某火箭炮閉鎖機構工作性能分析

武秋生，馬大為，肖 雄

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

閉鎖機構的作用是在發射前將火箭彈固定在定向器內，保證火箭彈在行軍時和準備發射階段在定向器內相對位置不發生改變，當發射時推力產生，能夠為火箭彈提供統一的閉鎖力。實踐證明，穩定的閉鎖力對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角偏差［1］。

本文針對某火箭炮改進型閉鎖機構，為了研究其工作性能，對該閉鎖機構的閉鎖力大小進行了測試。由于實際發射時，定向鈕與閉鎖機構之間是一個高速沖擊的非線性動力學過程，所以該測試結果只能作為參考值，并不能代表在實際發射工況下定向鈕所受約束力的大小。然而實際發射試驗存在著耗資大，準備周期長，環境復雜，數據難以采集等諸多弊端。隨著有限元技術的發展，可以利用計算機和有限元軟件對閉鎖器進行瞬態動力學的研究。基于此，本文建立閉鎖機構的有限元模型，研究了該閉鎖機構發射條件下的工作性能。

由于閉鎖機構的閉鎖力在發射過程中是不斷變化的力，因此它的取值有爭議。陳四春等［2］提到將定向鈕穩定運動且速度達到火箭彈設計初速1%時的推力值作為閉鎖力，姜勇等［3］則認為應將定向鈕所受約束力跳動之前的穩定值作為有效閉鎖力。在傳統的閉鎖力解析式中，閉鎖力隨卡簧撓度的變化而變化，當撓度為零時，閉鎖力最大，將其定義為閉鎖器的最大閉鎖力，并作為設計閉鎖機構的主要參數。本文通過對發射條件下定向鈕與閉鎖機構之間相互作用歷程的分析，認為應將定向鈕所受最大約束力作為閉鎖機構的閉鎖力。

1 閉鎖機構結構

卡簧式閉鎖機構由卡簧和螺栓組成，如圖1 所示。圖1上面的閉鎖機構為初始設計，閉鎖器為改進型。初始閉鎖結構的設計缺陷在于過度依賴于傳統的解析式［4］。由于該閉鎖機構的螺栓與傳統閉鎖器相比缺少球形部，使得卡簧變形集中在右半側，所以在初始設計時閉鎖器的閉鎖力被高估，使得實際的閉鎖力達不到設計值(設計值為1.8 ×104±500 N)，而且其抵抗破壞的能力也比較弱。經過對虛線圈所示部位進行加厚設計，單片卡簧的厚度由14 mm增加到18 mm，得到改進型的閉鎖機構。

閉鎖機構工作時左端被固定在定位環內，右端鎖住定向鈕。點火后，當火箭彈推力大于閉鎖力時，閉鎖機構右端將被迫張開，完成發射過程。

圖1 閉鎖器結構示意圖

2 閉鎖機構閉鎖力試驗

文獻［1 -2］均表明在一定范圍內，閉鎖機構的閉鎖力隨著預緊力的增大而增大，因此要獲得較穩定的閉鎖力，就必須對閉鎖機構預緊力進行控制。以往控制閉鎖機構預緊力的方法是將螺栓上螺母的旋進量(即卡簧的預緊撓度)作為控制量。本文利用測力扳手或定扭矩扳手來控制螺母的擰緊力矩，能夠更精確的控制閉鎖機構的預緊力。

測試試驗所用儀器為日本島津材料試驗機，型號為AG-100KNI M2，測試裝置如圖2 所示。試驗中用直徑12 mm圓棒代替定向鈕，通過定扭矩扳手為閉鎖機構試樣施加不同的預緊力。通過緩慢加載，測試閉鎖機構在不同擰緊力矩下閉鎖力的大小。

圖2 測試裝置

部分測試結果如表1 所示。通過表1 中測試結果可以得出以下結論:

1)將測試編號1 -2 的閉鎖力數據與設計值(1.8 ×104±500 N)對比，表明改進型的閉鎖機構在適當的預緊力條件下，閉鎖力的大小可以滿足設計值。

2)通過對比不同擰緊力矩條件下的閉鎖力的數值，表明在試驗范圍內，擰緊力矩每增加5 N·m，閉鎖力大約增大1 000 N。

3)通過對比相同擰緊力矩時的閉鎖力數值，可以發現當閉鎖機構被施加同一擰緊力矩時，其閉鎖力的值比較穩定，說明本文提出的預緊力施加方法是可靠的。

表1 閉鎖機構的閉鎖力試驗結果

3 有限元動力學分析

為了研究閉鎖機構在發射條件下的工作性能，采用有限元動力學的方法建立閉鎖機構的有限元模型，通過仿真計算，可以得到定向鈕與閉鎖機構之間的作用歷程。

3.1 有限元模型的搭建

在SolidWorks 中建立閉鎖機構的三維幾何模型，通過中間格式導入有限元軟件ABAQUS，將各個部件用減縮積分六面體單元(C3D8R)劃分網格后，如圖3 所示。根據所用材料將其彈性模量定為206 GPa，泊松比為0.3，定向鈕與閉鎖機構之間摩擦系數設為0.15。

圖3 閉鎖器有限元模型

分析步定義:動力學計算分兩步進行，第1 步在通用分析模塊Abaqus/Standard 中加載預緊力，第2 步在顯示動力學分析模塊Abaqus/Explicit 模塊中進行，把第一步的計算結果作為初始狀態導入，然后加載火箭彈推力，進行顯示動力學分析。

火箭彈發動機推力的施加:根據火箭彈推力曲線和閉鎖力可知，火箭彈的穩定推力值遠遠超過閉鎖力，因此閉鎖機構工作在火箭彈推力上升階段(點火后30 ms)，所以只需在定向鈕上施加發動機點火后推力上升段的推力即可，該推力值從點火開始到第30 ms 均勻增加到248 000 N。

為便于分析，閉鎖機構的有限元模型基于以下假設:

1)定向鈕和定位環都定義為剛體，定位環與大地固連。

2)將火箭彈簡化為定向鈕上附加點質量。

3)定向鈕所受推力沿X 軸方向，不考慮推力偏心的影響。

閉鎖機構的預緊力是通過定扭矩扳手施加的，在模型中，由于螺栓已經簡化，擰緊力矩M 的施加并不可行，可以通過施加螺栓載荷F(Bolt Load)來代替。擰緊力矩M 與螺栓載荷F 之間的關系［5］為

式(1)中:D 為螺紋公稱直徑(mm);F 為預緊力(N); K 為阻力系數閉鎖器所用螺栓直徑12 mm，阻力系數取0.2。從第2小節結論1)可知在施加6 N·m 擰緊力矩時，閉鎖力已經達到設計指標，因此僅仿真閉鎖機構不加擰緊力矩和擰緊力矩為6 N·m 兩種情況。

3.2 計算結果分析

針對兩種預緊力情況下的有限元動力學計算結果如表2所示。

表2 不同預緊力下的計算結果

通過對比表2 中的閉鎖力與第1 小節中的試驗得到的閉鎖力，可以得到以下結論:

1)試驗條件下測得的閉鎖力數值與有限元計算的閉鎖力的數值有很大差別。表明試驗數據可以作為閉鎖器閉鎖能力的參考，但是不能代表發射時閉鎖機構與定向鈕之間復雜的相互作用力。

2)不同預緊力下火箭彈掙脫閉鎖機構時的速度是不同的。確定閉鎖機構閉鎖力設計值時應考慮到其對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生的反作用力兩部分。閉鎖機構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，通過查看摩擦力在閉鎖力中所占比例，得到摩擦條件對閉鎖力的影響。當閉鎖機構螺栓的擰緊力矩為6 N·m 時，根據式(1)施加2 400 N 預緊力，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 時定向鈕受力曲線

提取幾個時刻的定向鈕和閉鎖機構作用位置，如圖5 所示，以及閉鎖機構右端開口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 定向鈕與閉鎖機構相對位置變化

圖6 閉鎖機構右端開口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，這段時間是定向鈕在推力作用下開始運動，與閉鎖機構消除初始間隙;從3.7 ms 到22.5 ms 為定向鈕與閉鎖機構相互作用時間;其中，從3.7 ms 到11.6 ms 約束力一直在增加，圖5 表明，這段時間內，定向鈕沿卡簧右端AB 段滑動，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，其彈性勢能越來越大，回彈力也在增大，故定向鈕所受約束力沿X 軸分量也就越來越大，并且11.6 ms 時約束力達到最大值24 030 N，此時摩擦力貢獻的閉鎖力為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，這是因為定向鈕上的受力點由C點慢慢滑動至D 點，接觸壓力與X 軸負向的夾角越來越大，使得接觸壓力在X 軸分量越來越小，因此定向鈕X 軸向所受約束力也越來越小。從17.7 ms 到20.1 ms 定向鈕正好在上下卡簧之間，圖4 中可以看出這段時間摩擦力的絕對值比閉鎖力的絕對值大，可以斷定這段時間內卡簧對定向鈕的接觸壓力起到往外推擠的力，這段時間定向鈕所受約束力比較穩定。從20.1 ms 之后，定向鈕掙脫出閉鎖體，但是繼續與卡簧右端外壁發生接觸，所以此時定向鈕所受接觸力變為X 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越快，而從11.6 ms 到17.7 ms 之間張口的速度變慢，就是因為從11.6 ms 開始，卡簧E 點與定向鈕接觸，且沿著圓弧CD 滑行，所以卡簧開口的速度呈現出先大后小的情況。

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。這是因為閉鎖力遠遠小于火箭彈的推力值，比如10 ms 時，定向鈕所受閉鎖力為14 768.6 N，而此時的推力值已經達到82 666.67 N，所以即使閉鎖力發生振蕩，定向鈕的加速度幾乎不受影響，總體上是均勻增加的。

根據以上定向鈕與閉鎖機構相互作用歷程分析，本文認為，定向鈕在射向所受的最大約束力就是閉鎖機構在發射時所提供的閉鎖力。

4 結論

本文針對某新型火箭炮閉鎖機構，首先通過試驗測試了其閉鎖力，然后運用非線性有限元動力學方法，計算了發射條件下定向鈕與閉鎖機構之間相互作用歷程，得到以下結論:通過試驗測試該閉鎖機構的閉鎖力，測試結果說明該閉鎖機構在適當的擰緊力矩下能夠達到閉鎖力設計值。通過對閉鎖機構仿真分析，得到該閉鎖機構在發射條件下，當擰緊力矩為6 N·m 時，閉鎖力的大小為24 030 N。

［1］賀北斗，林永明，曹聽榮.火箭發射裝置設計［M］.北京:國防工業出版社，1988.

［2］陳四春.火箭炮閉鎖機構工作過程瞬態動力學分析［J］.南京理工大學學報，2014，38(5):608-614.

［3］姜勇，楊全，樂貴高.某火箭炮閉鎖擋彈器結構設計與仿真分析［J］.彈箭與制導學報，2011，31(50):119-122.

［4］李軍，馬大為，曹聽榮.火箭發射系統設計［M］.北京:國防工業出版社，2008.

［5］楊叔子，李斌，張福潤.機械加工工藝師手冊(單行本機械裝配)［M］.北京:機械工業出版社，2012.

［6］吳茂林，梁洪濤. 某彈簧式閉鎖機構分析與仿真［J］.四川兵工學報，2014(8):5-7.