一種新原理的高效緩沖裝置

□史瑞明

1概述

緩沖器是用以緩和與外界縱向撞擊的構件，是一種廣為采用的技術措施。以兵器為例：在大口徑火炮中廣泛采用液壓緩沖器，如59式57mm高炮的炮閂液壓緩沖器；在航炮中廣泛采用氣體減震器和緩沖器，如蘇AM－23航炮傳動框的氣體減震器和蘇H－30航炮炮管緩沖器；在槍械和小口徑火炮中廣泛采用固體的金屬緩沖器，如85式12.7mm高射機槍自動機緩沖器；纖維質緩沖器，如美國勃朗寧重機槍自動機緩沖器；橡膠緩沖器，如德國G3自動步槍自動機緩沖器等。上述這些緩沖器形式五花八門，但從原理上講，皆是吸能裝置，即受撞擊后變形而吸收能量，伸張時放出能量，同時又耗損一部分能量。本文所要介紹的緩沖器與上述緩沖器截然不同。

2承載體受力機理

由撞擊動力學得知，物體B受到另一物體A以V0速度撞擊時，在撞擊接觸面11處將產生各自的應力波，并分別在各自的介質中向遠離撞擊接觸面的方向傳播，如圖1所示。

其撞擊力為

式中A1、A2——物體A和物體B在撞擊接觸面(11)處的截面積

ρ1ρ2——物體A和物體B的材料密度

c1、c2——物體A和物體B中應力波傳播速度，其值為

E——材料的彈性模量

應力波除了在物體中傳播外，當遇到介質和截面積突變時，將發生反射和透射。仍以圖1所示為例，入射波F2在12段中傳播，當遇到突變截面22后，部分應力波將透過22(透射波的作用力F2T)傳入B2中，其值為

因為相撞物體形狀十分復雜，所以應力波在物體中傳播時除了發生反射、透射外，還將發生干涉、疊加、波形轉變、衍射等，除了有縱波外還有橫波，彎曲波等波在傳播。

為了簡化分析，加之縱波速度最高，所以只分析縱波傳播。從圖1得知，承載體所受之力并非是撞擊力F2(入射波)，而是最末一級結構傳給承載體的透射波的作用力F2T以及從承載體反射回來的反射波疊加之結果。

3探討高效減力緩沖器

掌握了承載體受力機理之后，即可研究承載體所受之力與哪些因素有關及其變化規律，進而才能找到控制該力的措施。

3.1實驗研究

利用“測量撞擊參量多功能實驗系統”對從市場上購置的材料一一測出其所受之撞擊力，然后與鋼質材料所受的撞擊力加以比較，計算出該種材料的緩沖性能；再將多種材料有序排列，測出其整體撞擊力并與鋼質材料撞擊力加以比較，計算出緩沖效率。經過大量的實驗測量，最終探討出了緩沖效率高達“99％”的“高效減力緩沖器”。

3.1.1測量撞擊力

(1)先在“測量撞擊參量多功能實驗系統”上的測力體中裝上與物體A材料相同的鋼質材料物體B，二者的直徑皆為18mm，物體A以V0速度撞擊頂桿后，測得的F－t(力－時間)曲線如圖2所示；然后將多種有序排列的材料裝入測力體中(直徑和總長度皆與鋼質相同)，物體A仍以V0速度撞擊頂桿，測得的F－t曲線如圖3所示(圖中的曲線幅度已放大了100倍)。

經過大量的實驗研究，研制出了“高效減力緩沖器”。與鋼質材料相比，其緩沖效率為：

無緩沖(鋼質材料)時測得的幅值高為

h1=180－8=172

有緩沖時測得的幅值高為

h2=(180－115)/100=0.65

緩沖效率

圖4緩沖材料置于物體A內

兩種緩沖器射擊密集度對比表

(2)將緩沖材料置于物體A內，在“測量撞擊參量多功能實驗系統”上，使物體A獲得一定速度后攜帶緩沖材料撞擊鋼質物體B，見圖4。

通過大量實驗測量，找出了緩沖材料、結構、排列對緩沖效率影響的規律，并探討出了該類型式的“高效減力緩沖器”。

4應用實列

4.1機框(活動機件)緩沖效率提高

選用54式12.7mm高射機槍，因為該槍已經有了機框彈簧緩沖裝置，用“高效減力緩沖器”代替金屬緩沖器即可。分別在緩沖筒內裝“鋼質材料”及“高效減力緩沖器”，并分別測其撞擊力，結果如圖5、圖6所示(圖6放大100倍)。

緩沖效率(各取兩組數據)

4.2提高了連發射擊密集度

1992年在桂林陸軍學院將裝于54式12.7mm高射機槍上的“高效減力緩沖器”，與原槍彈簧緩沖器進行了連發射擊密集度對比試驗。射擊距離100mm，各射5靶，每靶10發(連發)，結果如表所示：

根據計算結果，高效減力緩沖器比原槍彈簧緩沖器的連發射擊密集度(R70)提高了132％。

5結論

5.1緩沖原理新

它擺脫了傳統的吸能緩沖技術原理，而是根據波動原理和材料的動態性能，是國內外首次提出來的一種“新的緩沖原理”。

5.2緩沖效率高

在滿足緩沖條件下，在短的行程內，該緩沖器可獲得“90％”以上的緩沖效率。

5.3可大幅地提高武器連發射擊密集度

將“高效減力緩沖器”裝在54式12.7mm高射機槍緩沖筒內，其撞擊力比無緩沖器時減小了“99％”；比原槍彈簧緩沖器連發射擊密集度提高了“132％”。這充分說明了在相同條件下，高效減力緩沖器緩沖效果十分明顯。由于緩沖效率高，活動件后坐到位的撞擊力大幅度減小，使振動大為減輕，翻倒力矩亦減小，理所當然的會提高武器連發射擊密集度。

5.4可提高受撞零件的壽命

由于“高效減力緩沖器”使撞擊力大幅度地減小，受撞零件的應力亦減小，所以其壽命必定提高。

5.5能夠減少緊定件的松動

“高效減力緩沖器”使撞擊力大幅度地減小、振動減輕，這就使得用螺母螺釘等緊定件固定的部件受力條件改善而不易松動。例如用54式12.7mm高射機槍原槍的彈簧緩沖器射擊時，每打完一個點射(10發)后，表尺就松動變位，需要重新瞄準、緊定，才能再射擊；而換上“高效減力緩沖器”射擊時，打完了5個點射(每個點射亦10發)后，緊定件未松動，表尺位置未變動。

5.6裝在武器活動件上緩沖減振效果更佳

將“高效減力緩沖器”裝在武器活動件上，可使活動件兩次減振、緩沖，它適合于大口徑武器和導彈活動件的緩沖、減振。

6展望

“高效減力緩沖器”在滿足緩沖條件下，其緩沖效率可達“90％”以上，其連發射擊密集度可以成倍提高，尤其將它裝在武器活動件上時，其效果更佳。這種緩沖效率在武器研制史上并不多見，預計該項技術將會廣泛用于新武器研制和現有武器改造上以及其他民用機械?！?/p>

(編輯/魏開功)