某火箭炮閉鎖機(jī)構(gòu)工作性能分析

武秋生，馬大為，肖 雄

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

閉鎖機(jī)構(gòu)的作用是在發(fā)射前將火箭彈固定在定向器內(nèi)，保證火箭彈在行軍時(shí)和準(zhǔn)備發(fā)射階段在定向器內(nèi)相對(duì)位置不發(fā)生改變，當(dāng)發(fā)射時(shí)推力產(chǎn)生，能夠?yàn)榛鸺龔椞峁┙y(tǒng)一的閉鎖力。實(shí)踐證明，穩(wěn)定的閉鎖力對(duì)提高射擊密集度有幫助作用，其道理在于使一組火箭彈具備較一致的離軌速度，可以減少由于離軌速度散差造成的落點(diǎn)角偏差［1］。

本文針對(duì)某火箭炮改進(jìn)型閉鎖機(jī)構(gòu)，為了研究其工作性能，對(duì)該閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖力大小進(jìn)行了測(cè)試。由于實(shí)際發(fā)射時(shí)，定向鈕與閉鎖機(jī)構(gòu)之間是一個(gè)高速?zèng)_擊的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程，所以該測(cè)試結(jié)果只能作為參考值，并不能代表在實(shí)際發(fā)射工況下定向鈕所受約束力的大小。然而實(shí)際發(fā)射試驗(yàn)存在著耗資大，準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)難以采集等諸多弊端。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，可以利用計(jì)算機(jī)和有限元軟件對(duì)閉鎖器進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的研究。基于此，本文建立閉鎖機(jī)構(gòu)的有限元模型，研究了該閉鎖機(jī)構(gòu)發(fā)射條件下的工作性能。

由于閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖力在發(fā)射過(guò)程中是不斷變化的力，因此它的取值有爭(zhēng)議。陳四春等［2］提到將定向鈕穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)且速度達(dá)到火箭彈設(shè)計(jì)初速1%時(shí)的推力值作為閉鎖力，姜勇等［3］則認(rèn)為應(yīng)將定向鈕所受約束力跳動(dòng)之前的穩(wěn)定值作為有效閉鎖力。在傳統(tǒng)的閉鎖力解析式中，閉鎖力隨卡簧撓度的變化而變化，當(dāng)撓度為零時(shí)，閉鎖力最大，將其定義為閉鎖器的最大閉鎖力，并作為設(shè)計(jì)閉鎖機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)。本文通過(guò)對(duì)發(fā)射條件下定向鈕與閉鎖機(jī)構(gòu)之間相互作用歷程的分析，認(rèn)為應(yīng)將定向鈕所受最大約束力作為閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖力。

1 閉鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

卡簧式閉鎖機(jī)構(gòu)由卡簧和螺栓組成，如圖1 所示。圖1上面的閉鎖機(jī)構(gòu)為初始設(shè)計(jì)，閉鎖器為改進(jìn)型。初始閉鎖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷在于過(guò)度依賴于傳統(tǒng)的解析式［4］。由于該閉鎖機(jī)構(gòu)的螺栓與傳統(tǒng)閉鎖器相比缺少球形部，使得卡簧變形集中在右半側(cè)，所以在初始設(shè)計(jì)時(shí)閉鎖器的閉鎖力被高估，使得實(shí)際的閉鎖力達(dá)不到設(shè)計(jì)值(設(shè)計(jì)值為1.8 ×104±500 N)，而且其抵抗破壞的能力也比較弱。經(jīng)過(guò)對(duì)虛線圈所示部位進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，單片卡簧的厚度由14 mm增加到18 mm，得到改進(jìn)型的閉鎖機(jī)構(gòu)。

閉鎖機(jī)構(gòu)工作時(shí)左端被固定在定位環(huán)內(nèi)，右端鎖住定向鈕。點(diǎn)火后，當(dāng)火箭彈推力大于閉鎖力時(shí)，閉鎖機(jī)構(gòu)右端將被迫張開(kāi)，完成發(fā)射過(guò)程。

圖1 閉鎖器結(jié)構(gòu)示意圖

2 閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖力試驗(yàn)

文獻(xiàn)［1 -2］均表明在一定范圍內(nèi)，閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖力隨著預(yù)緊力的增大而增大，因此要獲得較穩(wěn)定的閉鎖力，就必須對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)預(yù)緊力進(jìn)行控制。以往控制閉鎖機(jī)構(gòu)預(yù)緊力的方法是將螺栓上螺母的旋進(jìn)量(即卡簧的預(yù)緊撓度)作為控制量。本文利用測(cè)力扳手或定扭矩扳手來(lái)控制螺母的擰緊力矩，能夠更精確的控制閉鎖機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力。

測(cè)試試驗(yàn)所用儀器為日本島津材料試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為AG-100KNI M2，測(cè)試裝置如圖2 所示。試驗(yàn)中用直徑12 mm圓棒代替定向鈕，通過(guò)定扭矩扳手為閉鎖機(jī)構(gòu)試樣施加不同的預(yù)緊力。通過(guò)緩慢加載，測(cè)試閉鎖機(jī)構(gòu)在不同擰緊力矩下閉鎖力的大小。

圖2 測(cè)試裝置

部分測(cè)試結(jié)果如表1 所示。通過(guò)表1 中測(cè)試結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

1)將測(cè)試編號(hào)1 -2 的閉鎖力數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值(1.8 ×104±500 N)對(duì)比，表明改進(jìn)型的閉鎖機(jī)構(gòu)在適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力條件下，閉鎖力的大小可以滿足設(shè)計(jì)值。

2)通過(guò)對(duì)比不同擰緊力矩條件下的閉鎖力的數(shù)值，表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)，擰緊力矩每增加5 N·m，閉鎖力大約增大1 000 N。

3)通過(guò)對(duì)比相同擰緊力矩時(shí)的閉鎖力數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)閉鎖機(jī)構(gòu)被施加同一擰緊力矩時(shí)，其閉鎖力的值比較穩(wěn)定，說(shuō)明本文提出的預(yù)緊力施加方法是可靠的。

表1 閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖力試驗(yàn)結(jié)果

3 有限元?jiǎng)恿W(xué)分析

為了研究閉鎖機(jī)構(gòu)在發(fā)射條件下的工作性能，采用有限元?jiǎng)恿W(xué)的方法建立閉鎖機(jī)構(gòu)的有限元模型，通過(guò)仿真計(jì)算，可以得到定向鈕與閉鎖機(jī)構(gòu)之間的作用歷程。

3.1 有限元模型的搭建

在SolidWorks 中建立閉鎖機(jī)構(gòu)的三維幾何模型，通過(guò)中間格式導(dǎo)入有限元軟件ABAQUS，將各個(gè)部件用減縮積分六面體單元(C3D8R)劃分網(wǎng)格后，如圖3 所示。根據(jù)所用材料將其彈性模量定為206 GPa，泊松比為0.3，定向鈕與閉鎖機(jī)構(gòu)之間摩擦系數(shù)設(shè)為0.15。

圖3 閉鎖器有限元模型

分析步定義:動(dòng)力學(xué)計(jì)算分兩步進(jìn)行，第1 步在通用分析模塊Abaqus/Standard 中加載預(yù)緊力，第2 步在顯示動(dòng)力學(xué)分析模塊Abaqus/Explicit 模塊中進(jìn)行，把第一步的計(jì)算結(jié)果作為初始狀態(tài)導(dǎo)入，然后加載火箭彈推力，進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析。

火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力的施加:根據(jù)火箭彈推力曲線和閉鎖力可知，火箭彈的穩(wěn)定推力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閉鎖力，因此閉鎖機(jī)構(gòu)工作在火箭彈推力上升階段(點(diǎn)火后30 ms)，所以只需在定向鈕上施加發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后推力上升段的推力即可，該推力值從點(diǎn)火開(kāi)始到第30 ms 均勻增加到248 000 N。

為便于分析，閉鎖機(jī)構(gòu)的有限元模型基于以下假設(shè):

1)定向鈕和定位環(huán)都定義為剛體，定位環(huán)與大地固連。

2)將火箭彈簡(jiǎn)化為定向鈕上附加點(diǎn)質(zhì)量。

3)定向鈕所受推力沿X 軸方向，不考慮推力偏心的影響。

閉鎖機(jī)構(gòu)的預(yù)緊力是通過(guò)定扭矩扳手施加的，在模型中，由于螺栓已經(jīng)簡(jiǎn)化，擰緊力矩M 的施加并不可行，可以通過(guò)施加螺栓載荷F(Bolt Load)來(lái)代替。擰緊力矩M 與螺栓載荷F 之間的關(guān)系［5］為

式(1)中:D 為螺紋公稱直徑(mm);F 為預(yù)緊力(N); K 為阻力系數(shù)閉鎖器所用螺栓直徑12 mm，阻力系數(shù)取0.2。從第2小節(jié)結(jié)論1)可知在施加6 N·m 擰緊力矩時(shí)，閉鎖力已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此僅仿真閉鎖機(jī)構(gòu)不加擰緊力矩和擰緊力矩為6 N·m 兩種情況。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)兩種預(yù)緊力情況下的有限元?jiǎng)恿W(xué)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同預(yù)緊力下的計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)比表2 中的閉鎖力與第1 小節(jié)中的試驗(yàn)得到的閉鎖力，可以得到以下結(jié)論:

1)試驗(yàn)條件下測(cè)得的閉鎖力數(shù)值與有限元計(jì)算的閉鎖力的數(shù)值有很大差別。表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以作為閉鎖器閉鎖能力的參考，但是不能代表發(fā)射時(shí)閉鎖機(jī)構(gòu)與定向鈕之間復(fù)雜的相互作用力。

2)不同預(yù)緊力下火箭彈掙脫閉鎖機(jī)構(gòu)時(shí)的速度是不同的。確定閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖力設(shè)計(jì)值時(shí)應(yīng)考慮到其對(duì)火箭彈離軌速度的影響。

定向鈕與卡簧之間的接觸力包括摩擦力和接觸壓力產(chǎn)生的反作用力兩部分。閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖力就是定向鈕所受接觸力在X 軸的分量FX。摩擦力在X 軸的分量為f，通過(guò)查看摩擦力在閉鎖力中所占比例，得到摩擦條件對(duì)閉鎖力的影響。當(dāng)閉鎖機(jī)構(gòu)螺栓的擰緊力矩為6 N·m 時(shí)，根據(jù)式(1)施加2 400 N 預(yù)緊力，得到的定向鈕沿射向(即X 軸方向)的受力曲線如圖4 所示。

圖4 擰緊力矩為6 N·m 時(shí)定向鈕受力曲線

提取幾個(gè)時(shí)刻的定向鈕和閉鎖機(jī)構(gòu)作用位置，如圖5 所示，以及閉鎖機(jī)構(gòu)右端開(kāi)口Y 軸方向位移曲線，如圖6 所示，定向鈕沿射向的速度與加速度曲線，如圖7 所示。

圖5 定向鈕與閉鎖機(jī)構(gòu)相對(duì)位置變化

圖6 閉鎖機(jī)構(gòu)右端開(kāi)口Y 軸方向位移

圖7 定向鈕速度與加速度曲線

從圖4 可以看出，定向鈕在0 到3.7 ms 不受約束力，這段時(shí)間是定向鈕在推力作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，與閉鎖機(jī)構(gòu)消除初始間隙;從3.7 ms 到22.5 ms 為定向鈕與閉鎖機(jī)構(gòu)相互作用時(shí)間;其中，從3.7 ms 到11.6 ms 約束力一直在增加，圖5 表明，這段時(shí)間內(nèi)，定向鈕沿卡簧右端AB 段滑動(dòng)，由于AB 段為平面，所以定向鈕所受接觸壓力垂直于AB 面指向定向鈕軸心。隨著卡簧被推開(kāi)，其彈性勢(shì)能越來(lái)越大，回彈力也在增大，故定向鈕所受約束力沿X 軸分量也就越來(lái)越大，并且11.6 ms 時(shí)約束力達(dá)到最大值24 030 N，此時(shí)摩擦力貢獻(xiàn)的閉鎖力為1 803.52 N，所占比例為7.5%。從11.6 ms 到17.7 ms，約束力逐漸下降，這是因?yàn)槎ㄏ蜮o上的受力點(diǎn)由C點(diǎn)慢慢滑動(dòng)至D 點(diǎn)，接觸壓力與X 軸負(fù)向的夾角越來(lái)越大，使得接觸壓力在X 軸分量越來(lái)越小，因此定向鈕X 軸向所受約束力也越來(lái)越小。從17.7 ms 到20.1 ms 定向鈕正好在上下卡簧之間，圖4 中可以看出這段時(shí)間摩擦力的絕對(duì)值比閉鎖力的絕對(duì)值大，可以斷定這段時(shí)間內(nèi)卡簧對(duì)定向鈕的接觸壓力起到往外推擠的力，這段時(shí)間定向鈕所受約束力比較穩(wěn)定。從20.1 ms 之后，定向鈕掙脫出閉鎖體，但是繼續(xù)與卡簧右端外壁發(fā)生接觸，所以此時(shí)定向鈕所受接觸力變?yōu)閄 軸正向。從圖6 可以看出，11.6 ms 之前卡簧右端張口速度越來(lái)越快，而從11.6 ms 到17.7 ms 之間張口的速度變慢，就是因?yàn)閺?1.6 ms 開(kāi)始，卡簧E 點(diǎn)與定向鈕接觸，且沿著圓弧CD 滑行，所以卡簧開(kāi)口的速度呈現(xiàn)出先大后小的情況。

圖7 表明:在定向鈕掙脫閉鎖器期間加速度一直為正，振蕩幅度不大，而圖4 中閉鎖力振蕩比較明顯。這是因?yàn)殚]鎖力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于火箭彈的推力值，比如10 ms 時(shí)，定向鈕所受閉鎖力為14 768.6 N，而此時(shí)的推力值已經(jīng)達(dá)到82 666.67 N，所以即使閉鎖力發(fā)生振蕩，定向鈕的加速度幾乎不受影響，總體上是均勻增加的。

根據(jù)以上定向鈕與閉鎖機(jī)構(gòu)相互作用歷程分析，本文認(rèn)為，定向鈕在射向所受的最大約束力就是閉鎖機(jī)構(gòu)在發(fā)射時(shí)所提供的閉鎖力。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某新型火箭炮閉鎖機(jī)構(gòu)，首先通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了其閉鎖力，然后運(yùn)用非線性有限元?jiǎng)恿W(xué)方法，計(jì)算了發(fā)射條件下定向鈕與閉鎖機(jī)構(gòu)之間相互作用歷程，得到以下結(jié)論:通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試該閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖力，測(cè)試結(jié)果說(shuō)明該閉鎖機(jī)構(gòu)在適當(dāng)?shù)臄Q緊力矩下能夠達(dá)到閉鎖力設(shè)計(jì)值。通過(guò)對(duì)閉鎖機(jī)構(gòu)仿真分析，得到該閉鎖機(jī)構(gòu)在發(fā)射條件下，當(dāng)擰緊力矩為6 N·m 時(shí)，閉鎖力的大小為24 030 N。

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