彈性膠泥緩沖器結構分析以及與火炮的結合

山西中北大學機電工程學院 王偉 蘇鐵熊 仝志輝 芮亮

彈性膠泥緩沖器結構分析以及與火炮的結合

山西中北大學機電工程學院 王偉 蘇鐵熊 仝志輝 芮亮

本文以彈性膠泥的特性分析為基礎，把彈性膠泥緩沖器與火炮后坐相結合，代替火炮傳統的制退機和復進機設備，實現了單設備的緩沖減震，并對其進行有限元分析，了解重要部件的應力分布情況。

火炮反后坐；彈性膠泥；緩沖器；ansys

前言

火炮反后坐裝置的定義：在炮身與架體之間安裝的、用來耗散和儲存火炮射擊時后坐能量并使炮身復位的結構部件[1]。傳統的火炮反后坐裝置由兩部分組成——制退機和復進機，都在很大程度上使火炮的重量、結構和制造成本增加。此外，由于活塞桿復進時，液體的流速很低，制退機的節流孔產生的液壓阻力很小，對復進運動的作用有限，為了避免后坐部分在復進到位時的沖擊，在多數火炮上還需設置專門的復進節制器[1]。基于此，新型膠泥緩沖器的出現彌補了以上的不足，不僅自身設備能實現緩沖減震的目的，而且還由于其設備小，能更大程度地提高火炮的機動性，增加火炮的威力。彈性膠泥緩沖器的市場競爭力具有明顯優勢，我國正處于研發階段，因此有必要對其進行深入了解。

1 膠泥介質

彈性膠泥的介質材料是一種有機硅化合物，主要由未交聯混合物組成，其中一些包括聚硅氧烷、阻燃劑、抗壓劑等等。聚硅氧烷便是其中最主要的原料，它是一種高分子化合物，以硅氧鍵(或稱硅醚鍵)為特征，這些鍵是由彼此間隙的硅原子和氧原子相聯系而成的鏈或環[1]，由硅氧鍵組成的鍵可以達到相當大的程度，而且穩定性特別高，難以破壞。這樣分子鏈或環在運動時產生高阻尼效應，消耗外部動能，以達到緩沖的目的[2]。聚硅氧烷的分子在某種程度上和天然硅酸鹽的分子相似。因為它相當于用烴基取代了硅酸鹽分子的氫原子和金屬原子，堅固的si-o鍵決定了聚硅氧烷具有絕大部分硅有機和硅無機的化合物所具備的特性，在高溫或者低溫下就特別穩定，又因為si-o鍵的化學鍵的鍵能大，所以對各種化學試劑也十分穩定[3]。

2 彈性膠泥緩沖器的組成結構以及工作原理

2.1 結構組成分析

據大多數國內外數據資料分析，彈性膠泥緩沖器包括如圖1所示的組成結構：活塞、活塞桿、缸蓋、密封圈、活塞缸等。

圖1 彈性膠泥緩沖器示意圖

2.2 彈性膠泥緩沖器在火炮運用中的工作原理

活塞桿和火炮后坐部分固連在一起，兩缸中都充滿了硅膠泥，并且膠泥都有一定的預壓力。預壓力不能過小，若太小的話，就不能使火炮回復到最初位置。相反，如果初壓力選取過大，會使得緩沖器的最大吸收率減小。火炮發射后，產生向后的沖擊波，當大于預壓力后，活塞缸里的膠泥被壓縮，膠泥通過活塞上的小孔以及缸壁和活塞的環形間隙向另一側流動。這一過程中發生的摩擦力以及膠泥本身的內在運動都要消耗一部分動能，阻礙活塞向后運動，另一部分動能儲存在彈性膠泥里（此時相當于傳統火炮反后坐裝置中的制退機）。當沖擊波減小或消失以后，膠泥里的彈性勢能釋放，兩缸中的膠泥都要恢復到初始狀態，推動活塞桿以及活塞一起向前運動，使火炮復位，再次達到平衡位置（此時相當于傳統火炮反后坐裝置中的復進機）。

3 彈性膠泥緩沖器重要部件的有限元分析

從前面對彈性膠泥緩沖器工作原理以及結構分析可以知道，彈性膠泥緩沖器的所有零件中，活塞桿與活塞的受力為最關鍵的部件，以下是對這個零部件的有限元分析。

考慮到活塞桿的強度和剛度，活塞桿的材料一般用45、40Cr[4]。這里我們選擇45鋼作為分析對象，長度為 150mm，直徑為 20mm。其中 45鋼 ρ=7.89× 103kg/m3，泊松比λ=0.3，楊氏模量E=2.09×1011pa[5]。

3.1活塞桿的有限元分析的前處理

在ansys的前處理分析中，活塞上的細孔處應力集中較為明顯，為了不影響整體分析的效果，對活塞以及活塞桿的倒角，細長小孔做了簡化處理。在ansys中直接建立模型，并對其進行了網格劃分。劃分結果如圖2所示。

圖2 活塞以及活塞桿有限元分析模型

3.2 活塞桿及活塞的初步分析

圖3 節點位移云圖以及模型受壓變形圖

本文中活塞桿與火炮反后坐固連在一起，活塞與彈性膠泥直接接觸，因此我們把活塞與膠泥接觸的斷面全約束，把活塞桿與火炮接觸的斷面給予壓強為1800pa的壓力，然后進行求解仿真，得出如下結果。圖3為節點位移圖以及活塞受力變形圖。通過對圖形（c）的分析可知，當活塞桿受壓時，z向的最大變形量為0.113×10-5mm，微量的位移變形則不會影響活塞桿的正常工作。由圖（a）和圖（b）可知，在受壓時，活塞的變形較為顯著，因此，設計活塞時要選用合適的材料和結構尺寸。

我們將有限元分析的模型結果導入到這里，如圖4所示，并對應力圖的結果進行必要的討論。

圖4 模型的應力云圖

由于x方向和y方向一致，因此我們只觀測x方向的應力云圖，從圖（e）和圖（f）中我們可以看出，與膠泥接觸的地方應力相對較小，這正是我們希望看到的結果，當預壓力過大時，也不會發生剛性接觸，但是在活塞與桿的連接處，存在應力集中現象。因此我們在設計活塞與桿的聯系時，盡量采用圓滑的過度，減少應力集中的影響，避免降低活塞桿和活塞的強度。

4 結束語

由于國外技術的保密，我國有關膠泥緩沖器的研發進展十分緩慢[6]，本文創新性地把彈性膠泥緩沖器應用于火炮的反后坐裝置中，并對關鍵零件進行了有限元的仿真分析。對仿真圖形的了解，對我們今后設計彈性膠泥緩沖器有著重要的指導意義。

[1]高躍飛,火炮反后坐裝置設計[M].北京：國防工業出版社, 2010.06：2-3.

[2]周光強,楊麗娜,楊愛軍,孫中戰.彈性膠泥特性及其緩沖器的研究進展[J].有機硅材料,2011(01)：40-43.

[3]（蘇）克列什科夫,А.П.著;孫載堅譯.硅有機化合物及其應用[M].北京：中國工業出版社,1962：13-22.

[4]孫省己.活塞桿材料及其熱處理（一）[J].沈陽市：壓縮機技術,1994(02)：18-19.

[5]潘家禎.壓力容器材料實用手冊碳鋼及合金剛[M].北京市：化學工業出版社,2000：176-181.

[6]李克興.彈性膠泥減震器在國內外的研究和應用(下)[J].青島市：鐵道車輛,1995(06)，32-35.

王偉，1986出生，陜西省榆林市人，研究生，研究方向：機動武器技術。