单元法辨识的含间隙耳轴轴承非线性接触参数能有效表征耳轴轴承结构动态特性；通过分析间隙大小对自动炮射击过程中炮口扰动的影响规律可以看出，耳轴轴承作为火炮后坐载荷的主要承载件，随着使用过程中间隙量的增大，炮口扰动逐渐剧烈，耳轴轴承非线性影响程度比较大，为火炮设计和日常维修保养提供了理论基础和依据.

图4 耳轴轴承间隙非线性对炮口扰动影响规律Fig.4 Effect rule of trunnion clearance nonlinear for gun barrel vibration

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