炮塔悬挂对火炮稳定精度的影响分析

董 震，邢俊文，郝丙飞，赵 耀（装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072）

炮塔悬挂对火炮稳定精度的影响分析

董 震，邢俊文，郝丙飞，赵 耀
（装甲兵工程学院机械工程系，北京 100072）

为提高坦克在行进间火炮的稳定精度，以某型坦克为研究对象，笔者提出在炮塔与车体之间添加橡胶减振器的方案进行隔振优化，用状态方程建立垂向振动数学模型，基于GB7031构建随机路面激励，通过MATLAB/Simulink进行仿真，分析坦克在行进过程中炮塔的垂向振动特性，结果表明：相对于传统的炮塔与车体之间的刚性连接，该方案能够有效减缓炮塔的振动，进而提高火炮在坦克射击时的稳定精度。

炮塔悬挂；稳定精度；橡胶垫圈；仿真分析

0　引言

当前，随着火控系统的发展与应用，坦克在静止时的射击精度已经较高，但是在进行间的射击精度还有待提高。如何提高行进间的射击精度，已成为热门的研究方向。本文通过对炮塔进行隔振，在尽可能小的程度上进行改装，以达到减缓炮塔振动、提高射击时稳定精度的目的。本文将坦克简化为车体与炮塔两个部分，同时把橡胶垫圈简化为一个弹簧—阻尼系统，对此进行建模与仿真分析，通过改变橡胶垫圈的刚度与阻尼，以达到一个较为理想的减振状态，进而提高行进间火炮的稳定精度。

1　评价指标

本文以某型主战坦克为研究对象。根据125mm坦克炮立靶密集度试验要求，考虑外弹道影响，推算得出炮口垂向线速度的近似值；同时由于内弹道和耳轴对炮口的影响，估算得到炮塔垂向线速度范围。通过建模与仿真分析，对比有、无橡胶垫圈时炮塔振动的两种情况，并与估算得出的炮塔垂向线速度范围进行比较，以此对橡胶减振器的作用作出合理的评价分析。

2　建模

2.1建立随机路面模型

当把汽车近似作为线性系统处理时，掌握了输入的路面不平度功率谱以及车辆系统的频响函数，就可以求出各响应物理量的功率谱，用来分析振动系统参数对各响应物理量的影响和评价平顺性。

在1984年国际标准化组织在文件ISO/TC 108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方法草案”和国内由长春汽车研究院所起草制定的GB7031《车辆振动输入—路面平度表示》标准之中，两个文件均提出了按路面功率谱密度把路面的不平程度分为8级。表1规定了各级路面不平度系数Gq（ n0）的几何平均值，分级路面谱的频率指数W=2。表上还同时列出了范围路面不平度相应的均方根值qrms（σq）的几何平均值。

表1　路面不平度8级分类标准

由于125mm坦克炮立靶密集度试验是在硬土路上进行的，根据路面不平度8级分类标准，硬土路应属C级或D级路面，本文利用Matlab建立随机路面模型。

2.2建立振动模型

2.2.1无橡胶垫圈时的单质量振动模型

无橡胶垫圈时，坦克的简化模型如图1所示。

图1　坦克的简化模型（无垫圈）

应用牛顿运动定律，即可导出由图1所示坦克模型的运动方程，其表达式如下：

式中，m为车体与炮塔的质量和；k’为悬架弹簧刚度；c’为悬架阻尼系数。

根据运动方程，利用Matlab建立数学模型。

2.2.2有橡胶垫圈时的双质量振动模型

有橡胶垫圈时，坦克的简化模型如图2所示。

图2　坦克的简化模型（有垫圈）

应用牛顿运动定律，即可导出由图5所示坦克模型的运动方程，其表达式如下：

式中，m1为车体的质量；m2为炮塔的质量；k’为悬架弹簧刚度；c’为悬架阻尼系数；k为橡胶垫片刚度；c为橡胶垫片阻尼。

将式2与式3化为矩阵形式：

根据运动方程，利用Matlab建立数学模型。

3　仿真分析

3.1单质量系统的建模与仿真

利用Simulink对无橡胶垫圈时的单质量系统进行建模，如图3所示。

图3　单质量系统的仿真模型

在10s内的仿真结果如图4，图5所示。

图4　炮塔垂向位移曲线

图5　炮塔垂向速度曲线

3.2双质量系统的建模与仿真

利用Simulink对有橡胶垫圈时的双质量系统进行建模，如图6所示。

图6　双质量系统的仿真模型

在10s内的仿真结果如图7，图8所示。

图7　炮塔垂向位移曲线

图8　炮塔垂向速度曲线

3.3仿真结果对比分析

通过图7与图4、图8与图5对比，可以看出：在C级随机路面下进行仿真分析，添加橡胶垫圈后，炮塔的垂向最大位移由0.03m减小到0.018m，炮塔的垂向最大速度由0.12m/s减小到0.02m/s，并且振动频率大大减小。

4　结论

通过在炮塔和车体之间添加橡胶减振器，能够有效地减小炮塔在行进过程中的垂向位移和垂向速度，尤其是垂向速度，其减小的幅度十分明显，同时炮塔的振动频率也大幅下降。这种在炮塔和车体之间添加橡胶减振器的方案，能够减缓炮塔振动，进而可以提高火炮行进间的稳定精度，并对坦克在行进间射击精度的提高也有十分积极的影响。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.224