基于內置拉簧的火炮液壓調平支腿設計與應用

王躍進， 楊衛超， 馮保忠， 郭子鵬

(西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

引言

隨著現代戰爭對火炮射擊精度的要求不斷提高，使得火炮對其炮床的水平精度要求也愈來愈高，尤其對于機動性較高的車載火炮平臺[1]通常要求具有快速調平功能。傳統的平臺調平[2]主要有機電調平系統和電液調平系統。由于火炮平臺自身重，射擊后坐力大，要求調平支腿[3-4]承載大、抗彎能力強，通常采用電液調平系統。電液調平系統通常采用多個液壓調平支腿在電氣系統的控制下按照一定策略控制各活塞桿伸出或縮回，從而實現火炮平臺的快速調平、鎖定與撤收。

傳統液壓調平支腿通常采用雙作用油缸[5-8]與座盤組成執行與承載元件，其撤收一般通過液壓系統將活塞桿縮回，依靠液壓鎖實現其到位鎖定，完成火炮戰行轉換。倘若火炮在越野途中液壓鎖失效， 活塞桿會在自重和沖擊的作用下自動滑落，將有導致火炮傾覆的危險。為消除這一危險因素，避免火炮行軍途中液壓調平支腿的活塞桿意外伸出，設計了基于內置拉簧的火炮液壓調平支腿。該液壓調平支腿不僅承載大、質量輕，活塞桿行軍鎖定可靠，而且具有自回桿功能，已成功應用于某中口徑車載高炮，取得了良好效果。

1 傳統液壓調平支腿典型結構

液壓調平支腿作為液壓調平系統的執行元件，主要由調平油缸和座盤組成，通過活塞桿頭部的球頭與座盤的球窩連接，以適應不同路面，通常分布于火炮平臺四周。調平油缸主要由缸筒、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋、導向套以及密封組件等組成。活塞桿通常為實心桿件，頭部直接設計與座盤球窩連接的球頭，其結構簡單，制造容易，成本較低，但存在液壓鎖失效或油缸泄漏而使活塞桿自動滑落的風險，不利于火炮裝備的安全性設計。傳統液壓調平支腿的典型結構如圖1所示，采用下安裝方式，依靠缸筒外壁的底部軸肩承載，中部螺母與底盤固定，但不便于液壓調平支腿的拆裝與維修。

1.后端蓋 2.活塞 3.活塞桿 4.導向套5.密封組件 6.前端蓋 7.座盤圖1 傳統液壓調平支腿典型結構

2 內置拉簧液壓調平支腿結構設計

內置拉簧的火炮液壓調平支腿從外觀看與傳統液壓調平支腿并無兩樣，其最大的特點就是通過空心活塞桿在調平支腿中內置1根雙錐拉簧，將調平支腿的后端蓋與球頭彈性連接，其拉簧在活塞桿完全縮回的拉力大于活塞桿與座盤的重力以及活塞桿與油缸之間的摩擦力，依靠簧力直接將活塞桿可靠保持在行軍位置，消除了傳統液壓鎖失效(或不可靠)而導致的活塞桿自動滑落的不安全因素，同時可利用簧力將伸出的活塞桿在大腔解鎖后自動拉回，具有自回桿功能。同時為了提高液壓調平支腿的抓地力，阻止火炮射擊時底盤的大范圍滑移，提高射擊精度與穩定性，將座盤設計成空腔鑼形鋸齒狀炮腳。內置拉簧的火炮液壓調平支腿結構如圖2所示。

內置拉簧的液壓調平支腿主要由調平油缸、 炮腳以及限位套組成， 調平油缸與炮腳采用球面連接。調平油缸主要由缸筒、 活塞桿、拉簧、球頭、導向套、前端蓋、法蘭、后端蓋、鎖緊螺母、堵蓋以及密封組件等組成。其中活塞桿與活塞一體化設計成空心雙錐結構的等強度活塞桿，靠近活塞一側設計限位軸肩，保證活塞桿在全部伸出時仍有足夠的支承長度，在抵抗火炮射擊強大后坐力(活塞桿受側向力)的前提下可有效減輕重量；整個活塞桿外表面采用先鍍鎳再鍍硬鉻的處理工藝，以提升液壓調平支腿在惡劣環境下的防腐蝕性能。

1.后端蓋 2.缸筒 3.拉簧 4.活塞桿 5.法蘭6.導向套 7.前端蓋 8.球頭 9.炮腳 10.球頭蓋11.限位套 12.密封組件 13.鎖緊螺母 14.堵蓋圖2 內置拉簧液壓調平支腿結構

缸筒內壁采用鍍硬鉻處理工藝，可提高其耐磨性與抗壓強度，外表面設計成臺階狀，在保證強度的前提下可適當減重；缸筒底部設計與火炮底盤配合的止口，采用上大下小的形式，止口上方設計用于支腿軸向定位和承載的軸肩，便于從底盤上方安裝。

拉簧為雙錐預應力拉簧，兩端留有安裝拉簧和承受拉力的螺紋座，穿過活塞桿內孔，一端與球頭連接，另一端與鎖緊螺母連接，其初始簧力大于活塞桿與炮腳的重力以及活塞桿與缸筒之間的摩擦力。

球頭與活塞桿采用螺紋連接，徑向圓柱面設計O形圈密封溝槽，頂部留有安裝拉簧的螺紋孔，球面滲碳處理。后端蓋為焊接結構件，與缸筒螺紋連接，O形圈徑向密封；鎖緊螺母在與拉簧連接后沉入后端蓋的臺階孔內，承受簧力，可將活塞桿牢牢鎖定在初始位置，并以堵蓋密封。堵蓋采用嵌入式螺塞結構，下端設計活塞式O形圈徑向密封溝槽，應用O形圈與擋圈組合實現靜密封；堵蓋內部挖孔減重，上端通過外螺紋與后端蓋緊固連接，設計壓力16 MPa。裝配完成后，經耐壓與密封試驗，未發生滲漏現象。

導向套起密封導向作用，承受火炮射擊產生的側向力。前端蓋設計防塵圈與潤滑油氈，用于防塵、潤滑和固定導向套；整個液壓調平支腿采用連接法蘭安裝于火炮底盤，承受調平后的靜載以及火炮射擊帶來的沖擊動載。

炮腳采用鋼板沖壓成鑼形結構，中間焊接球窩，內部設計拉筋，底緣周邊設計鋸齒，可有效提升火炮抓地力，防止火炮射擊過程的大范圍滑移，提高射擊精度與穩定性。

3 拉簧設計

為使拉簧[9]結構緊湊、重量輕、尺寸小，使其在初始狀態下就產生較大拉力，因此，設計采用具有預應力τ0的預應力拉簧。該拉簧具有一段假想的變形量x，即在自由狀態下拉簧就具有一定的初拉力p0，當承受拉力時，首先要克服相當于假想變形量x的初拉力p0，彈簧才開始伸長，亦即在同樣的拉力下，彈簧實際拉伸變形尺寸較小。

具體設計時，初始拉力p0可根據活塞桿、球頭和炮腳的重量以及活塞桿所受的摩擦力計算得到，最大變形量l即液壓調平支腿的行程，最大工作負載pn通常給定，通過上述參數可求出假想變形量x以及彈簧剛度p′。

(1)

(2)

(3)

參數按照常規彈簧加工方法制成往往預應力太小，為了在不改變拉簧結構尺寸的前提下提高預應力，要求拉簧空載狀態下各圈應相互并緊，這可通過制造工藝加以改善。在拉簧卷繞過程中，同時使簧絲繞其本身的軸線產生一定扭轉，這樣制成的彈簧，各圈相互之間具有一定的壓緊力，簧絲中將產生較大的預應力。通過工程試驗表明，簧絲扭轉角度太小，預應力提高有限，扭轉角度過大，預應力雖提高明顯，但影響拉簧壽命。因此，如何確定簧絲的扭轉角將成為預應力彈簧制造的關鍵，在某內置拉簧的火炮液壓調平支腿的拉簧設計制造中，通過反復試驗，得到簧絲扭轉角在10°～12°范圍內，既可增加預應力又不影響拉簧壽命，熱處理后硬度應達到HRC47～52。

為實現預應力拉簧在承受拉力時不削弱傳統鉤式拉簧鉤環處的強度，拉簧兩端設計成圓錐閉合形，在拉簧的卷繞過程中直接將芯部錐形結構體繞于其中。兩端錐形結構體外螺紋分別用于球頭和鎖緊螺母的連接，內螺紋為工藝螺紋孔，在安裝拉簧時，可借助螺桿將其拉出，方便操作固定。拉簧連接結構如圖3所示。

圖3 拉簧連接結構圖

4 工作原理

內置拉簧的火炮液壓調平支腿在行軍狀態下，活塞的上端面與后端蓋之間留有1～2 mm間隙，此時拉簧已經產生一定的預拉力，將炮腳的球窩端面與限位套緊緊貼合，該預拉力大于活塞桿與炮腳的重力以及活塞桿所受的摩擦力，將活塞桿與炮腳牢牢鎖定在行軍位置。調平時，液壓系統油液進入調平油缸的大腔產生推力，克服簧力，活塞桿伸出，調平結束后，各調平支腿由液壓鎖鎖定，拉簧始終處于拉伸狀態。撤收時，既可控制液壓系統通過小腔進油、大腔回油的模式進行戰行轉換。若采用零泄漏二位二通電磁截止閥鎖定大腔，亦可通過控制電磁截止閥打開實現大腔回油，依靠簧力將活塞桿與炮腳直接拉回至行軍位置并鎖定，拉簧恢復至初始行軍狀態，實現自回桿功能。

考慮到調平過程拉簧的阻力作用，對某火炮液壓調平支腿中的簧力進行了計算，其最大拉力為6500 N，對應170 mm的缸徑，負載壓力約0.3 MPa。在設定系統壓力時需增加拉簧負載，并為其專門留有0.1～0.2 MPa的壓力裕量。通過試驗臺平滑性試驗后，測得其空載啟動壓力約0.14 MPa，空載最大行程壓力約0.36 MPa，與設計相吻合。

5 調平支腿剛強度分析

調平支腿在結構設計前，首先應確定其缸徑、桿徑和行程等主要參數，對于不受側向力的調平支腿可按照手冊給出的公式進行強度計算與校核，然后進行詳細結構設計。但對于承受較大側向力的火炮調平支腿，除進行常規的靜載計算外，還應在調平支腿極限工作條件下進行必要的瞬態動載分析計算。因此，在完成調平支腿結構設計后，利用ANSYS[10-12]仿真平臺，對某車載高炮在射角為0°條件下的調平支腿進行了剛強度分析計算。

計算中調平支腿采用雙線性鋼材料，材料參數分別如表1所示。

表1 材料參數

以安裝調平支腿的車架為計算對象。計算時對模型進行了簡化，將車架及以上部分簡化為連續體，上裝部分簡化為質點，其質量及質心按照全炮總重及總質心配置。油缸之間按接觸處理，摩擦系數取0.15；炮腳與地面摩擦系數取0.75。調平支腿上中下3個平面進行高低的自由度耦合處理，模擬內部液體不可壓縮，不考慮油缸側壁所受的液體壓力。模型采用具有二次形函數的高階四面體單元，采用N-kg-mm-s單位制。后坐力按空間位置施加于座圈上，其載荷及約束如圖4所示，網格劃分如圖5所示。

圖4 載荷及約束

圖5 網格劃分

分別計算方位0°, 30°, 90°, 145°在射角為0°條件下液壓調平支腿的變形及應力。圖6為方位90°、高低0°射角下全局合變形及調平油缸活塞桿的合變形與應力云圖。

圖6 合變形與應力云圖

表2 射擊載荷下調平油缸剛強度計算結果

通過分析計算，某火炮基于內置拉簧的液壓調平支腿，活塞桿受力最大，調平支腿的最大合變形與最大等效應力出現在方位90°、高低0°射角條件下，即火炮橫向平角射擊時工況最惡劣，其活塞桿最大合變形為1.20 mm，最大等效應力為125.2 MPa，強度與變形滿足設計要求。

6 結論

通過在空心活塞桿內置拉簧產生拉力實現活塞桿到位鎖定技術，消除了傳統調平支腿在行軍時因液壓鎖失效而導致活塞桿自動滑落的不安全因素，可替代液壓鎖實現活塞桿可靠鎖定，并帶自回桿功能。具有承載大、抗彎能力強、結構簡單緊湊、重量輕、活塞桿到位鎖定可靠等特點；炮腳采用空腔鑼形結構，底緣周邊加工鋸齒，在滿足強度的條件下減輕了重量，提高了液壓調平支腿的抓地力，可有效提高火炮射擊穩定性和射擊精度；該液壓調平支腿整體采用上安裝方式，解決了傳統液壓調平支腿下安裝空間受限而需要地溝的實際問題。經過試驗考核，內置拉簧的液壓調平支腿能確保活塞桿鎖定可靠，無滲漏現象發生。